Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

290

плазмы обеспечивает более полное использование газа-реагента, что

позволяет получить высшие химические соединения при низком

парциальном давлении газа.

Предложен целый ряд методов:

– отрицательный, положительный или "плавающий" потенциал

подают на подложку (вместо использования специального электрода);

– над расплавом устанавливают дополнительный эмиттер электронов

(например, нагреваемую вольфрамовую нить), что повышает степень

ионизации парогазовой смеси и позволяет в более широких пределах

регулировать скорость испарения;

– вместо высоковольтной электронно-лучевой пушки используют

плазменную электронно-лучевую пушку с горячим полым катодом (для

осаждения ТіС) или с холодным катодом (для осаждения ТіN). В этом

случае благодаря низкой энергии первичные электроны не только

нагревают расплав, но и способствуют ионизации испарившихся атомов

металла и газа.

Метод АРИ обеспечивает достаточно высокие скорости осаждения

покрытий (от 20 до 200 мкм/ч). В частности, при электронно-лучевом

испарении (мощность луча 3 кВт, расстояние от испарителя до подложки

130 мм) скорость осаждения ТіС составила 60-120 мкм/ч. При испарении

пушкой с полым катодом (типичные характеристики: внутренний диаметр

танталового катода 4 мм, длина 80 мм, толщина стенки 0,5 мм, скорость

подачи аргона 30 см3/мин, разряд 40 В, 200 А, расстояние от испарителя до

подложки 140 мм) скорость осаждения ТіС около 12 мкм/ч.

Методом АРИ получены следующие соединения: Аl

, ТiС,

ZrС, NbС, Та

С, ТаС, VС, W

С, HiC, HiN, VС-ТiС, ТiС-Ni, TiN, Сu

Мо

Сu

S, окислы титана и др.

В качестве реакционного газа предпочтительнее использовать метан

(СН

) и этилен (С

), чем ацетилен (С

Твердость покрытия зависит от парциального давления реактивного

газа, температуры подложки и потенциала на подложке. Данным методом

может быть обеспечена очень высокая микротвердость ТiС (НV=3000 Па в

случае осаждения при 500°С, НV=5500 Па в случае осаждения при 1000°С.)

В процессе активированного реактивного осаждения покрытие из

ТiN не всегда хорошо воспроизводится и часто является пористым. Для

устранения этого недостатка рекомендовано строго контролировать

соотношение между скоростью испарения и подачей азота.

291

6.9 Электронно-лучевое плазменное выращивание покрытий

Одним из путей решения проблемы нанесения качественных

защитных покрытий в вакууме является применение разработанного

способа электронно-лучевого плазменного наращивания (ЭЛПН),

заключающегося в использовании несамостоятельного электрического

заряда в парах испаряемого металла, ионизированного электронным

лучом. С помощью ЭЛПН можно получать ионизированный поток пара с

регулируемой энергией ионов в широком диапазоне за счет подачи на

подложку отрицательного потенциала смещения различной величины.

Основой испарителя служит электронно-лучевая система с

термоэлектронным кольцевым катодом, с которого эмитируются

электроны, ускоряются до величины приложенного потенциала и

бомбардируют поверхность металла, приводя к испарению последнего в

результате нагрева. Часть испаренных атомов ионизируется при

столкновении с электронами, и при определенной скорости испарения

между поверхностью и кольцевым катодом достигается такая плотность

пара, что происходит пробой промежутка катод-анод и работа испарителя

переводится в режим несамостоятельного разряда, характеризующегося

большим током и относительно малым падением напряжения в

промежутке анод-катод. Поток пара состоит из ионов, возбужденных

атомов и вторичных электронов, образующихся при столкновении

первичных электронов с атомами пара. Таким образом, при ЭЛПН

конденсация потока пара происходит в присутствии ионов испаряемого

металла, энергию которых можно регулировать за счет величины

подаваемого на подложку отрицательного потенциала смещения U

см

, а

степень ионизации - напряжением и током разряда, а также парциальным

давлением и потенциалом ионизации испаряемого металла. Метод

позволяет наносить с высокой производительностью чистые металлы, а

также тугоплавкие соединения, если испарительное устройство снабжается

кольцевым коллектором для ввода в плазму испаряемого металла

активного газа. В отличие от известных электродуговых методов

испарения, реализованных в установках типа "Булат" и "Пуск", при ЭЛПН

расходуемым электродом является не катод, а анод, что позволяет

полностью избавиться от капельной фазы за счет диффузионного пятна,

покрывающего всю площадь анода (испаряемого металла).

292

К катоду и аноду электронной пушки от источника питания

подводится высоковольтное напряжение. В зависимости от типа пушки

оно составляет 5-60 кВ.

Электроны после прохождения электрического поля с разностью

потенциалов U

ускоряются и приобретают кинетическую энергию Е

2/1 eUVm

где

eVm ,,

– масса, скорость и заряд электрона.

Например, проходя через поле с напряжением в 1В, скорость

=595м/с. Энергия атомов в потоке невелика и составляет 0,2-0,3В,

степень ионизации частиц 0,05-0,1%.

Для повышения производительности и стабилизации процесса

испарения целесообразно на ионизированный поток металлического пара

накладывать продольное магнитное поле. Работа в режиме низковольтного

несамостоятельного разряда дает высокую степень ионизации потока пара,

приближающуюся к 100%. В установках, работающих по схеме испарителя

с анодной формой дуги, реализуются высокие мощности разряда,

достигающие 10кВт. Практически полностью ионизированный поток пара

позволяет получать покрытия с высокой адгезионной и когезионной

прочностью без дополнительного нагрева изделия.

Способ ЭЛПН с применением напуска реакционного газа в

вакуумную камеру в процессе наращивания получил название РЭП

(реакционное электронно-лучевое плазменное), на базе которого были

созданы опытно-промышленные и промышленные установки.

Существенное влияние на работоспособность покрытий и прочность

их сцепления с подложкой оказывает высокий уровень термических

напряжений, возникающий из-за разницы коэффициентов линейного

термического расширения материалов подложки и покрытия. Установлено,

что микротвердость покрытий нитрида титана на стали Р6М5 после

наращивания и последующей выдержки при комнатной температуре

снижается и через 10÷12 суток устанавливается постоянное значение, что

обусловлено релаксацией термических (сжимающих) напряжений в

результате пластической деформации поверхностных слоев металлической

подложки. Поэтому с целью уменьшения напряжений в покрытиях и

повышения их износостойкости целесообразно между покрытием нитрида

титана стехиометрического состава и подложкой создавать переходный

компенсационный слой титана с постоянным увеличением в нем

содержания фазы TiN вплоть до 100%-ного ТiN.

293

6.10 Синтез многослойных ионно-плазменных покрытий в

одновакуумном цикле

Синтез многослойных покрытий можно реализовать в установках,

которые работают по принципу одновакуумного цикла. Модульное

построение установки дает возможность проведения нескольких видов

обработки поверхностей деталей и инструмента, в том числе

многослойного синтеза ионно-плазменных покрытий с применением КИБ,

магнетронного распыления и ионной имплантации в одновакуумном

цикле. Схема рабочей камеры представлена на рис. 6.13. Вакуумная

система позволяет достичь давления 6,65x10

-3

Па (5x10

-5

мм рт. ст.) не

более чем за 20мин.

К вакуумной

системе

6 15 9 12

0 … 800 В

Рабочий

газ

65 В

8 кВ

Аргон

8 кВ

65 В

600 В

30 … 70 кВ

2 кВ

10 кВ

284

Рисунок 6.13 – Схема рабочей камеры установки

для синтеза многослойных покрытий:

1 – камера; 2 – устройство для размещения деталей и передачи движения в вакууме;

3 – источник ионов для ионной очистки; 4 – испаритель;

5 – источник ионной имплантации («Диана»); 6 – магнетронный источник распыления;

7 – катод; 8 – электрод; 9 – анод; 10 – стабилизирующая катушка; 11 – фокусирующая

катушка; 12 – постоянные магниты; 13 – заслонка; 14 – сетка; 15 – катод-мишень

294

Основная сложность в создании эффективного средства

модифицирования поверхностей, например, поверхностей трения

металлических деталей заключается в необходимости обеспечения

оптимального состава покрытия для увеличения ресурса работы узлов

трения в определенных условиях их эксплуатации, при необходимости

выбора оптимальных режимов нанесения многослойных покрытий в одном

вакуумном цикле, при необходимости обеспечения равномерного

распределения частиц имплантируемого вещества – имплантату при

обработке внутренних цилиндрических поверхностей.

6.11 Метод ионного осаждения

В аппаратурном исполнении установка для ионного осаждения (рис.

6.14) совмещает элементы установки для термического испарения и

ионного распыления. Метод обеспечивает высокую производительность и

повышенную энергию осаждаемых частиц. Это обусловлено тем, что

испарение металла проводится чаще всего электронным лучом в

атмосфере тлеющего разряда, который возбуждается между катодом-

подложкой и анодом-испарителем. На подложку подается отрицательный

потенциал величиной 1-5 кВ. На стадии предварительной очистки при

электрическом разряде в среде аргона на изделие может подаваться

отрицательный потенциал до 15 кВ (5).

150А

-70В

0-200В

0-300В

0-5кВ

0-32 В

5 А

Рисунок 6.14 – Схема установки для ионного осаждения

295

Рабочий газ (аргон) напускают в рабочую камеру до давления

-3

- 10

-2

х 12,3 Па после предварительного вакуумирования установки

(10

-5

- 10

-6

х 12,3 Па). Атомы испаренного металла в плазме ионизируются

или возбуждаются, и благодаря высокому отрицательному потенциалу на

подложке происходит интенсивная ионная бомбардировка поверхности

конденсации в процессе осаждения материала.

Повышенное давление улучшает однородность покрытия, создаются

условия для нанесения их на затененные участки изделия.

Высокая прочность сцепления покрытия с подложкой

обеспечивается не только за счет предварительной ионной очистки

последней в результате бомбардировки поверхности ионами аргона, но и

за счет внедрения ионов покрытия в подложку на глубину до 50 А. В

сочетании с диффузией и псевдодиффузией ширина переходного слоя на

границе раздела может составлять 1-2 мкм.

Один из наиболее простых методов повышения степени ионизации и

снижения давления – применение положительного электрода (под

потенциалом 200-500 В) для создания триодной системы. Особенно

эффективна эта система при электронно-лучевом испарении, когда вторичные

электроны, эмитированные расплавом, ускоряются в электрическом поле,

создаваемом электродами. Для усиления ионизации ионную схему осаждения

преобразуют не только в триодную, но и в тетроидную, или применяют

соленоид для создания продольного магнитного поля.

На характеристики разряда влияют также размеры деталей и наличие

металлических экранов. Существенно расширяются возможности управления

процессом при использовании дополнительных эмиттеров электронов.

6.12 Методы оценки качества пленочных покрытий

Среди многих видов покрытий тонкие вакуумно-плазменные

занимают особенное место. Эта особенность определяется их

незначительной толщиной, высокой микротвердостью, прочностью

сцепления с подложкой, а также условиями эксплуатации,

характеристиками трения, износостойкостью и тому подобное.

Определение толщины пленки возможно несколькими методами:

путем прямого измерения подложки до и после нанесения покрытий,

методом металлографических шлифов и целым рядом разнообразных

физических методов.

296

При металлографическом методе контроля образцы или инструмент

плотно прижимают напыленными поверхностями к другой поверхности с

твердостью, равной твердости подложки, и по специальной технологии

изготовляют металлографические шлифы в плоскости, перпендикулярной к

поверхности наращивания. После травления шлифов в 4%-м растворе азотной

кислоты в этиловом спирте износостойкий слой проявляется в виде светлой

зоны, которая не травится. Толщина слоя измеряется на металлографическом

микроскопе при увеличении 1000-2000 X. Недостатком описанного метода

является необходимость разрушения изделия.

Среди физических методов наиболее распространенным является

рентгеноструктурный анализ.

Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников

базируется на двух методах испытаний: основном – по восстановленному

отпечатку и дополнительном – по необновленному.

При испытании применяют алмазные наконечники с формой рабочей

части: а – четырехгранная пирамида с квадратной основой; б – трехгранная

пирамида с основой в виде равностороннего треугольника; в –

четырехгранная пирамида с ромбической основой; г – цилиндр.

При выборе нагрузки исходят из предположительной глубины

отпечатка. Минимальная толщина слоя (покрытия) должна превышать

глубину отпечатка не меньше, чем в 10 раз.

Для испытания на микротвердость пленок толщиной меньше 4мкм

рекомендуется применять алмазный наконечник с формой рабочей части в

виде бицилиндра.

Применяются разнообразные способы определения прочности

сцепления покрытия с подложкой. Большая часть разработанных методов

основана на полном отделении покрытия от подложки, которая является

неприемлемым в случае тонких твердых покрытий. Другая часть методов

позволяет определить лишь качественную характеристику прочности

сцепления путем царапания с постоянной нагрузкой на иглу или с

помощью укола алмазным наконечником.

Метод царапания с переменной нормальной нагрузкой является

наиболее приемлемым количественным методом для определения

сцепляемости тонких твердых покрытий с подложкой. Он позволяет

определить критические нормальные нагрузки, при которых начинается

потеря сцепления покрытия с материалом подложки. Устройство, которое

царапает, имеет алмазную иглу в форме конуса Роквелла с радиусом

затачивания 0,2 мм.

297

С ростом нормальной нагрузки наступает момент, когда покрытие

теряет связь с подложкой. Нагрузка, при которой теряется сцепление

покрытия с подложкой, называется критической. Размер критической

нагрузки является критерием прочности сцепления с подложкой.

Наиболее простым и достаточно надежным методом определения

пористости износостойких покрытий является средство наложения на

поверхность напыленного инструмента фильтровальной бумаги,

пропитанной водяным раствором К

Fе(СN)

– 10 г/л, NН

Сl – 30 г/л, NаСl –

60 г/л. После выдержки в течение 5мин бумагу промывают

дистиллированной водой и просушивают на чистом стекле. Признаком

несплошности покрытия является наличие на фильтровальной бумаге

следов темно-синего цвета реакции раствора с быстрорежущей подложкой,

что характеризуют количество и величину пор на исследуемом участке.

Более точным методом является потенциостатический контроль.

В этом методе количественное определение площади сквозных дефектов в

покрытии основано на определении величины анодного тока, который

отвечает анодной реакции взаимодействия электролита с металлом

подложки на дне сквозных дефектов покрытия. При постоянном

потенциале величина измеряемого анодного тока для контролируемых

поверхностей равной площади должна быть пропорциональной площади

сквозных дефектов.

Износостойкость тонких пленок обычно оценивают в процессе трения,

например, на машине трения СМЦ-2 по схеме цилиндр – плоскость.

Скольжение происходит по одной и той же поверхности цилиндра,

то есть износостойкость определяется в условиях повторного трения при

отсутствии ювенильного контакта. Наиболее близко это средство

моделирует, например, условия трения задней поверхности инструмента,

однако повторное трение и отсутствие ювенильности искажают условия

контакта трущихся поверхностей, которые наблюдаются при резании.

По другой методике оценки изучают износ ползуна в условиях, когда

поверхность трения непрерывно обновляется, то есть трение и износ

происходят на свежесозданной ювенильной поверхности.

Работоспособность режущих инструментов с покрытием оценивают,

исследуя износ в условиях, моделирующих процесс трения. Отличия от

реального процесса резания – это отсутствие ювенильности контакта,

повторное трение и расхождение в наростообразовании, что является

причиною ошибок при оценке износа инструментов с износостойкими

покрытиями.

298

Принцип определения износостойкости покрытия, нанесенного на

режущую пластину, в котором устранены перечисленные выше изъяны,

заключается в том, что с целью повышения точности износ

инструментальных материалов с разнообразной адгезионной активностью

осуществляется при ювенильном контакте со стружкой, которая срезается

в одинаковых условиях, предопределенных формой и размерами застойной

зоны на передней поверхности. Для этого режущее лезвие инструмента

изготовляется с фаской под углом (-10°) и шириной, которая относится к

толщине среза как (1,5-2): 1 (рис. 6.15).

Рисунок 6.15 – Схема испытаний на износостойкость

тонких пленок при резании:

1 – обрабатываемый материал; 2 – застойная зона; 3 – резцовая пластина из

быстрорежущей стали; 4 – износостойкое покрытие; 5 – стружка

Сохранение постоянства формы и размеров застойной зоны для

инструментальных материалов с разнообразной адгезионной активностью

является важнейшим условием повышения точности определения

возможности пленки противостоять износу.

Для определения износостойкости покрытий любых составов,

нанесенных на быстрорежущую подложку, рекомендуется применять

такие условия испытаний: точение стали 45, скорость – 30м/мин, глубина

резания – 1,5мм, подача – 0,43 мм/об ( =0,3 мм при =45°), угол фаски –

(-10°), размер фаски f = 0,50 мм, время испытаний – 10мин, без СОТС.

Площадь ячейки износа определяют планометрированием.

299

Для повышения точности измерений и повторяемости результатов

режущую пластинку выводят из зоны резания по принципу «падающего

резца».

6.13 Работоспособность режущих инструментов с покрытиями

Повышение работоспособности режущих инструментов достигается

целым рядом свойств покрытий, которые непосредственно контактируют с

обрабатываемым материалом. Это проявляется в повышении

производительности, снижении общих расходов на режущий инструмент,

повышении качества обработки, возможности отказа от применения СОТС

и тому подобное. На рис. 6.16 схематически представлены факторы,

которые положительно и негативно влияют на инструмент с покрытием.

Рисунок 6.16 – Обобщенная характеристика влияния покрытий на процесс

резания и работоспособность инструмента