Способ определения локализациипримеси b неоднородных сплавах

Союз Советскик Социалистических РЕснублиК(51)м, кл,з С 01 И 27/62 В 01 О 59/44 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийДата опубликования описания 380131 4 аА. А. Аникин, А. Г. Жуков, Н. Н, Киреев, В. Т ЗеренСаратовский институт механизации сельского х, яйсваим. М.И. Калинина и Научно-исследовательский йнстйтут.,механики и физики при Саратовском ордена Трудового КрасногоЗнамени государственном университете нм. Н.Г. Чернышевского(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПРИМЕСИ В НЕОДНОРОДНЫХ СПЛАВАХ Изобретение относится к физическим методам анализа состава вещества, а конкретно к применению вторично- ионной. масс-спектрометрии для анализа распределения элементов в веществе и может быть использовано при выяснении вопросов структурообразования неоднородных сплавов для обработки технологии получения новых высококачественных материалов, например высокопрочных чугунов.Известен способ определения примеси в неоднородных сплавах электронным зондом с диаметром 1-2 мкм при которой поверхность исследуемого об разца предварительно шлифуют, а затем делают снимок поверхности1 3 .Однако оптическая система рентгеновского микроанализатора.ГХА-ЗА не позволяет получать. четкие снимки, 26 а малый диаметр электронного пучка не оставляет видимых под микроскопомследов, что объясняется недостаточной чувствительностью. метода иссле" дования. Поэтому фотографирование структуры и сплава.в процессе анализа не дает возможности определять локализацию примеси в сплаве.Известны также способы.определения примеси в неоднородных сплавах, 30 заключающиеся в применении вторично- ионной масс-спектрометрии 2.Однако данные способы не дают возможности определить количественный состав и локализацию примеси в неоднородных сплавах, содержащих неметаллические включения.Наиболее близким к предлагаемому н единственным, дающим возможность определить локализацию примеси, является способ определения локализации примеси в неоднородных сплавах с помощью ионного зонда, заключающийся в бомбардировке поверхности образца сплава пучком первичных ионов и масс-спектрометрнческой регистрации зависимости тока выбитых вторичных ионов примеси во времени 3.Недостатками этого способа являются сложность форьлровання ионного пучка диаметром 1 мкм, а в связи с этим усложнением; и удорожание установки, так как необходимо достичь при этом сверхвысокого вакуума.Цель изобретения - повышение точности н упрощение. способа.Поставленная цель достигается тем, что разделяютобразец без разрушения неметаллических включений изломом, 8008 б 5разрывом и т.д.) на две части, однуиэ которых шлифуют по поверхностираздела, осуществляют бомбардировкукак шлифованной, так и необработанной поверхностей в местах раздела пучком первичных ионов с диаметром на1-3 порядка превышающим диаметр неметаллического включения, и регистрируют зависимости токов с обеих поверхностей до достижения стабильногоуровня, вычисляют отношение тока снеобработанной поверхности. к току сошлифованной поверхности при одномзначении времени и по величине этогоотношения судят о лркализации примеси: при ияоЬР/-шьиФ- примесьвне неметаллического включения;3 нЕОбР(шьиср.примесь, внутри неметаллического включения;ЭНЕовр/ ЗшАИФ- примесь равномерно распределена в сплаве, 20Предлагаемый способ основываетсяна том, что в случае неоднородногоснлана и наличия неметаллическихвключений излом образца (скол ) будетпроходить но границе зерен (включений ). Поэтому концентрация примесина поверхности скола будет пренышатьее среднюю концентрацию, если примесьнаходится снаружи неметаллическихвключений, и, наоборот, будет меньшесредней концентрации, если примесьнаходится внутри неметаллическихвключений,При изготовлении шлифа происходитразрушение этих включений, находящихся на поверхности образца, поэтому концентрация примеси на поверхности шлнфа соответствует средней кон"центрации независимо от того, гделокализуется примесь.Учитывая, что при бомбардировке 40ионным пучком происходит последовательное стравливание атомных слоевначиная с самого верхнего монослоя,регистрация токов вторичных ионов позволяет определить различие в концентрациях примеси на шлифованнойи необработанной поверхностях, а отношение величины тока,с необработанной поверхности к величине тока соКшлибованной поверхности;. т.еЗнщбррчи,и показывает, где локализует- ффся примесь, а именно, если это отношение: больше единицы, то примесьнаходится вне неметаллического включения; меньше единицы. - Внутри неметаллнческого включения, равно едоки" 53це - равномерно распределена по всему объему образца неоднородного силана.На чертеже приведещы экспериментапьные зависимости, токов вторичных оионов примеси от времени.бомбарди.ровки. Кривые 1 и 3 соответствуют.необработанной поверхности .разделаобразцовсплава, кривые 2 и 4,шлифованной понерхности. .65 Примером конкретного исполнения может служить определение локализации иттрия в высокопрочном чугуне, модифицированном металлическим иттрием.Анализ проводится на масс-спектрометре МИ, оснащенном универсальной приставкой для исследования методом вторичной ионно-ионной эмнссииеДиаметр первичного пучка на мишени составляет 2 мм. Это позволяет измерить интегральную интенсивность вторичных ионов иттрия сразу с большого числа неметаллических включений как на шлифованной поверхности, так и на необработанной. Энергия первичных ионов " 3 иэв плотность тока на мишени 1,5,мд/смОбразцы диаметром 8 мм и длиной 7 мм изготовляются из соответствующих проб модифицированного иттрием чугуна. Поверхность с неразрушенными включениями графита получается путем скола излома) образцов. Из двух полученных сколов одного и того же образца один служит непосредственно для анализа, из второго изготовляется; шлиф. Подготовленные образцы устанавливаются на держатель барабанного типа, позволяющий производить смену образцов без нарушения экспериментальных условий. Масс-спектрометр настраивается на регистрацию вторичных ионов иттрия. После этого под первичный пучок подводился скол образца и на ленте электронного потенциометра ЭППрегистрируется зависимость тока вторичных ионов иттрия от времени бомбардировки. Затем когда по мере распыления поверхности глобул интенсивность вторичных ио нов иттрия выходит на стабильный уровень, под первичный пучок подводится шлиф того же образца и регистрируется интенсивность вторичных ионов иттрия.Из полученных кривых для скола и шлифе.:кривые 1 и 2 при вводе О,20 вес.% иттрия и кривые 3 н 4 при вВоде 0,05 вес.% иттрия) видно, что отношениянЕОЬРЗшАИсЬ н обоих случаях больше единицы. Это означает что иттрий локализуется на поверхности глобул, а внутри глобул отсутствуете944 ентивность предлагаемого способа заключается в прямом определении веста локализации примеси в неодцородном сплаве,.причем нет ограничФйви на элемент-модификатор и на исследуемый сплав; Знание места локализации примеси-модификатора позволяет уточнить теорию кристаллизации и тем самым технологию получения новых высокопрочных материалов, внедрение которых в промышленности дает значительный экономический эффект кроме того использованием перничногоионного пучка большого диаметра, значительно превосходящего размеры глобул, т.е. 2 мм. Использование же способа-прототипа требует применения первичного ионного пучка с диаметром, значительно меньшим по сравнению с размером глобул, т.е. " 1 мкм что приводит к повышенным требованиям на систему формирования первичного ионного пучка.так как время анализа должно быть достаточным для регистрации профиля концентрации примеси,плотность тока первичного ионного пууа должна быть небольшой, 5 мА/см . Малая плотность тока первичного ионного пучка при малом его диаметре приводит к повышению требований к чувствительности системы регистрации вторичных ионов, что удорожает установку не менее чем в 2 раза, так как увеличение чувствительности требует применения сверхвысокого вакуума.Малый диаметр первичного ионного пучка при использовании прототипа делает необходимым также применение растрового электродного микроскопа для нахождения неповрежденной гло- булы на поверхности образца, наведения на ее центр первичного ионного пучка и для контроля за ее распылением. Установка микроскопа непосредст венно на камере образца потребует дополнительных затрат кроме стоимости самого растрового электронного микроскопа.Малый диаметр первичного ионного пучка делает необходимым проведение серии хотя бы из 10 измерений профиля концентрации примеси в различных глобулах для обобщения результатов. Эту серию необходимо повторить три раза для оценки воспроизводимости измерений. В предлагаемом способе в результате измерения получаеъся сразу интегральная характеристика по большому числу глобул, поэтому время анализа уменьшается более чем в 30 раз. Это особенно важнопотому, что трудно поддерживать зксперимен тальные условия постоянными в течение большого промежутка времени.изобретенияФормула5.Способ определения локализациипримеси в неоднородных сплавах, соержащил неметаллические включения,основанный на бомбардировке поверхности образца сплава пучком первич"ных нонса и масс-спектрометрнческойрегистрации зависимости тока выбитыхвторичным ионов примеси во времени,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повююния точности и упро 5 щения способа, разделяютобразец беэразрушения иеивталлических включенийюа две части, одну из которых шлифуют по поверхности раздела, осуществляют бомбардировку как ащифованной,,Е так и необработанной поверхностей вместах раздела пучком первичных ионовс диаметром на 1-3 порядка превышаюаим диаметр неметаллического включения, н регистрируют зависимости токов с обеих поверхностей до достижения стабильного уровня, вычисляютотношение тока с необработанной по,верхности к току со шлифованной поверхности при одном значении времении по величине этого отношения судято локализации примеси: при.Э нЕоб/ЭшлиФ 1 - примесь вне металлического включения ЭнЕ 05/3 вдиФ-примесь внутри неметаллического Включения, неОЬ/Эшлиа=1 - примесь равномерно .распределенав сплаве, гденэОЬР - ток вторичных ионов, выбитых с необработаннойповерхности,7 щлщр. - ток вторичных ионов, выбитых со шлифованной поверхности.Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1, Практическая растровая электронная микроскопия, М., 1978.2. Патент США Р 3878322,кл. (3 01 К 21/26 19783. Патент Франции 9 2127065,0. кто В Сини акт филиал ПП Патент , г. игород юа голя г-й, г каз 04 О 9., Юираи 918ВНИИПИ Государствеииогопо делам изобретен113035 Москва Жодписное ойитвта СССРоткрытийиая н