СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ МЕТАЛЛОВ, СПЛАВОВ И КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ИНДУЦИРОВАННЫХ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ АЗОТА

Нитриды переходных металлов

В зависимости от типа химической связи между атомами нитриды подразделяются на ионные, ковалентные и металлоподобные (ионно-ковалентно-металлические). Атомы азота в нитридах могут принимать электроны менее электроотрицательного элемента, при этом образуя стабильную электронную конфигурацию (s2/?6), или отдавать электрон партнеру с образованием устойчивой конфигурации (sp3). В первом случае нитриды характеризуются наличием ионной связи, во втором - химическая связь является типично металлической. В обоих случаях присутствует также некоторая доля ковалентной составляющей. Многие нитриды относятся к числу тугоплавких, износостойких, жаропрочных и жаростойких материалов.

Ионная связь характерна для нитридов металлов I и II групп периодической системы. Состав этих нитридов отвечает обычным валентным соотношениям. Ковалентные связи характерны для нитридов бора, кремния, алюминия, галлия, индия. Ковалентные нитриды являются диэлектриками и полупроводниками с широкой запрещенной зоной.

Переходные металлы образуют нитриды с преимущественно металлической связью. Эти вещества обладают значительной твердостью и хрупкостью, высокой электропроводностью, высокими температурами плавления, большой энтальпией образования.

К переходным металлам относятся элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов, в атомах которых появляются электроны на d- и /-орбиталях. Нитриды переходных металлов имеют широкие области гомогенности, причем их ширина сужается с переходом от металлов IV группы к металлам более высоких групп. Зависимость связана с уменьшением статистического веса нелокализованных электронов и увеличением статистического веса стабильных конфигураций. Сужение областей гомогенности происходит также при снижении концентрации азота в данном нитриде, что объясняется более сильной локализацией валентных электронов на связях металл-металл.

В настоящее время появились и широко применяются технологические процессы получения азотированных слоев с использованием потоков заряженных высокоэнергетических частиц (ионно-плазменная обработка, ионная имплантация, имплантация из плазменного источника, ионно-ассистированное осаждение и др.) [1-4]. При облучении ионами азота образцов железа на поверхности образуется диффузионная зона, состоящая из одного или нескольких слоев. В общем случае азотирования слои в диффузионной зоне образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояния [5]. Изменяя параметры обработки, можно регулировать строение диффузионной зоны, формируя только зону внутреннего азотирования (зону распада пересыщенного по азоту феррита) либо зону внутреннего азотирования плюс слой нитридов (у-нитрида или у' и в нитридные слои и т. д.).

Азот, как уже отмечалось, является типичной примесью внедрения. В последние годы созданы высокопрочные стали, содержащие азот в неравновесной концентрации [6]. Предел прочности хромистой стали с азотом достигает 1700 МПа, что почти на 15% больше, чем у промышленной стали 18ХНВА, содержащей такие дефицитные элементы, как никель и вольфрам. Разработан ряд сталей с содержанием азота (0,5-0,6%). Эти стали обладают высокой прочностью и повышенными характеристиками коррозионной стойкости и износостойкости. Их применение сдерживается тем фактом, что введение азота в неравновесных концентрациях в жидкий металл возможно лишь при высоких давлениях и требует достаточно сложного и дорогостоящего оборудования. Альтернативными, быстро развивающимися технологиями получения сплавов и соединений с высокой концентрацией атомов азота могут явиться плазменные и ионно-лучевые технологии.

Атомы внедрения при имплантации в металлы, сплавы и керамические материалы обычно располагаются в порах кристаллической решетки матричной фазы. Анализ процессов фазообразования при использовании атомов и молекул азота высокой энергии на сегодняшний день носит в основном феноменологический характер, опирающийся на опыт хорошо изученных процессов легирования при химико-термической обработке. Рассмотрим кратко наиболее характерные диаграммы состояния переходных металлов с азотом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >