УДК 544.72

Чёрный А.А., Мащенко С.В., Догадайло Р.Р., Гончаров В.В.

свойства поверхности композитов, полученных имплантацией ионов азота и молибдена в сталь 12Х18Н10Т

Институт химических технологий Восточноукраинского национального университета им. В. Даля (г. Рубежное)

 

Исследовано влияние низкотемпературной имплантации ионов азота и молибдена на свойства стали 12Х18Н10Т

Ключевые слова: молибден, азот, ионная имплантация, сталь 12Х18Н10Т

The effect of low temperature ion implantation of nitrogen and molybdenum on the properties of steel 12Cr18Ni10Ti is shown

Key words: molybdenum, nitrogen, ionic implantation, steel 12Cr18Ni10Ti

Ионная имплантация, будучи ионно-плазменным процессом, позволяет не только обрабатывать поверхности материалов с целью улучшения механических и физико-химических свойств [1-3]. Важным является возможность синтезировать с её помощью различные композиты, в том числе и каталитические системы [4-8]. Зачастую в качестве носителя для катализаторов гетерогенных процессов (окисление, нейтрализация, дегидрогенизация и т.д.) используют сетки, волокно, фольгу и т.п., изготовленные из нержавеющей стали [9-11].

В данной работе было проведено исследование влияния низкотемпературной имплантации ионов азота и молибдена на свойства стали 12Х18Н10Т (SS). Композиты синтезировали на основе фольги из стали 12Х18Н10Т толщиной 100 мкм. Режим процесса подбирали с учетом результирующей дозы легирования 5×1017 ион/см2. Распределение концентрации ионов по глубине  для данной дозы (рис.1) было определено с помощью программного обеспечения SRIM 2008 [12]. Кроме того, для сравнения был синтезирован окисленный образец прокалкой при 600ºС композита Мо/SS (молибден имплантированный в сталь).

Показано, что синтезированный композит имеет максимальную концентрацию ионов молибдена (3,12×1022 ион/см3) на глубине 70 нм, ионов азота (5,87×1021 ион/см3) – на глубине 230 нм. Авторы полагают, что такое различие по глубине связано с размерами ионов. Т.к. радиус атома молибдена 2,01 Å, a азота – 0,75 Å, то значит вероятность каналирования (проскока) у ионов азота значительно больше. Учитывая, что концентрация собственных атомов подложки около 8,5×1022 ион/см3, получаем довольно плотный слой (около 12×1022 ион/см3) на глубине 70 нм, который может выполнять функцию барьера активных частиц при их миграции с поверхности внутрь материала в результате механического или теплового воздействия.

Рис.1 Зависимость концентрации имплантированных ионов от глубины их проникновения в подложку

 

Немаловажным фактором, влияющим на катализ, является микрогеометрия поверхности композита. При помощи программного обеспечения [13], было определено, что отношение полной площади поверхности (поверхности контакта) обработанного, а затем оксидированного образца (О/Мо/SS) к площади профиля (рис.2) больше чем у необработанного. Очевидно, что имплантация ионов молибдена и азота приводит к изменению морфологии поверхности, уменьшая удельную площадь. Но оксидирование, которое происходит при активации «свежих» катализаторов в кислородной атмосфере, увеличивает удельную площадь и, как следствие, каталитическую активность.

Рис.2 Зависимость отношения полной площади поверхности к площади профиля от вида композита

 

Результаты склерометрического анализа [14] показали (табл.1), что композит Мо/SS обладает большим значением энергии когезии, чем необработанный образец. Последующее оксидирование усиливает эффект: значение энергии когезии у О/Мо/SS (2,74 ГПа) больше чем у Мо/SS (2,25 ГПа).

Таблица 1

Значения энергии когезии для различных образцов

Образец

SS

Мо/SS

О/Мо/SS

Энергия когезии, ГПа

1,40

2,25

2,74

 

Таким образом, композиты, синтезированные методом низкотемпературной имплантации молибдена и азота, имеют большую удельную площадь поверхности и более высокую энергию связи поверхностного слоя, что позволяет рекомендовать их в качестве носителей для катализаторов. Термостойкость и высокая атомная плотность в поверхностном слое исследованных систем свидетельствует в пользу их высокой термостабильности и ресурса работы.

 

Литература:

1. Поут Дж. М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Поут Дж. М., Фоти Г., Джекобсон Д. К. – М. : Машиностроение, 1987. – 424 с.

2. Абдрашитов В. Г. Оптимальные режимы активации поверхности методом ионной имплантации / В. Г. Абдрашитов, В. В. Рыжов // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1989. – №7 – C. 148 – 149.

3. Беграмбеков Л. Б. Модификация поверхности твердых тел при ионном и плазменном воздействии / Л. Б. Беграмбеков. – М. : МИФИ, 2001. – 34 с. – (Учебное пособие).

4. Гончаров В.В. Синтез композитів на основі нержавіючої сталі за допомогою іонної імплантації / В.В. Гончаров, М.В. Ненько // «Розвиток наукових досліджень». Матеріали шостої міжнародної науково-практичної конференції – 2010. – т6. – c. 63-64.

5. Васильев И. П. Применение вакуумной технологи при приготовлении катализаторов на различных носителях / И. П. Васильев // Вакуумные технологии и оборудование : труды 3-го международного симпозиума.Харьков, 1999. – С. 123–124.

6. Potential of use of ion implantation as a means of catalyst manufacturing / V. N. Zlobin, M. G. Bannikov, I. P. Vasilev [та ін.] // Automobile Engineering. – 2002. – vol. 216, D5 – C. 385-390.

7.  Low temperature implantation method for preparation of the catalysts supported on stainless steel foil / V. Goncharov, V.Zazhigalov, R.Socha [та ін.]  // 10th International Symposium on the Scientific Bases for the Preparation of Heterogeneous Catalysts.Louvain-la-Neuve (Belgium),2010. – Р62.

8. Гончаров В.В. Синтез нанокомпозитов методом низкотемпературной ионной имплантации металлов / В.В. Гончаров, В.А. Зажигалов, П. Коломби // Програма та автореферати доповідей Всеукраїнської конференції з міжнародною участю присвячена 25-річчю Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України «Актуальні проблеми хімії та фізики поверхні». – Київ, – 2011. – c. 314-315.

9. Development of heat-resistant metal support for catalytic converter of automobile exhaust gas / A. Imai, T. Tanaka, S. Ogawa [та ін.] // Nippon Steel Technical Report. – 1993. 59 – C. 45 – 50.

10. Wyrwa D. W. Metal nanoparticles on stainless steel surfaces as novel heterogeneous catalysts / D. W. Wyrwa, G. Schmid // Journal of Cluster Science. – 2007. – vol. 18, 3 – C. 476 – 493.

11. Pd-Mn/stainless steel wire mesh catalyst for catalytic oxidation of toluene, acetone and ethyl acetate / C. Song, M. Chen, C. Ma [та ін.] // Chinese Journal of Chemistry. – 2009. – Vol. 27, 10 – C. 1903 – 1906.

12. PARTICLE INTERACTIONS WITH MATTER [Электронный ресурс] // Web-сайт James F. Ziegler.

- Режим доступа: http://www.srim.org/SRIM/SRIMLEGL.htm Дата обращения: 13.12.2011.

13. Gwyddion [Электронный ресурс] // Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM, …) data analysis software.

- Режим доступа: http://gwyddion.net/  Дата обращения: 13.12.2011.

14. Матюнин В.М. Определение механических свойств и адгезионной прочности ионно-плазменных покрытий склерометрическим методом [Текст] /  В.М. Матюнин, П.В. Быков, Р.Х. Сайдахмедов и др. //МИТОМ -2002.-№ 3.-С. 36-39.