Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Для нанесения покрытий вакуумно-плазменным способом применяются два типа методов: CVD - химическое осаждение покрытия из пара и PVD - физическое осаждение из пара. Эти методы позволяют наносить покрытия из чистых металлов, сплавов, и/или соединений (Ti, Ni, Si, C).

Методы CVD основаны на осаждении покрытия в результате химической реакции на поверхности подложки. Реакция активируется температурой, плазмой, фотонами или каталитическим действием поверхности подложки.

Методы PVD базируются на переводе материала мишени в паровую или плазменную фазу с последующим осаждением его на подложку. Распространено распыление по диодной или триодной схемам, магнетронное распыление и электродуговое испарение. В результате ионизации паровой фазы на подложку подают отрицательный потенциал смещения для улучшения условий формирования покрытия. Для образования покрытий из чистых материалов или сплавов в технологические камеры обычно подают инертный газ, а для получения соединений используют реактивное распыление с подачей в камеру газа, реагирующего с распыляемым материалом.

Основной проблемой технологического развития машиностроения является обеспечение непрерывного соответствия между свойствами инновационных конструкционных материалов и условиями эксплуатации изделий из таких материалов. Уязвимым местом в этой системе «материал - рабочая среда» является поверхность материала, что предопределяет высокую значимость разработки методов и технологий модификации поверхностных свойств.

Наиболее результативным методом направленной модификации поверхностных свойств инструментального материала считается нанесение функциональных покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента. В настоящее время процессы PVD на различные детали получают широкое применение из-за высокой надежности, универсальности, возможности получения покрытий практически любой архитектуры, состава, структуры с обеспечением экологической чистоты процессов при производстве инструмента в сравнении с методами и процессами CVD. В качестве основного метода получения покрытий внедряются процессы вакуумно-дугового синтеза покрытий, получившие в мире наименование MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой).

Технология вакуумно-дугового осаждения покрытий (КИБ - MEVVA) является наиболее подходящей для формирования покрытий различного функционального назначения, метастабильных, многокомпонентных, многослойных покрытий. Из перечисленных направлений покрытий наиболее перспективным является концепция многослойных покрытий с наноразмерными зернами и толщинами слоев, так как такие покрытия удовлетворяют ряду противоречивых требований. Притом появляется возможность формирования комбинированных покрытий, включающих чередующиеся метастабильные и многокомпонентные структуры, сочетающих различные свойства отдельных слоев в одном покрытии. Превосходство при производстве режущего инструмента обеспечивают наноструктурированные покрытия. Для подобных материалов преобладающей причиной разрушения являются процессы на межзеренных границах, что связано с меньшим количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах. Дислокации в наноразмерных зернах практически не возникают из-за полного торможения на границах зерен, а сами границы начинают выполнять решающую роль в деформировании и разрушению материала, что позволяет создавать уникальные свойства нанокристаллических материалов, а при размерах зерен d < 5…10 нм планировать формирование субатомных нанокристаллических структур и соответствующее направленное изменение свойств материалов.

Для функциональных покрытий, предназначенных для нанесения на режущий инструмент, весьма важен не только состав, структура, кристалло-химические и физико-механические свойства, архитектура покрытий, но и длительность работы покрытий на рабочих поверхностях инструмента до момента их разрушения в процессе эксплуатации инструмента. Изнашивание и макроразрушения сильно зависят от твердости покрытия, соответствующего соотношения между вязкостью и твердостью, прочности адгезии между слоями, покрытием и субстратом в целом. Для многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий межзеренные и межcлойные границы являются зоной активной рассеивании энергии и отклонения трещин от направления движения, частичного или полного их торможения, что ведет к упрочнению материала. Межзеренные границы, участвующие в формирование размеров зерен и текстуру материала, могут эффективно упрочнять покрытие. Поэтому покрытия с наноразмерной структурой и многослойной архитектурой имеют существенно более длительный срок работы до разрушения.

Сегодня ведущие производители режущего инструмента из твердого сплава и быстрорежущей стали выпускают с композиционно-многослойными покрытиями. При производстве инструмента все шире используют композиционные наноструктурированные покрытия.

Покрытия CVD (Сhemical Vapor Deposition)

Долговечные покрытия были получены путем химического процесса осаждения при температурах 950 - 1050℃ из парогазовой среды. Данный процесс принято сокращенно называть CVD. Данная технология распространена не только для нанесения износостойких покрытий на режущем инструменте, но и где требуется получение слоев покрытия и пленок из кристаллических материалов с высокой чистотой и заданной структурой. Для повышения свойств режущего инструмента перспективным представляются покрытия с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений (TiC, TiN, Al₂O₃). CVD покрытия были однослойные (толщина 4 - 7 мкм).

Победа первых износостойких CVD покрытий обеспечила их широкое распространение в промышленности, но одновременно выявились существенные ограничения использования инструмента с покрытиями. Наибольшие проблемы вызваны недостаточной адгезией СVD покрытий, а также их негативным влиянием на механические свойства основания. СVD смещают область применения твердых сплавов в сторону высоких скоростей резания, ухудшая их прочностные характеристики.

Процесс СVD характеризуется увеличенной скоростью на заострённых участках поверхности изделий. С ростом толщины слоя покрытия адгезия снижается.

Установки для нанесения покрытий методом CVD

Все материалы поступают в камеру в газообразном состоянии. Металлы в этом случае применяются в виде легко испаряемых хлоридов (TiCl₄, AlCl₃). Схема установки для нанесения CVD покрытия показана на рис. 1. Необходимый для получения карбидов углерод получается из углеводорода метана (CH₄), азот для получения нитридов — из аммиака (NH₃) или из N₂, кислород для оксидов — из углекислого газа (CO₂).

В камере происходит химическая реакция, в следствие чего образуется твердое вещество покрытия и газообразный продукт реакции. Компоненты для реакции переносятся потоком газа-носителя, в роли которого выступает аргон или водород. Образующиеся в результате реакции соединения осаждаются на покрываемый материал. Этому помогает разряжение в камере нанесения покрытия.

Остатки газов вытягиваются, охлаждаются и сбрасываются наружу после фильтрации. Загрузка с хорошим доступом осуществляется вне зоны реакции, имеющей форму колокола. Эта зона открывается снятием колокола вместе или раздельно с частью печи с системами нагрева и охлаждения. Детали, на которые наносится покрытие, размещаются на графитовых подставках с пазами, которые ставятся одна над другой в зону нанесения покрытия. Газ распространяется однородно и одинаково, без мертвых зон, и образует покрытие с хорошей сцепляемостью с основным материалом. Методом CVD наносятся покрытия: TiN, TiCN, Al₂O₃. Преимущества метода CVD делает их особенно экономически выгодными при нанесении покрытий на большие партии маленьких деталей.

Плазменное покрытие CVD устраняет некоторые ограничения, присущие данному методу, он использует для начала химических реакций не высокую температуру, а наличие плазмы в камере нанесения покрытия. Схема плазменного нанесения покрытия CVD показана на рис. 2.

Плазма оказывает каталитическое воздействие и концентрирует энергию. С помощью этого процесса, в зависимости от подводимого газа, можно наносить карбидные, нитридные и карбонитридные покрытия при температурах 400…500℃. Разница от обычных покрытий CVD в этом случае практически отсутствует снижение вязкости в граничной зоне между сплавом и покрытием. По сравнению с покрытиями PVD они имеют лучшую адгезию и меньшие внутренние напряжения. Кроме того, отпадает необходимость в особом расположении изделий для получения равномерного покрытия.

Покрытия PVD (Physical Vapor Deposition) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой)

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяется методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD происходит при невысокой температуре (до 450℃), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносится покрытие. Это весьма значительно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как температура не превышает температуру отпуска закаленной стали. Все процессы PVD происходят в вакууме, что нужно для упрощения переноса частиц от источника к детали при наименьшем количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая нацелена к источнику частиц. Скорость нанесения покрытия зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо сгруппированное движение материала или применение нескольких расположенных источников. Покрытие наносится только на поверхности «в прямой видимости источника», оставляя другие без покрытия. Это абсолютно невозможно при использовании метода химического осаждения.

Одними из главных причин, определяющих качество покрытия являются чистота исходных материалов, необходимый уровень вакуума и чистота реакционного газа.

Установки для нанесения покрытий методом PVD

При нанесении покрытий методом PVD материал покрытия внутри установки переводится из твердого в газовое состояние. Все эти процессы можно разделить на два типа: процессы, использующие испарение, и процессы, использующие распыление.

Испарение осуществляется следующими методами:

Все эти процессы могут проходить с дополнительной ионизацией или без нее, в среде реакционного газа или без него.

Распыление бывает диодное или магнетронное, постоянным током или током высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него. Для нанесения покрытий на инструмент применяются следующие методы ионного осаждения:

Процессы протекают в среде инертного газа в присутствии реакционного газа (азот или ацетилен) при отрицательном напряжении смещения на покрываемом материале. Для улучшения переноса частиц в камере поддерживается низкое давление или высокий вакуум. Так как покрытие наносится только на поверхности, обращенные в сторону источника частиц, покрываемый материал должен совершать сложное движение. Для реализации такого движения материал помещают на специальные подставки, изображенные на рис. 3 и рис. 4. Каждый из сателлитов (рис. 4) вращается вокруг своей оси, а ось сателлита вращается вокруг оси подставки. Тогда каждое из гнезд под деталь совершает движение, обеспечивающее равномерное нанесение покрытия.

При грамотно подобранных параметрах процесс выполняется автоматически с высокой степенью надежности. Рекомендуется тщательная очистка материала перед нанесением покрытия. Этот процесс осуществляется последовательной мойкой в нескольких химических средах, промывкой в чистой воде и сушка. Инструмент не должен содержать никаких следов термической обработки.

В установках, использующих испарение электронным пучком, к катоду с тлеющей дугой подводится высокое напряжение (от 1 до 10кВ), в результате создается сфокусированный и ускоренный пучок электронов (около 200А), который направляется на мишень с металлическим материалом покрытия. Схема распыления электронным пучком показана на рис. 5. Мишень установлена в центре горизонтально расположенного котла из графита, керамики или меди. К котлу подведено положительное напряжение.

К противолежащей подставке с покрываемыми инструментами подведено отрицательное напряжение. Положительные ионы испаренного вещества (титан) вступают в реакцию с реакционным газом (азот) и образуют материал покрытия (нитрид титана), который осаждается на покрываемом инструменте.

При возникновении дугового испарения зажигается электрическая дуга. После зажигания дуги ее перемещение по поверхности мишени, установленной в медном охлаждаемом катоде, управляется с помощью системы магнитов. Основная задача - это обеспечить равномерное удаление материала с поверхности мишени и продлить срок ее службы. Схема дугового испарения показана на рис. 6.

Катод устанавливается вертикально на стенки камеры и к нему подводится отрицательное напряжение. В момент розжига дуги на поверхности мишени возникает местный расплав. Начинается испарение металла мишени и при испарении вместе с ионами материала ускоряются и неионизированные частицы металла, которые также осаждаются на поверхности инструмента. Наличие этой капельной фазы является основным недостатком дугового метода, так как капли ухудшают качество поверхности инструмента после покрытия. Удаляются капли в результате последующей обработки после нанесения покрытия. Наибольшее количество капель образуется в момент розжига дуги.

На дуговых установках можно наносить композитные и многослойные покрытия. Для этого применяются различные мишени. На противоположных стенках камеры можно установить несколько мишеней из чистых металлов (титан и алюминий) или использовать одну мишень из сплава титана и алюминия. При недостатке места можно использовать комбинированные мишени, состоящие из нескольких «чистых» мишеней, сведенных на одном катодном блоке. Использование нескольких одинаковых мишеней увеличивает скорость нанесения покрытия.

Из установок, использующих метод катодного распыления, наибольшее применение находят установки на основе магнетронов. При приложении высокого напряжения в атмосфере инертного газа (аргона) возникает тлеющий разряд, рисунок 7. Ионы инертного газа из плазмы, обладающие большой энергией, бомбардируют мишень, включенную как катод. Вследствие ударного импульса происходит высвобождение материала, он распыляется, минуя промежуточную жидкую фазу. В отличие от установок с котлом, возможно произвольное расположение мишеней. С помощью магнитных полей осуществляется удлинение пути электронов, увеличивается плотность плазмы и ударная энергия. Сзади мишени располагается магнитная система, определяющая распределение области распыления материалами по всей поверхности мишени.

Прочитали статью? Если остались какие-либо вопросы задавайте их здесь. Подписывайтесь на наш youtube канал, комментируйте и ставьте лайки.