DE19513566A1

DE19513566A1 - Industrial scale appts. implants tin ions into steel to reduce friction of alloy

Info

Publication number: DE19513566A1
Application number: DE1995113566
Authority: DE
Inventors: Reinhard Prof Dr Hoepfl; Heinrich Prof Dr Dr Hora; Jak C Prof Dr Kelly
Original assignee: Hora Heinrich
Current assignee: BOODY, FREDERICK P., DR., 93077 BAD ABBACH, DE
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-10-24

Abstract

Ion implantation used in this appts. improves strength and/or reduces surface friction of the steel alloy. Ions are produced in novel manner, pref. by 0.05 ms gas laser pulses with PRF up to 1kHz. They are extracted by electron optics at very high beam current, but lesser brilliance, i.e. not sharply focused, to enter the acceleration section. Ions differ chemically from the target by at least four periodic table groups. The target, iron or steel alloy, is implanted by tin. Pref. the beam is inclined more than 10 deg from the surface normal; its energy being 10-10,000 keV. Heat treatment is applied at 10 deg C below the m.pt. for at least one mu s, using laser pulses or particle beams over at least 10 femtoseconds; temperatures above the m.pt. arise briefly. Several chemically different ions may be implanted. The ion source is the tip of a rod, fed into the laser beam focus.

Description

Bekanntlich ist es ein Problem seit Menschengedenken, die Reibung zwischen zwei oder mehreren festen Gegenständen bei Berührung und mechanischen nichtgleichen Kräften an diesen, die Haft- und die Gleitreibung zu verringern, um Energieumwandlung in Wärme und um Arbeitsverluste zu sparen. Bekanntlich verwendet man nicht-feste (flüssige oder gasförmige) Stoffe zwischen den Berührungsflächen der genannten Gegenstände als Schmiermittel. Diese weiterentwickelten Techniken sollen nicht näher auseinandergesetzt werden, doch soll von vornherein darauf hingewiesen werden, daß die folgende Erfindung auch in Kombination mit Schmiermitteln eine Verbesserung von Reibungsproblemen erfindungsgemäß bewirkt.As is well known, friction between two has been a problem since time immemorial or several solid objects when touched and mechanical not the same Forces on these to reduce static and sliding friction in order to Energy conversion into heat and to save labor losses. As is well known one uses non-solid (liquid or gaseous) substances between the Contact surfaces of the objects mentioned as lubricants. These advanced technologies should not be discussed in more detail, but should be noted from the outset that the following invention also in combination with lubricants an improvement of friction problems effected according to the invention.

Ohne also die genannte Kombination auszuschließen, wird davon ausgegangen, daß zwischen den Gegenständen keine Schmiermittel verwendet werden, sondern die Flächen der Gegenstände sich unmittelbar berühren. Bekanntlich wird die Reibung dann von den Reibungskonstanten bestimmt und die Reibungsverluste entsprechen den davon hergeleiteten Werten.Without excluding the combination mentioned, it is assumed that that no lubricants are used between the objects, but the surfaces of the objects touch directly. As is known, the Friction is then determined by the friction constant and the friction loss correspond to the derived values.

Es ist bekannt, daß die Reibung von gehärtetem Stahl verringert wird, wenn Ionen implantiert werden. Dabei wird weiterhin die Festigkeit des Stahles noch weiter erhöht. Ein seit einigen Jahren bekanntes Beispiel sind die "rocker arms" bei den Nockenwellen der Zwölfzylindermotoren beim Jaguar, wo die Qualität der Oberflächen durch Implantation von Stickstoffionen verbessert wird. Die Festigkeit wird erhöht und die Reibung der Oberflächen wird merklich verringert.It is known that the hardened steel friction is reduced when Ions are implanted. The strength of the steel is still there further increased. A well known example for some years now are the "rocker arms" in the camshafts of the twelve-cylinder engines on the Jaguar, where the quality of the Surfaces are improved by implantation of nitrogen ions. The Strength is increased and the friction of the surfaces is significantly reduced.

Die Verringerung der Reibung durch Ionenimplantation ist bekannt, wobei es sich um einen Effekt der Oberflächenspannung handelt, was auch bei Anwendungen in der Medizin bei künstlichen Gelenken und anderem ausgenützt wird. Die periodische Änderung zwischen Haftreibung und Gleitreibung ist z. B. der Grund, daß beim Einstechen einer Injektionsnadel besonders hoher Schmerz erzeugt wird, während eine Injektionsnadel mit der geeigneten Ionenimplantation eine optimale Gleitreibung erhält und dann ein praktisch schmerzloses Einstechen der Nadeln in Gewebe erfolgen kann.The reduction in friction due to ion implantation is well known is an effect of surface tension, which also applies to applications is used in medicine for artificial joints and other. The Periodic change between static friction and sliding friction is e.g. B. the reason that produces particularly high pain when inserting an injection needle becomes, while an injection needle with the appropriate ion implantation optimal sliding friction and then a practically painless puncture of the Needles can be made in tissue.

Wie am Beispiel der Jaguar-Personenkraftwagen gezeigt wurde und nun in zunehmendem Maße in der hochtechnisierten Industrie eingesetzt wird, verwendet man vorzugsweise Ionenimplantationsanlagen, bei denen die Ionen von Gasen erzeugt werden, wie Stickstoff oder Edelgase. Andere Ionen zu verwenden, scheiterte industriell allein daran, daß keine robusten Ionenquellen zur Verfügung standen, die aus Festkörpern Ionen mit der ausreichenden Intensität liefern.As shown on the example of the Jaguar passenger car and now in increasingly used in the high-tech industry one prefers ion implantation systems in which the ions of gases are generated, such as nitrogen or noble gases. To use other ions industrially failed solely because no robust ion sources for Were available, the solid ions with sufficient intensity deliver.

Alle klassischen Ionenquellen sind in ihrer Intensität durch einfache Naturgesetze limitiert und können keine höheren Ionenströme liefern. Das betrifft auch eine prinzipielle Limitierung bei der Ionenerzeugung aus dem Gaszustand. Eine Ionenquelle mit solchen klassischen Eigenschaften wurde bis zur Höchstform entwickelt, die Elektronen Zyklotron Resonanz (ECR) Quelle, die selbst der Elektronen Strahl Ionen-Quelle (EBIS) überlegen ist [siehe Helmut Haseroth und Heinrich Hora, Ion Sources, in Advance of Accelerator Physics and Technology, Herwig Schopper Hg., (World Scientific, Singapur, 1993) S. 465-522]. Hierbei sind die allerbesten klassischen Ionenquellen immer noch um einen Faktor 1000 zu schwach, um die vom im Bau befindlichen LHC-Beschleuniger bei CERN in Genf benötigten Ionenströme für Blei mit bis zu PeV Energie pro Ion zu erzeugen. Dagegen sind die lasergetriebenen Ionenquellen genügend intensiv, jedoch noch nicht für den Gebrauch im Großbeschleuniger genügend weit entwickelt.All classic ion sources are simple in their intensity Natural laws are limited and cannot deliver higher ion currents. That concerns also a basic limitation in the generation of ions from the gas state. An ion source with such classic properties was in top form developed the electron cyclotron resonance (ECR) source, which is itself the Electron beam ion source (EBIS) is superior [see Helmut Haseroth and Heinrich Hora, Ion Sources, in Advance of Accelerator Physics and Technology, Herwig Schopper ed., (World Scientific, Singapore, 1993) pp. 465-522]. Here are the very best classic ion sources still by a factor of 1000 weak to those of the LHC accelerator under construction at CERN in Geneva generate the required ion currents for lead with up to PeV energy per ion. In contrast, the laser-driven ion sources are sufficiently intense, however, still not sufficiently developed for use in large accelerators.

Der bisher zu geringe Entwicklungsstand der Laser-Ionenquelle wurde auch nicht für die Ionenimplantation erreicht, was erfindungsgemäß dadurch überwunden wird, daß eine Kombination der gerichteten nichtlinearen Beschleunigung der Ionen durch den Laser mit einer Ionenextraktionselektronik für die Ionenimplantation Ionenpulse per Lasereinwirkung von 10¹⁵ und mehr Ionen bewirken. Da - im Gegensatz zur Anwendung beim Beschleuniger, eine starke Fokussierung der Ionen (Brillianz, Brightness) nicht nötig ist, wenn man Ionenimplantation auf größere Metallflächen vornimmt, kann man pro Laserpuls eine Implantation von bis zu 10¹³ pro Laserpuls erreichen. Wenn man damit eine Fläche von einem Quadratmillimeter Metalloberfläche bedeckt, hat man damit eine für die Reduktion der Reibung von Stahl um den Faktor 10 beim Beschuß mit Zinn nötige Dosis erhalten.The level of development of the laser ion source, which was previously too low, was also reduced not achieved for ion implantation, which according to the invention thereby is overcome that a combination of directed nonlinear Acceleration of the ions by the laser with an ion extraction electronics for the ion implantation ion pulses by laser exposure of 10¹⁵ and more ions effect. Because - in contrast to the application with the accelerator, a strong one Focusing the ions (brilliance, brightness) is not necessary if one Ion implantation on larger metal surfaces can be done per laser pulse achieve an implantation of up to 10¹³ per laser pulse. If you have one Covered by a square millimeter of metal surface, you have one for reducing the friction of steel by a factor of 10 when bombarding with tin receive the necessary dose.

Zum Zwecke der gleichzeitigen optimalen Festigkeit und Erhöhung der Oberflächenhärte des zu implantierenden Materials wird man gegebenenfalls kleinere Dosen verwenden und durch Ausheilprozesse von Fehlordnung und zur besseren Verteilung der eingeschossenen Ionen durch thermische Diffusion eine nachfolgende Wärmebehandlung des zu implantierenden Werkstückes vornehmen.For the purpose of simultaneous optimal strength and increasing the If necessary, the surface hardness of the material to be implanted becomes use smaller doses and through healing processes of disorder and better distribution of the injected ions by thermal diffusion carry out subsequent heat treatment of the workpiece to be implanted.

Bei dieser Wärmebehandlung der implantierten Materialien wird eine Erwärmung bis zu 10°C unter der Schmelztemperatur für Zeiten bis zu 10 Stunden (oder bei niedrigeren Temperaturen eventuell länger) eingehalten. Ein Ziel dabei ist es, daß die eingeschossenen Ionen eine bessere Veteilung im Abstand von der Oberfläche erhalten, insbesondere, damit die nicht nötige hohe Konzentration in der Braggtiefe ausgeglichen wird und nach der Oberfläche hin eine höhere Konzentration als in der Braggtiefe erreicht wird. Über die Vorgänge von Kristallfehlordnung bis zum amorphen Zustand im Bragg-Bereich und deren Ausheilung wird Bezug genommen auf Ergebnisse bei Siliziumeinkristallen [H. Hora, Applied Physics, A32, 11-5 (1983)] und auf die starke Erhöhung der Ionenwärmeleitung durch die Fehlordnung (H. J. Goldschmidt, H. Hora und G. L. Paul, Physica Status Solidi A81, K127-130 (1984)], wobei auf die durch die Fehlstellen entstandene Änderung der elektrischen Eigenschaften und deren mögliche thermische Ausheilung hingewiesen wird [S. Hinckley, H. Hora und J. C. Kelly, Physica Status Solidi A51, 419-428 (1979)].With this heat treatment of the implanted materials, heating occurs up to 10 ° C below the melting temperature for times up to 10 hours (or at lower temperatures possibly longer). One goal is that the injected ions have a better distribution at a distance from the Preserve surface, especially so that the unnecessary high concentration in the Braggtiefe is balanced and a higher towards the surface Concentration than is achieved in the Braggtiefe. About the events of Crystal disorder up to the amorphous state in the Bragg region and their Healing is referred to results on silicon single crystals [H. Hora, Applied Physics, A32, 11-5 (1983)] and on the sharp increase in Ion heat conduction due to the disorder (H. J. Goldschmidt, H. Hora and G. L. Paul, Physica Status Solidi A81, K127-130 (1984)], due to the defects resulting change in the electrical properties and their possible thermal healing is pointed out [p. Hinckley, H. Hora and J.C. Kelly, Physica Status Solidi A51, 419-428 (1979)].

Durch die Ionenimplantation wird erfindungsgemäß die Reibung stark verringert, bis um einen Faktor zehn verglichen mit dem Reibungswert im unbehandelten Zustand. Dabei ist von Bedeutung, in welcher Richtung die Ionen in die Oberflächen der Gegenstände eingeschossen werden. Eine Optimierung mit der Ionenergie, Einfallsrichtung und dem thermischen Ausheilen von Fehlstellen einschließlich einer Verbesserung der Verteilung der Dichte der eingeschossenen Ionen, z. B. im Hinblick auf das Bragg-Maximum, ergibt sich aus einer Kombination der genannten Parameter.According to the invention, the ion implantation increases the friction reduced by a factor of ten compared to the friction value in the untreated condition. The direction in which the ions in the surfaces of the objects are shot. An optimization with the Ionic energy, direction of incidence and the thermal healing of defects including an improvement in the density distribution of the injected ions, e.g. B. with regard to the Bragg maximum results from a combination of the parameters mentioned.

Weitere implantierte Materialien werden erfindungsgemäß in ihren Reibungseigenschaften verbessert, indem Ionen von genügend verschiedener chemischer Beschaffenheit implantiert werden. Hierzu müssen die eingeschossenen Ionen von der Gruppe (Zählung schließt die Nebengruppen ein) der Atome des Gegenstandes im periodischen System der Elemente um mindestens vier Gruppen verschieden sein. Z. B. wird die Verringerung der Reibung von Kupfer erfindungsgemäß durch Ionenimplantation durch Elemente der 5. Hauptgruppe oder 4. Nebengruppe erreicht. Weiter entfernte Gruppen sind nur soweit interessant, als bei starker Implantationsdosis keine Hume-Rothery-Phasen auftreten sollen, wenn diese die mechanischen Eigenschaften des Gegenstandes wie Abriebfestigkeit, Elastizität, Härte und weitere mechanische Eigenschaften nicht wesentlich verändern.Further implanted materials are invented in their Frictional properties improved by ions of enough different chemical nature can be implanted. To do this, the ions injected from the group (count includes the subgroups) the atoms of the object in the periodic system of the elements by at least four groups may be different. For example, reducing the friction of copper according to the invention by ion implantation by elements of the 5th main group or 4th subgroup reached. Groups further away are only so far interesting than no hume rothery phases when the implantation dose is high Should occur if these affect the mechanical properties of the object such as abrasion resistance, elasticity, hardness and other mechanical properties not change significantly.

Bei der Ionenquelle wird vorzugsweise mit Gaslasern gearbeitet, z. B. TEA CO₂ Laser oder Iodlaser oder Excimerlaser mit Pulsen von bis zu 2000 ns Dauer und einer Mindestenergie von 1 mJ pro Puls. Eine bevorzugte Bedingung der Dauerbenutzung von Ionenimplantationsquellen ist der Bereich um 3 bis 10 Joule Laserpulsenergie und um 50 ns Dauer. Bei Wahl in diesem Bereich entstehen zum größten Teil vielfach geladene Ionen, z. B. bis zu 20fach geladene Metallionen, so daß die Ionenimplantation mit der technologisch sehr einfachen und bequemen Spannung von nur 50 kV arbeiten kann, um Ionen mit MeV Energie zu implantieren. Wenn - wie z. B. von der Verwendung von Stickstoffionen mit einer oder zweifacher Ladung bei 100 kV Ionenimplantaten nach obigem klassischen Beispiel gearbeitet werden kann, können erfindungsgemäß die Spannungen in den mit den Laser-Ionenquellen betriebenen Implantaten auf 20 kV oder weniger herabgesetzt werden. The ion source is preferably operated with gas lasers, e.g. B. TEA CO₂ Laser or iodine laser or excimer laser with pulses of up to 2000 ns duration and a minimum energy of 1 mJ per pulse. A preferred condition of Continuous use of ion implantation sources is around 3 to 10 joules Laser pulse energy and around 50 ns duration. Choosing in this area will result in mostly multiply charged ions, e.g. B. up to 20 times charged metal ions, so that the ion implantation with the technologically very simple and convenient Voltage of only 50 kV can work to implant ions with MeV energy. If - such as B. from the use of nitrogen ions with one or two Charge with 100 kV ion implants worked according to the classic example above can be, according to the invention, the voltages in the Laser ion source powered implants reduced to 20 kV or less will.

Im Gegensatz zu den bei Ionenquellen für Beschleuniger wichtigen hohen Brillianz und den dazu sehr aufwendigen Targetsystemen wird erfindungsgemäß das feste Quellenmaterial der Ionen in Form eines Stabes verwendet, dessen Ende im Optimalabstand zum Laserfokus sich befindet und je nach der Laserpulsfolge (10 Hertz oder mehr) langsam weiter vorgeschoben wird in die genannte Fokuslage.In contrast to the high levels that are important for ion sources for accelerators Brilliance and the very complex target systems are inventively the solid source material of the ions used in the form of a rod, the End is at the optimal distance from the laser focus and depending on the Laser pulse train (10 Hertz or more) is slowly advanced into the called focus position.

Claims

1. Arrangement and method for improving the mechanical strength and / or reducing the friction properties of surfaces of solid objects, characterized in that ions are implanted, the generation of the ions by laser pulses of up to 0.05 ms duration.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that pulses of gas lasers with a repetition frequency of up to 1 kHz.

3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the Ions after the laser generation of electron optics with very high Ion throughput and not so high brilliance extracted and in the Acceleration space of the ion implantation device are introduced.

4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the for Implantation used chemically around at least four groups or Subgroups in the periodic system of the elements of the mainly in Elements occurring in the implantation material are different.

5. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that that too implanted material made of iron or steel alloys and as implanted element tin is used.

6. Arrangement according to claims 1 to 5, characterized in that the at During implantation, ions used an energy between 10 and 10,000 keV have.

7. Arrangement according to claims 1 to 6, characterized in that the Ions inclined at an angle of more than 10 ° to the surface normal be shot.

8. Arrangement according to claims 1 to 7, characterized in that the implanted workpieces after the ion implantation of a heat treatment to temperatures of ten degrees Celsius below the melting point for periods of exposed to at least one microsecond.

9. Arrangement according to claims 1 to 8, characterized in that a Heat treatment process with laser pulses or particle beam pulses from at least 10 femtoseconds duration is used and in the short term Temperatures above the melting point arise.

10. Arrangement according to claims 1 to 9, characterized in that the Implantation of several chemically different types of ions takes place from the group of the item by at least four main or sub-groups differentiate.

11. Arrangement according to claims 1 to 10, characterized in that the Solid ion source material in the form of a rod with one end in focus the laser is used and the rod in the course of the laser radiation is moved on.