Структурно-фазовые превращения в железе, последовательно облученном ионами азота и бора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ШШСТРРСТЯО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ „ „ « БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕ'ТОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г б од

На прпивх рукописи КУЛШОВ АНДРЕЯ КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 548-1628 539.12.01

СТРУТСТУРНО-ФАЭОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ХКЛЕЗВ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ОБЛУЧЕННОМ ИОНАДО АЗОТА И Ш

01.04.07 - фланка твердого уел«

автореферат

диссертации на соискание ученой степегий кандидата фнзико-ыатеиатцчэскнх наук

Минск - )994

РзОотв выполнена на кьфедре Физики тиердого тела Бел!>руескпт»о государственного университета

ИвучиыП руководители

кандидат фнзико-математических наук, доцент ХОДАСЕВИЧ В.В.

Офидояьндо оняоненти:

профессор, доктор фИЭИКО-иатематическмх наук ЬОРИСИИО В.Е.

доцент, кандидат физико-матеыатичеокмх наук БЕЛЫЙ- И.М.

Ведущая ортиэецня:

Институт физики твердого теле м полупроводников АНБ

Защита /диссертации состоится "__??>. " ноября______ 1994 г.

в _ часои на заседании специализированного Совета Д 0b6.03.05

по присуждению ученой степени доктора наук в Бедгосуииверситете (220080, г.Минск, пр.Ф.Скоршш 4, Белгосушверситет, главный корту с, к.г'ов) .

С диссертацией иожно озивкоються в библиотеке Белорусского' гогудярстпеииоп) университета.

Автореферат разослан " " _ 1994 Г.

Учений секретарь специ.члизировя.шого Совета, канд.фнэ.-иат.наук, доцент

В.Ф.Стельыах'

ОГЗЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теми. Значительно« улучшение эксплуатационных свойств деталей машин и инструментов но иног'их случаях нонет быть достигнуто за счет повышения стойкости их рабочих поверхностей. Среди многообразия путей решения атой проблемы, н настоящее время, наибольшие внимании привлекает метод ионной -) обработки поверхности. Присталышй и постоянный интерес ученых вызывает имплантация больших доз полон таких химически активных элементов как ГО, В, в железо и различные виды сталей. Это связано с огромной важностью материалов на основе иелеза для промышленного применения, и с возможностью модификации свойств поверхностного слоя яелеза за счет формирования соединений железа с химически активными примесями внедрения. Наряду с разбитием метода модификация свойств поверхности в результате облучения материала ионами одного сорта, в последнее время внимание ученых привлекли методы , испольэушции последовательное или одновременное облучение материала ионами различного типа. Перспектива использования в науке н технике меч ода многозлементной имплантации базируется на возможности получения еще более разноосразних и уникальных физических свойств в результате образования в приповерхностной области облучпеиого материала структур со сложным фазовым составом, на основе материала мишени и имплантируемых атомов. Сов^емешша технические средства позволял«* реалиэоЕывать последоватьльную имплантацию на практике. Однако, ' существует незначительное количество публикаций, посвященных изучению закономерностей фазовых и структурных изменений в металлах в случив шплитицш нескольких видов ионов. Отсутствует теоретическая проработка ризультатов последовательного внедрения нескольких типов ионов в материалы. Таким образом, тема диссертации, связанная с изучением отруктурно-фазовых превращений в железе, изменением свойств железа в результате последовательной имплантацпн ионов азота и бора, является актуальной с научной и практической точки :рения. Актуальности темы диссертации подтверждается и тем, что работа выполнена е рамках т ши "Исследовать структуру и фазовые превращения в повер!постных слоях металлов, сплавов полупроводников и магнетиков при воздействии концентру юнвнних

Э

потоков энергии' (ПОСТ. СМ ВГСР ОТ Р9.03.91 г., гос. рЙГ. номер 0191(4>^>6г><1 ) , КГОДИВДЮ И пчпни н!(«нмйших рйбОТ ЛН РГ. в области естесччюянйннч 19<}«>-Г'»90 и 1991-1995 годы.

Цель И :чедк'1И работы. Цклып ньстошцей работы яялилось исследование структурно-фазоних превращений в железе при моноэлементном и полиэлементном облучении ионами аэота и бора и устяноглечие ичаимосвяэн между наблвдапцимися фазовыми превращениями и измененном основных физико-механических свойств, в также изучение термоствбильности сформированных структур.

Для достижении поставленной пели решались следующие научные задачи:

- исследование закономерностей структурных и фазовых превращений в пленках железа при моно- и полиэлементном облученнн ионами азота и Пора{

- изучение стабильности и кинетики структурно-фазовых изменений в облученных пленках железа при постимилантационном отхиге;

- исследование влияния разлитых режимов имплантации, постнмплантационного отжига на физико-механические еьойства пленок, поверхностных слоев железа, а также стали УЯЛ.

Методика исследования. В раСюте били использованы комплексные методы исследования фазового и элементного состава, структуры, физических свойств пленок железа, а тзгсю механических характеристик поверхностных слоев железа и стали УвА, включая такие иетоды исследования, кик: прс,юречмвэ<чцая электронная микроскопия, вторично-ионная мэсс-спектроскопия, резистометрия, измерение микротвердости, трибометрия,

Научная^ковизка работы заключается в том, что в ней!

впервые получена информация о последовательности рядийционно- стимулированных фазовых превращениях в пленках железа при различных резашах полиэлементной имплантации. Показано, что особенностью полиэлементной имплантации ионов азота и бора в пленки железа является отличие суммарных фазовых составов, сформированных при ыоно- и полиэлементном облучении;

- впервые установлено, что моногоэлемонтная последовательная имплантация ионов N и В в пленки железа приводит к преимущественному формированию с-боронитрида железа;

с- определена термическая устойчивость фазового состава имллантационной системы "хелезо-азот-бор", созданной при

4

последовательной многоулоионтои облучении. Нпернш установлено,

ЧТО ТН|М0СТаПИЛЫ10ГТЬ * -бороННТ] ИДа «(.'Леза, СфО{».ШрОВ ИННОЮ при последовательном облучении па 200 К июни чей с- и )'-нитридов железа, обрямунцнхся при моноэлешненов иннлантацнн;

- установлено замедление ренристаллиз.нцюнних процьссон в температурном интервале 600...й?3 К, обусловленное формированием термичигки устойчивого > -боронитрида железе,

Научно-пряктическан значимость раЯоти звьлшчяется в следуадем:

- установленные закономерности фниооорааониння и тецинчиской устойчивости соединений, формирунцихон в тонки* плойках нелепа при различии* режимах ионо- и поличлементной ионной 1Ш!ишлтвции могут бить нснользоиани при создан;»! осщей 'лшрии неравновесных фязовмх изменений в металлах;

показана более высокая зМектшшость приш иония полизлементнои последовательной имплантации для улучшения прочностных и трибологичеких свойств нетемлоотойких углеродистых

СТНЛеЙ;

- показано. что ионно-нмплннтационные слои, содержащие I -<1о)К1Нитрвд железа расширяют температурный ннгарннл сгидшык сти прочностних и трибологических свойств железа и стали УВА.

Основным положения, шлшсиине на зшфту.

1. Преимущественное формирование при последовательном ионной облучении N и В желоза боронитрида (-Ре (Н,В) (0 х < 1), а также Оорвдов Р«.(Вр Ков.

2. Термическая устойчивость структура, фа зев,»м и элементного состава, электрических и мехиниуесхих своДств имилантяционной системы К'е-Ы-Н обусловлена форяфоьанлем при последовательной облучении азота и Сюра с-боронитрида иолеза, полный рпспид которого происходит при температура ни 200 Н ше чей (-нитрида железа.

3. Дефектная структура тонкониеночних образцов железа, фориирушдаис я при последовательной ионной ;-/шиг, нтации, претерпевает качественное и количественное изменение, связанное с исчкиюьенньм в темперггурном интервале (300...473) К стадии отжига дефектов вакансионпого тина; появлением и тр&нсф )].м<|цней промежуточной (Ь.'З .. .600) К стадии, обусловленной формированием накансионно-п шмесных комплексов; замедлением рекристал-лизнциошшх процессов в чемпературном диапазоне (600-673) К.

4. Улучшение прочное пшх и фрикционных свойств железа и

5

стали УВД при последовательном облучении ионами азота и бора значительно выше, чем при ыонрэлементном облучении.

Апробации работы. Материалы диссертации докладывались на иеждуляродних конференция х по ионно-лучевой модификации материалов (Тоннеси, США, 19с>0 р.). (Гейдельберг, Германия, |9<>2 г.), н;» Международной конференции по модификации материалов энергетическими импульсами и пучками частиц 1ГМ-89 (Дрезден, ГДР, 1989 г.), на XVIII (1988 г.), XIX (1ОД9 г.) Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия наряженных частиц с кристаллами (г.Москва), I Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (г.Томск,

1988 г.), Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (г.Каунас, 1989 г.), Республиканской научно-технической конференции "Вакуумные покрытия-88" (г.Минск,

1989 г.).

Публикации: содержание работы отражено в )I опубликованных научных работах.

Структура и„объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Она изложена на 196 страницах, включая 81 рисунок и список литературы из 93 наименований.-

• КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГАВОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая__глава содержит анализ известных результатов

исследований влияния ионной имплантации ня изменение основных физических свойств поверхностного слоя металлов.

Коротко рассматриваются экспериментальные результаты и теоретические модели таких процессов, сопровождающих ионную имплантацию, как накопление имплантируемой примрси, радиационных дефектов, распыление, радиационно-стимулированная диффузия и сегрегация, изменение механических свойств поверхностных слоев металлов. Приводятся результаты расчетов по теории Зигмунда коэДОицентов распыления железа и критических доз накопления в нелеэы ионов N и В при осуществляемых в работе режимах имплантации. Результаты расчетов показывают незначительное

6

влияние распыления нв теоретически построенные колцентрнционные профили распреденения по глубине атомов N и В в }е. В работе сновное внимание уделяется фазовый и структурным превращениям, щюнсходящнм в переходных металлах при ионной ниш янтзщш химически актианих иолов N, С, П.

Рассматриваются теоретические подели позволяющие

прогнозировать изменение при имплантации структуры материала

с (аморфной или кристаллической, твердый раствор внодрошсд или

замещения). Отмечается, что для различных рьжимов облучения (1Ï «

10.. ,200кэК, D <• tOw' ионА:ца, Г,,,,,,,,,,,,, до 500 К, .J до 10

* мишени

ихА/сил) существующие на сегодняшний день модели :ю:и-олшг щюгнозировать характер распределение имплантируемой примоои, дефектов; определять в случае однородной шшшни тип формирующегося твердого раствора; контролировать скорость распыления поверхности иишенн. П])И увеличешш дозы, температур« или плотности ионного тока корреляция мевду экспериментальными и теоретическими результатами существенно нарушьотел.

Анализ су;цеетнух<цих работ по многоэлементной ионной имплантации n металлические системы свидетельствует о дополнительных значительных изменениях физических н ыехмтческнх свойств поверхностного слоя металла по сравнения с полпэлеиентной имплантацией. Основной упор в :»тнх работах делается на практически вахлше характеристики: кочффицент трении, твердость и износ материала. К]к>ме итого, как следует из нешюгоч «слвшшх публикаций по этому вопросу многозлементнья имплантация позволяет формировать в приповерхностном слое чередующиеся многослойные структуры (аморфная, кристаллическая) н фазовые соступи. В настоящее время практически отсутствуют данные по -эволюции фазового состава и дефектной структуры магериалок при лолизлементной имплантации.' По результатам анализа литературных данных приведенных в этой глвае, формулируется цель и задачи, решаемые в настоящей работе.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных иетодяк, характернее к образцов i способов их получения. Для нргшдешея иследований были приготовлены три типа образцов: пленки железа толщиной 1 ОС» км, иассиыие образцы железа и стали У8Л,

Иссле,юэанив структурно-фазовых изменений в образца«, яолозв щюводилось при различных режимах моноуленентной и

полиэлемонтной ишшаницни ионов азота. Моноэлемен'ппя и

Т

полиэлемонтняя мтлянгацмя прэводилвсь ня установках типа "Везувий" и "ИГО-4" с »непгиями ионов азота - 40 кэВ, ионов бора 30 клВ, пт! иикууме порядке 5 Ю"4 Па. Энергии ионов взота и Оора избирались таким образом, чтобы профили энергии выделенной в упру па столкновениях совпадали. Плотность тока ионов азота (,] м) состамляла 1,!> и 3,5 мкА/'см', ионов Гора (,]()) 1,5 мкА/см.а Плотности ионнш'тэков по азоту били выбраны таким образом, чтобы температура пленок при облучении находилась в пределах (370...440) И. Лозы облучения в случае моноэлементной имплантации ионами вуота или бора изменялись в интервале (Ю14...6»ю1л) нон/си3, при последовательной ииплантацни - (?«Ю14...1,2»Ю17) Ион/ом".

Исследование структур« н фазового состева пленочных образцов иелеэ? проводилось на электронном микроскопе .ИХ- ЮОСХ, алектроногрифе ЗМР-Ю2. Для исследования изменения фазового состав» образцов непосредственно в процесс» изохронного отжига в вакууме применялась специальная приставка к электронографу, поятм'/ияцвн проводить эксперименты в режиме "1п г Ни".

Исследование эмиссии вторичных ионов железа, бора, углерода, и распределение атомов бора пс> толн^не пленки, скорости распыления пленок, от ]>ежимои моноэлементного и последовательного облучения, температуры постюшлантацнончого отжига проводилось с помощью метода масо-спектроскопии вторичных ионов на установке МС-720Ш. Распыление пленок осуществлялось источником нонов ||р»он11 с энергией 5 кзв.

Измерение алектросопротишштя пленочных образцов в зависимости от различных режимов облучения и температуры изохронного отжига проводилось стандартным компенсационным четырехзондовим методом.

Измерение микротвердости массивных оразцов железа м стали У8А проводилось на приборе ПМТ-3 по методу Виккерсв.

Для массивных образцов железа м стали У8А определялся коэффициент трения в процесс« износа с помощью трибометра ТАУ-1М, Триболоппшские испытания проводились в условиях сухого трения, при возвратно-поступательном движении штифта по образцу. Штифт был изготовлен из твердого сплава ВК-8,

__В третьейглаве представлены результаты анализа фазового состава и структуры тонкопленочных образцов железа в зависимости от режимов облучения и температуры последущ<то изохронного

В

отжига выполненного н интервале температур 300...973 К.

При облученни ионнин взотн фазовый состав пленок железа

зависит от дозы облучения н поличины ,| . Для плотности ионного

•> ы

тока азота ,) » 1,5 мкл/см' и доз облучения не ионпо 3* 10,лион/си:! образуются соединения »-Ре N и ^-Рв, (N,0.

Л ■*■ к 2 + м

Кроме этого происходит изменение структуры пленки, связанное с увеличением среднего размера зернз (Т,) о 10 им до 21 ни. Увеличение ^ до 1,5 икА/сия приводит к форкщювпнию в пленках помимо г -нитрида и г- карЗонитрпда нелепа и П. Такш»

происходит увеличение Г, с < IО ни до 31 ни при дозо облучений 6»Ю1лион/сма. Выполненный теоретический расчет на основе уравнения тешювого баланса мишени под облученном, показывает, что температура пленки железа в зависимости от меняется от 'МО 1С до 140 К. Расчетные значения температур нвх'реви пленок подтверждаются экспериментальными данными по изменению ¡электросопротивления в процессе изохронного отжиги. ато позволяет предположить, что интервал теииератур облучении 370...лИО К является критическ1ш с точки зрения образования нитрида желез«. Ииллант*ция нонов бора (начиная с дозы Ю^ионЛи1) приводит к формировании Ро^В. Увеличение дозы облу^окия до 6»101Лион/см'! способствует образовании» 1'еЬ. При атом Е увеличивается до 34 нм.

Конечный фазовый состав при последовательной шямактицин (табл. I) не является суммой фаз ( £-Ре N. (N,0), Р« В,

2 ♦ 1» й ♦ к

РеВ), образовавшихся в результате ионоэлементной мдиинтацим. Набл адаетея преимущественное формирование <:-?еи .

Образование Р«.,В и РоВ наблюдается только при отдолиш дозах последовательного облуче!Шя. Проводилось сопоставление экспериментальных и расчетных данных по межплоскостнш расстояниям (с1) соединения е-Уо (И,В). Расчет <) выполнялся для ^ н личных

Я * х

соотношений концентраций атомов железа, азота и бора в предположении возможности внедрения ионов бора о 1"ПУ решетки г-Ре (Я).

я

При плотности тока по азоту ;) = 1,5 мкЛ/см рост с;»имирной дозы последовательного облучения приводит к увеличению 1' до 30 ни Увеличение 3 до 3,5 икА/сив замедляет рост I и при дозе облучения аэо'лоу б* ю' 6кон/см:' последующе облучение иона.\ги бора не меняет пеличины I. Анализируется возможный неу.пнизи формирования фазы + (N,8). В основу которого пыюлено

9

Таблица 1

Фазовый состав 11лр«ск железо, последовательно облученных нонами изота (JN- 1.Ь мкА/cu2) и бора (J . 1,5 мкА/смм).

* 101' и* /си *I0"V/CM 2

3 6

i.....

3 6

Т~ 3 6 '1 3 6

фазы ^

с~ (N ,В) t + г-Ре, (N, 0)

И ♦ К

Fo, В и

Fe В

1

предположение о vom, что в результате лоследуыцего облучения ионами бора подвижные комплексы вакансия - атом боря взиимодрйструкгг с «-нитридами железа и образуются фаза I-¡'о.,, (N.R).

В ра(>от<> подставлены результаты экспериментального исследования термической устойчивости фазовых составов киилат-ацнонных систем "Fe-N", "Fe-B", "Fe-'J-B". Показано, что распад c-Fe,,4) N образованного в результате имплантации ионоп азота при температуре отжига более 673 К сопровождается образованием нитрида железа y'-Fe^N (табл.2). Полный распад

Таблица 2

Схема фазовых превращений при отжиге в плешах железа, однократно и последовательно облученных ионами N н В.

N-Zc-Cl + у и Л2Ж> ö-ра + ?ö О + Fe 0„ '4 э 4 ?. э

3» Ю1' В'/см1'

л-Fe f Fe В + УгВ ---->a- Fe + Fe ВK-> «-Fe 4 Fe В г я з

+ Fe О

э 4

6*101<,Г/см2 + + S«10,ftNVcu2

«-Ре + г.-Fi- (N.B) ?* ><» -Fo + £-Fe (M.B)

г * x 2 ♦ к

+ 7 '-Fo ,11 ^ Fo Ь--73— > n - Fe н Fe P, + Fe 0

л э :> т 4

Ю

ннтридиы« Фаз кепеза ннпнчинпетон при тмшерятуре 'ПЗ К. Распад бо^чштрида железа, панированного в результате последовательной имплантации ионов II и м прон' ходит н интералч температуру тт:<.. .<>т:ш.

Полный распид боридов КеЧ н 1'<?.(В происходит при температурах отжига соответственно /123 1С и 67:} И, при зтом Фо}<мнруетсн борид железа !ч> который устойчив до температуры отжига 47Л К.

Четвертая глжа псовященч анализу взаимосвязи меяду изменением фазового состава, структуры образцов и модификацией ил физических свойств ( '1лект]х>епцротинленио, иикротвордость, коэффициент трения, змиссни вторичных ионов железа, боря при распылении ) в зависимости от ретогмов облучения.

Показано, что величина выхода вторичных ионов железа при распылении образцов нонаии аргона зависит от фазового состава, формирующегося в результате монозлемэнтной или последовательной имплантации ионов азота и бора. Так, образовании н'лтридов, ки[/;оннтридов железа в результате имп.пвнттряи иоуов азота не влияет на величину ток» вторичных ионов железа при р&опыленни. Фсцми^ювание Ооридов железа приводит к увеличению выхода вторичных ионов железа при распылении плянок (в зависимости от до-.и облучения) г< 3... 10 раз . При последовательной шплянтм-Рчи ионов азота и бора, когда в образцах присутствует (^) увеличение выхода вторичных ионов железа при распылении имеет место, однако не превышает 3-х раз.

Пространственное распределение бора в имплантированных пленках определено в зависимости от сумыарчшг доз и тевдшратур постиыплантационного отжига. При &том отмечено, что трансформация Оорндных фаз при отжито сопровождается одновремчюшч перераспределением бора по толщине планки.

При температуре отжига 523 К в случае моноэлементной имплантации происходит миграция атомов бора к поверхности» в результате приповерхностный слой пленки (толщиной АО ш) насыщается атомами бора, максимум распределения атомов Оорэ сдвигается к имплантируемой поверхности. При увеличении температуры отжига до 373 К распределение атомов бора слабо меняется. Изменение концентрационного профиля беря при отаига обусловлено распадом фазы РоВ, происходящем при температуре 423 К. Неизмешюсть профиля при более высоких температурах отжига

11

связана с технической ус тойчиноотыо образу «дего при распаде КвВ боридл железа

В случаа последовательной имплантации с ростом дози облучения ннбладается увеличение доли с-Ке,,^(К.В). Отжиг до 673 К не приводит к ее распаду и перераспределении бори по толщине пленки. При гемпературо отжига 073 К насыщение бором приповерхностной области идет в значительно меньшей степени, чем Л случае моноэлешттнС'й имплантации борой. Замедление диффузионного пераспределиник бора в указанной диапазоне температур, глнмшм образом, обуславливается термической стабильностью фиш г-^^^И.В), распад которого происходит в температурном интервале 773...973 К.

В работе приведены дозоные зависимости электросопротивления пленок для различных режимов моно- и полиэлементного облучения. С ростом дозы моноз П1Ш9ЛТНОГО облучения ионами азота и бора ( в 1,5 икА/см") наблкдоотея увеличонне электросопротивления, Обусловленное иикроогруктурнимн изменениями, формированием фаз и накоплением радиационных дефектов. Для исследования дефектной структур« образцов проводился анализ изменения относительного ялрктрос&протиилинил (/Л/Л о) облученных образцов в зависимости от дом, плотности ионього тока и температуры поитимплантацнонного изохронного отжига. Для необлучниной пленки ниблгдаи-тся две стадии отмнга в температурных инторьнлах (300...473) К и (600...873) К. Анализ литературных данных позволяет

предположить, что наличие двух стадий свнзано соответственно о отжигом вакансий и рег.риоталлизационнши процессами. Протекание реириоталлиэационнш лроцеосо» подтверждено дополнительными исследованиями структуры пленок. При моноэлементном облучении ионами N и В происходит уменьшение АН/Но на 1 стадии отжига.

В результате последовательного облучения пленок железа нонами азота и бора формируется дефектная структура , отличительными особекчостями которой являются: исчезновение в температурном интервале 300...473 К стадии отжиге дефектов иактс.-иояного типа; появление и трансформация промежуточное (323...600) К стадии, обусловленной формированной вакансионно-примесных комплексное.

Проведено исследование прочностных и триболоческях характеристик жолззв и стали У8А при различных режимах моно- и Прлиэлементного облучения и последующей термообработки. Выбор

12

стали УНА обусловлен но^можносгьп практического применения метода последовательной ишшштацип. т.к. УНА ллллется котоплостойкой сталью, упрочнение которых сильно затруднено из-за низкой (/100 К) температуры отпуска механических свойств.

Установлено что в случае последовательной имплантэцим в интервале доз (3. ..(>)» и)' ''и*/сма ( (3. ..(■)* IO'^BVcu3 происходит более значитечыгый рост ыикротнердости железа на 00... 35)Ü! и стали У8А на (70...чс>г< п сравнении с ноноэлементной ицтштгвцией и другими дозами последовательной имплантации. Показано. что максимальное увеличение стойкости (более 3-х раз) поверхностного слоя железа (0.5...2 мкм) к истиранию достигается ti случае последовательной имплантации дозами 6»Ю!'u*/oua * 3»ю"'В 7см:' , 6»101Л М 7см 6» 10"'В'/сы'.

Прш отзшге восстановление механичосн.их свойств для образцов железа облученных последовательно N и В в юггервмле доз (3.-..б)»1о"к*/смй ■> (3...6)»ю^'В'/ем'1 происходит гораздо медленнее с ростом температуры, чем для молоалемецтно облучешчх образцов. Обнаружено расширение до 200 К температурного ннтервплг. стабильности механических свойств ¡млеэв и сталм УВА последовательно иыплантирэпатшх ионами .чэотй и бора по отноиеими к моиозлементноиу облучению этими ионами, Результаты ачалня» термической стабильности фазового состева ц корреляция »тнх данных с температурной зависимостью изменения прочностных и трибологических свойств позволяет нам предположить, что , при больших суммарных дозах последовательной ишглаитации обраацоо аелезл ионами К и В благодпря образованию н росту обьсшгоЯ доли r-борснитрмдя нелеэа, происходит мзкеииэльное учучаание прочностных и трибологических свойств железа и увеличение их термической стабильности.

основные вывода I. Многоэлементная последовательная тлтлтгшшя поэг/оляот формировать дополнительные соединения на основе иатр^эды л имплантируемых элементов:

- enepgjjfi установлено, что шюгоэлеиентная гшплвнтйцкя ноиоп N4 и В* в тонкие пленки железа приводит к прпимуществотгоыу формированию боронитридз яелеза (N.B) переменного (0 < х <

i) состава при суммарных дозах последовательного облучения (З...6)«ю"' H*/ru;! + (3...6)«Ю,Л В*/си'' (.1,, ~ 1.5 цкА/си4):

13

- показано, что при раогшлишн тонких пленок железа, облучении* ионьин борь и последовательно облученных ионаин азота и бора 1! интерьале доз (1...ь)»ю" г,'/ем! -t (3.. .6)» Ю1'' l)Vou!, происходит увеинчение коуод/ицинта вторичной змиссни ионов железа, связанное с образованием соответственно борндиых фаз железа 1'е^В U FeB и фазы г Ь- iN.I ).

i * н

II. Показано влияние токовых режимов монозлементной и последовит.ш.ной имплантации на фззоьие изменении ь пленках Fe:

- зксперииеьтально обнаружено дополнительное формирование фвзы Fe4N, <>6i.aзугщейся только при плотности ионного тока s30t.9 3,S UKA/cl(y.

- установлено дополнительной фирии[ювание боридов Fe в и FeB njai дозах облучении 1«ю"' N'/otr ь»ю"' В*/см! и 3«101Л N*/cu:' + 6«to1 H*,'cu;' « 1,5 мкА/см'), я также 1»I016 M'/cu:l •t 6» 10'6 В*/сму, ЗИО'" М'/сия f (1...3)«10''' BVcm;! (j = 3,5 ukA/cu1')

- показано, чго ripu всех режимах последовательной имплан'и.ции не происходит формирование бормда Ке^В, образушиегося при ионозлемеьт.чой имплантации ионов В';

П1. Установлено, что изменение структуры полик'чютал-лических пленок женеэа при моно- и многозлементной имплантации обусловлено радим^онно-отииули^шанниии рекристаллизационныии процессами, вычывзпгши увеличение в .. 3 раза среднего размера кристаллитов о ростом дозы облучения и плотности ионного тока.

IV. Экспериментально исследована те|ыическня устойчивость фазового, элементного еостьва и структуры нмплантацнонных систем "Fe-11-B" И "Fe-IJ", ''Fe-ir, i-формированных при моно- и многозломен'гнс.м облучении. В результате* установлено, что:

- устойчивость <- оодонитрида железа, сформщюванного при последовательном облучении на 1Ь0 К вши, чем нитридов с- N и }'- Fe N и/или c-Fe (N.C), образукидохся при моноэльментной

4 У-» к 4 *

имплантации;

- распад r~ У в ^ 1! и/или «(IJ, С) при постшплан-гацгошюи отжиге сопровождается образованием к'- Fe^N; полный рвспад указанных фаз заканчивается при температуре 773 К;

- распад Ооридных фаз FeB и Fe^B происходит по схеме: исходная Ооридная фаза —> FenB; фаза Fe^B остается устойчивой при отжиге до 973 К;

- миграция атоыов бора к поверхности ь последовательно

м

облученных образцах прош^-хо.цмт при температурах: на 300 К вши чей при моночлементном пблучеНИИ бором;

- замедление рекриет.чллнманиинных процессов в температурной интервале (800...Н7Ч) К происходит в основном за счет термически устойчивого i-Лормнитридя железа , сформированного при последовательной имплангаиин.

V. Экспериментально исследовано поведение дефектной структуры тонкоппеноч.мх образцов железа при различных режимах монояцементного и последовательного облучения. 8 результате установлено, что:

- при отжиге тонких пленок Ре, наблюдается две ста;цш отжига чпект{юс0'|{и1тивления в интервалах температур (300...473) К и (600...И73) К. которые соответственно связаны с дефектами вакансионного типа и перестройкой дислокационной структуры, рркристаллизпциошгымн процессами;

- для образцов последовательно облученных ионами азота и бора происходит уменьшение изменения злектросощютннлекия на первой и второй стадии, обусловленное радив! сионно-стимулировпнным отжигом и аннигиляцией как дефектов ввкансионного типа, так и с замедлением перестройки дислокационной структуры, рекристал-лизационних процессов;

- появление в температурном интервале (523...600) К промежуточной стадии, связанной о формированием вакансионно-прнмесных комплексов.

VI. На основании исследования механических свойств структур, сформированных при многокомпонентном облучении показана более высокая яффоктивность применения многоэлементной последовательной имплантации для улучшения эксплуатационных свойств материалов на основе Fe.

-показано, что последовательная имплантация келеза и стали УйА ионами азота и борп приводит к более значительному по сравнению с моноэлементной имплантацией увеличению ыихротвердости (для Fe до 35*, для УйЛ до 80Í) и стойкости (для Fe и стали У8Л более 300*) при трении.

-первые установлено расширение температурного интервала на 200 К стабильности механических свойств келеза и стали У8А после последовательного облучения ионами азота и бора по отношению к моноэлементной кмплянтяции.

Основные мать-риалы диссертант опубликованы и сл( душщнх работах:

1. Гольце.н lt.П., Ходасевич Н.Ь., Кулешов А.К., Углов П.в., Структурно- фановый превращении в тонких пленках железа при последовательной облучении u.nu.un азота и бора - Вестник Билгосуьивереитета. Серия Физ..Мит,.Мех. 1990, N i, и..?').

2.Goltf,ev V.P.. brulio V.M., Kliulanevlch V.V.. Kuleahov A.K., Uglov V.V., Structimil jíiaae chaîne» lu Vu films Irradiated Huuoefißlvely by nitrogen and Uwnri tun«. - 3nl Inter. Conf. September 4-8, »989, Dresden. GtiH, "Euur/jy pulee und particle beum mortification of Mil.", Рмун.Кеи., i990v.13, p.281.

3. Гольцов И.П., Ходасевич Н.В., Кулешов А.К., Углов В.В., Влияние ионной имп'инт.чць'и на д^ф.'К1! ообразонанин в тонких пленках железа. - Труды XIX Fchc. совщьний по физике взаимодействия заряженных частиц с кристалчвин Мое кип, jtû мая -1 июня (989 г.. Изд. МГУ, 1990г.с. 12 i-I.''•».

4.Кулешов А.К. ,'1рл('н К.Н.Плиини« поелчдонагепьного облучения иоььми азота и боры но изменение механических свойств приповерхностных слоев желе:»« - Вакуумная техника и технология, 1991, том 1, Ni.», ('.."M-L'ó.

5.Colteuv V.P., WiO'1ai:evloh V.V., Kuleehov A.K., Uglov V.V., Defect formation fuul в tructure lñ Fe filme lrrudlatud Bucc'uBBlvely by nitrogen and boron lona. - Nucí. lnatr. and Me th. (В), 1991, v.59/60, p.75).

t. Гольце» Fi.П., Ходасевич Н.В., Кулеыов А.К., Углов В.В., Термическая стабильность структур, сформированных в тонких пленках Ре при последовательном облучении ионами азота и бора. -Труди ! Всес. конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками зарнжышых частиц", Томск, ч.1, ТЛИ, 1988, С.141-143.

7. Гольцев В.П., Ходасевич В.В., Кулешов А.К., Углов В.В., Многоэлементная ионная имплантация, кик метод фо()иировашш структур, со сложным фазовым составом. - Тезисы докладов Вс. конф. "Ионно-лучеын модификация материалов", Каунас, КГШ, 1989, с.142.

8. Гольцев В.П., Ходасевич В.В., Кулешов А.К., Углов В.В., В.ииние ионной имплантации на дефекто.',бразование в тонких пленках железа. - Сб.Ьсес. совещания по физики взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва, 30 мая -1 июня 198<ч г., Изд. МГУ,

it.

I<W г.с. I?.?.

КуЛРШОН А.К., У|\Л'Ч» И.Р. , ИЗМС КОПИР фЯЗОВОГО СООТЙВЭ пленок Желез» При шм'ледови'с'льном облучении ИОНЙМИ изо г» ч боря. - Тезисы доклмдмн научно...технической конференции "Вакуумные П0к|1ытия ля", Минск, 1<)£м, о.ЗГ.

Ю. KTiod.iuev I eh V.J., Kulo.vhov A.K,, Uglov V.V., Defect foi-mt Ion In iron thin flirre at different regimes of consecutive 1 rrudl n 11 on tiy nitrogen 'ind borori limn. - АЬнпиИв. 1БШГ-92. Eight Int. Conf. Jon iietim modi i I cation of milwin]8, Heidelberg, Germany, September 7- 11, 1r>9f>, p. 70.

I l.C.ol tsuv V.P., KhodrisuvlV.V., Kulwahov A.K., Wglov V.V., Def»ct f011Ш111 und elrnctnre In J'e itlmn lrmtiu toil. pucceKBjvely Oy nitrogen und boron lone. •• Mat, 7'-,! Int. Conf. Ion tumm mod I f lcn tlon of nviterlrtiit, Knoxvlll», Tenne&see, Sep. 9-И, 1990, DP 12.

P E 3 Ю M К

В настоящей работе исследованы закономерности структурных и физоних превращений, происходящих н пленках железа при различных решыях моноэлементной и полиэлемеитной имплантации ионов N и В. Установлено влиятш различных режимов моно- и поли'.»лелементисЙ имплантации ионов и и В , постимплантацмонного отяигп на Физико-механические свойства пленок, поверхностных слоев железа, а также стали УйА. С помощью методов просвечивающей ялектронной микроскопии, нторнчно-ионной масс спектрометрии показано, что при последовательном облучении ионами азота и бора пленок железа преимущественно формируется боронитрид железа r-Pe (N,B) переменного состава (0 > х 1). Термическая устойчивости структуры, фа&ового н элементного состава, электрических и механических свойств ииплантационной системы Ра-П-В обусловлена формированием при последовательном облучении азота и бора г-боронитрида железа, полный распад которого происходит ггри температуре 973 к, что на на 200 К выше чои с- и у'-нитридов железа, обрэчу*вдихся при имплантации только ионов азота. Показано, что последовательная имплантация иелезэ и стали У8А ионами азота и бора приводит к более значительному по сравнению с моноэлементной имплантацией увеличению микротвердости и стойкости поверхностных слоев при трении.

17

p :u ю м э

У г&тай раооце даследавани заштакм^ки.-ц! структурных 1 фазаних пераутварянняу, узнiкашчих у пленцы жалеза при розных рзжыиах ионаэлеиентнай 1 полiялеиентнай (мплантпцы! lonay N 1 В. Устяноулен уплыу розны* рэжымау иона- 1 пол \ элеиентнай Ншлантацы! на ф1з1ка~шчян1чнця улас aluaciU пленик, паверхнасных слаеу жалеза, а тшссаиа стал! УВД. 3 дапииогай иетада? ЛрасвечывашаЙ электроннай ulitpai-Kanii 1 другаснай 1оннай цасс-опектрацетры1 наказана , што при пасллдоуныи а0праиеньванн1 1онаи1 яэота 1 Сора пленак жалеза перавлжна фари1руецца 0оран1трыд жалеза нераминнага саетаву (-ш (t;,B) (О < х < 1). Тэ1»11чнал устоЙл1ваецъ структуры, фазавага 1 алеиентнага саетаву, электричных 1 ие*ан1чних уласц1васцей 1ш1лантуемий с1стзиы Ku-N-B аОуиоулена утваруннеи i-боран1триды жалеза, поуны распад якога адОиваыццэ при 97л К, што на i'00 К вишуй чым тзыпература распада (- i н1трыдау взлеза, фари1рушчых у вин!ку ыоназлеиентнай luiuiaHTBiiul ioHby азота. Наказана, што пнслндоуная 1иплантацыл жалеза i стал] BOA приводяшь к Оольш значнаму палкпшунны чыы при ионаэлеиентнай !иплантацы1 м1крацвордасц1 I триваласп! паверхнасных слаеу пры трэин1.

SUMMARY

In the present work the regularities of the structure una phase traneformat lone occurring In the Iron illr/ш during different regimes оf the monoelement urul fiubaequent implimtutlon of N and В lone are lnveutlgutbd.The influence ol the varloue regimes of the mono- and jolyel emental ion Implantation oi N and B, postimpliuitation annealing on the jihyslco-rnechanlcal px-opertleB of illmb, surface layeru of Iron und steel (у'8а) le determined. By means of tnmiinilauion electron microscopy, secondary Ion mass-epectroscopy It 1н uho«n that during flutjseiiuent Irradiation of the ion films liy nitrogen and boron ions the formation ol boronltrido of Iron i-i'e. (H,B) having variable compoaltlon (0 < x < 1), takes place. Thermal stability of the Btructure, pliaue and elemental composition, electrical und mechanical proper-lies of the Implantation system Fe-N-B ore

18

cnuRwl by the fnrmtton of Iron r-boronltrido during subsequent Irradiation by nitrogen and boron tons. This compound dlHlntogrntPB ut the temperature of 973 K, which oxceodB temperature of Iron and y-nltride décomposition on 200 K degrees. Tho formntlon of i- and j-nltrlde occurs as n reeult- oI rnonoelemeritnl lmplan tatlon of nitrogen. SubBoquent Implantation of Iron and uteol 78A by nitrogen nnd boron leads to higher mlcrohardnesB and f trainees of surfacing layer (luring friction In comp-irlnon with monoelementol lmplnntatlon.

IMimcwio k neuMTH ¿6 {0. P<7t PyMnrn Tim.

M . ll»"inTK oificeTii'ifi. ycJi.nn'i.Ji. Tup'^/AP . rifiKfin N,£90. Knoiuiii'ino

¡".¡y r;vx"iPO, Miihck, rtpoorioxT ©.CKopmiw, 4, OTie-'ifiieii wj poT«iipi!HT« 1-Ty. Mi'.Hfic, f'o^-pyflcKitH 7.