Modifikace korozních vlastností

 

 

Modifikace vysokoteplotní oxidace

 

O průběhu oxidace kovů rozhodující především vlastnosti vytvářené oxidické vrstvy. Iontovou implantací vhodných prvků lze tyto vlastnosti modifikovat tak, aby rychlost oxidace byla významně snížena. Obecně mají na rychlost oxidace vliv následující efekty:

 

  1. Vznik koherentní vrstvy, která tvoří ochrannou bariéru.
  2. Blokování rychlých difuzních drah, jako jsou hranice zrn a dislokace.
  3. Změna plasticity oxidické vrstvy.
  4. Modifikace defektů v oxidické vrstvě a tím rychlosti objemové difuze.
  5. Modifikace elektrických vlastností oxidu.

 

Vliv radiačních poruch na rychlost oxidace je posuzován po implantaci vzácných plynů nebo iontů terčíkového prvku. Bylo zjištěno, že radiační poruchy vyvolané iontovou implantací nemají žádný vliv na rychlost nebo mechanismus oxidace u kovů, u nichž probíhá oxidace převážně aniontovou difuzí. U systémů s kationtovou difuzí může být rychlost oxidace zvýšena, snížena nebo změněna.[56].

Vliv implantovaných příměsných iontů na oxidační chování je studován jak v čistých kovech, tak ve slitinách. Dlouhodobá odolnost slitin na bázi železa nebo niklu proti vysokoteplotní oxidaci je zajišťována obvykle ochrannými oxidickými vrstvami Cr2O3, Al2O3 nebo SiO2. Příměs yttria nebo prvku ze skupiny vzácných zemin může redukovat odprýskávání oxidické vrstvy, a tudíž zlepšovat ochranu proti oxidaci. Mnoho prací zaměřených na zvýšení odolnosti proti vysokoteplotní oxidaci bylo zaměřeno na implantaci právě těchto prvků. Implantace yttria nebo céru výrazně redukovala rychlost oxidace slitin Fe-20Cr-25Ni-1Nb [78], Ni-33Cr [79], Fe-43Ni-27Cr[79], Fe-41Ni-25Cr-10Al [79], Fe-15Cr-4Al [80] Ni-20Cr [81]. V práci [81] je příznivý efekt yttria vysvětlován modifikací mechanismu růstu oxidu vlivem snížení rychlosti kationtové difuze oxidem Cr2O3 za přítomnosti implantovaného yttria a zvýšením adheze oxidické vrstvy vyplývajícím ze zvětšení vazbových sil mezi oxidickou vrstvou a slitinou. Bylo dosaženo též snížení porozity oxidické vrstvy. Práce [78] uvádí, že implantace europia, lanthanu a ytterbia měly obdobné výsledky jako implantace yttria a céru.

 

 

Modifikace koroze v elektrolytech

 

První experimenty sledující ovlivnění koroze v elektrolytech iontvou implantací byly zaměřeny na srovnání korozních vlastností připravovaných povrchových vrstev s korozními vlastnostmi příslušné objemové slitiny. Bylo ukázáno, že povrchová slitina vytvořená implantací chromu do železa má srovnatelné korozní chování s objemovou slitinou Fe-Cr [82-84]. Implantace ovlivňuje povrchové vlastnosti kovů nejenom zavedením vhodného aktivního prvku, ale i průvodním jevem tohoto zavádění - radiačními poruchami. Aby se mohl studovat odděleně vliv radiačních poruch na korozní chování, provádějí se implantace inertních plynů. Bylo prokázáno, že implantace iontů, které nemají žádnou znatelnou chemickou aktivitu, může přesto způsobit změny elektrochemického chování povrchu kovu v důsledku mřížkových poruch způsobených implantací. Např. vzorky niklu po implantaci iontů xenonu projevily mnohem příznivější elektrochemické vlastnosti než niklové vzorky bez implantace [85].

Zvýšení odolnosti proti korozi se dosahuje i po implantaci některých netypických prvků, zejména nekovů. Byl prokázán příznivý vliv iontové implantace dusíku na korozní chování vysoce čistého železa a martensitické nerezavějící oceli. Efekt byl přičten jednak vytvoření přesyceného tuhého roztoku dusíku a jednak nitridu v povrchové vrstvě těchto materiálů [86]. Významnou pozornost vzbuzuje schopnost iontové implantace vytvářet amorfní stav, který má zvýšenou korozní odolnost. Amorfního stavu se obvykle dociluje právě implantací nekovů, např. boru [86, 90] a fosforu [87, 90]. Kov v amorfním stavu má zásadně vyšší energii než ve stavu krystalickém a tudíž se očekává, že jeho reaktivita v korozních podmínkách bude větší. Avšak amorfní stav neobsahuje mřížkové poruchy, jako jsou např. hranice zrn a dislokace, které jsou typické pro krystalické materiály. To vysvětluje, proč má amorfní stav zvýšenou odolnost proti bodové korozi [88].

Kromě implantace obvyklých prvků používaných pro zvýšení korozní odolnosti u slitin na bázi železa [např- 89, 91, 92] byly příznivé korozní vlastnosti nalezeny též u dalších povrchových vrstev, které nelze připravit konvenčními metodami (např. povrchová vrstva železa s příměsí tantalu, zavedenou iontovou implantací [94]).

Implantací byly připraveny povrchové vrstvy se zvýšenou korozní odolností i u dalších materiálů. Příznivých efektů bylo dosaženo např. implantací metaloidů do niklu a kobaltu [93], dusíku a palladia do titanu [56, 95], železa do hořčíku a jeho slitiny s hliníkem a zinkem [96], molybdenu, chromu a niklu do hliníku [99].

Obsáhlý výčte experimentů, v nichž byl sledován vliv iontové implantace na elektrochemické a korozní vlastnosti kovových materiálů s uvedením hodnot energie a fluence implantovaných iontů je uveden v tabulce v práci [26].

 

 

Průmyslové aplikace iontové implantace do kovových materiálů

 

 

Iontová implantace je nekonvenční technologie s řadou významných výhodných vlastností. Její průmyslové aplikace přicházejí v úvahu v těch případech, kdy dosahuje lepších výsledků než ostatní technologie a kdy se mohou uplatnit její výhody. Výhody iontové implantace pro průmyslové aplikace lze shrnout následovně:

 

 

Iontová implantace má však také vážná omezení, která nedovolí, aby se stala rozšířenější technologií. Nevýhody iontové implantace pro průmyslové aplikace jsou:

 

 

Za zvážení výhod a omezení iontové implantace vyplývá, že implantaci lze doporučit pro zvýšení životnosti objektů, jejichž cena je buď vysoká, nebo jsou zabudovány do větších, nákladnějších systémů a při jejich výměně vznikají vysoké ztráty v důsledku výpadku celého systému. V některých případech je zvýšení životnosti touto technologií natolik významné, že její aplikace je ekonomicky výhodná i na levnější objekty.

Ze všech experimentálně prokázaných příznivých efektů iontové implantace je ve stadiu průmyslových aplikací zatím pouze její uplatnění na zvýšení odolnosti proti opotřebení ve speciálních případech. Implantací dusíku do ocelí a slinutých karbidů je dosahováno několikanásobné zvýšení životnosti nástrojů a strojírenských součástí podléhajících mírnému opotřebení. Nejvýznamnější je využití iontové implantace pro zvýšení odolnosti proti opotřebení kyčelních protéz z titanových slitin. Zvýšení odolnosti proti korozi je zatím využíváno pouze jako významný doprovodný jev. Nejvýraznější snížení koroze současně se zvýšením odolnosti proti opotřebení je zaznamenáno u součásti forem pro lisování plastů, u kuličkových ložisek a u zmíněných kyčelních protéz.

V současné době se průmyslově využívá iontová implantace dusíku ke zvýšení odolnosti proti opotřebení uvedených materiálů v USA, Velké Británii, Francii, NSR a Japonsku. Obsáhlý výčet konkrétních průmyslových aplikací uvádí práce [97].