Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Реактивные методы нанесения покрытий. получение покрытий конденсацией с ионной бомбардировкой (методом КИБ)

Определим тонкие покрытия как объекты, свойства которых определяются размером тела в одном из направлений (толщиной слоя). Отнесение данного покрытия к тонкому или толстому является достаточно условным. Оно определяется свойством, зависимость которого от толщины мы определяем. Например, механические свойства полимерных покрытий зависят от их толщины d при ее значениях меньших 1,5 мм. Электрическое сопротивление покрытий металлов зависит от толщины при d = 80-100 нм. (рис. 2).При этом следует учитывать, что характер размерных зависимостей определяется условиями и методикой измерения этого свойства, например, температурой материала или напряженностью электрического поля (при определении электрофизических свойств).

Рис. 2

Основными геометрическими параметрами тонких пленок и покрытий являются толщина пленки, ее форма. В общем случае, тонкую пленку можно рассматривать как среду, ограниченную двумя поверхностями (рис.3).

Рис.3

Z₂=F (X, Y)- поверхность покрытия.

Участки поверхностей Z₁ и Z₂ в общем случае могут совпадать (на этих участках покрытие отсутствует).

Для характеристики покрытий используют следующие основные параметры:

1. Геометрическая толщина покрытия:

d_г = 1/S₀ ∫(z₂ -z₁) dS,

S

где S₀ – площадь поверхности подложки;

dS- дифференциальный элемент этой поверхности.

2. Эффективная толщина покрытия.

Измерять d_г очень сложно. При этом понятие геометрической толщины покрытия не несет информацию о его форме. Поэтому часто используется параметр эффективной толщины, который связывается с методом измерения. В общем случае, эффективной по отношению к данному физическому свойству толщиной называют толщину однородного слоя вещества, обладающего теми же свойствами, что и реальное покрытие. В общем случае d_г, эффективная весовая толщина и оптическая толщина, совпадают, когда покрытие равномерное и однородное. В противном случае, при измерении толщины одного и того же покрытия получаем разные значения.

3. Внутренняя и внешняя формы покрытия:

Внешняя форма определяется геометрическими размерами отдельных элементов покрытия.

Внутренняя форма описывает кристаллическое строение, тип решетки, ориентацию кристаллов, их размер, дефектность и т. д.

В зависимости от внешней формы различают сплошные, полусплошные и островковые или диспергированные покрытия.

Сплошные - это покрытия, для которых на всей поверхности выполняется условие z₁¹z₂ (рис.2).

Полусплошные - покрытия, на поверхности которых есть участки с z₁ = z₂,т.е. нарушается его сплошность. Полусплошные покрытия формируются, например, на стадии коалесценции (слияния капель, микрочастиц), ионном селективном травлении тонких слоев.

Островковые или диспергированные покрытия - покрытия, состоящие из изолированных микрочастиц (островков или кластеров).

В общем случае для полного описания состояния тонких покрытий необходимо знать следующие их основные характеристики:

1.Степень покрытия подложки пленкой θ (степень заполнения) - долю поверхности, занятой пленкой. Из определения следует, что 0< θ£1. При θ=1 имеем сплошное покрытие.

2.Поверхностную плотность островков.

Различают среднюю плотность n₀ =N /S (N-число островков, S-площадь) и дифференциальную плотность n=dN/dS (dN-число островков, находящихся на площади dS).

3.Кристалическую структуру, степень дефектности, характер ее распределения по объему покрытия.

4.Функцию распределения островков по размерам f(r)= dN/ dr (dN-число частиц, имеющих размер в пределах от r до r+dr). Характерная для металлических островковых пленок функция распределения по размерам представлена на рис.4. Поверхности реальных тел, на которых формируется покрытие, неоднородны. Поэтому распределение частиц металлической фазы по поверхности также неоднородно, а, соответственно, неодинаковы и свойства пленок в отдельных локальных участках.

Рис.4.Распределение частиц конденси- рованной фазы по размерам; rВ - наиболее вероятный размер.

5. Форму и ориентацию кристаллографических осей зерен материала, микрочастиц.

Данные характеристики определяют только геометрические свойства покрытия и для полного его описания необходима информация о химическом составе, структуре и свойствах материала подложки структуре и свойствах граничных слоев и других физико-химических параметрах системы.

Реактивные методы нанесения покрытий. получение покрытий конденсацией с ионной бомбардировкой (методом КИБ)

В группуреактивных методов нанесения покрытий входят методы получения покрытий из химических соединений, синтез которых осуществляется непосредственно в процессе осаждения. Реактивные методы нанесения покрытий характеризуются тем, что в рабочую камеру напускают химически активный газ, при взаимодействии которого с испаренными атомами и образуется химическое соединение. Наибольшее распространение получили реактивные методы нанесения следующих покрытий:

1.Нитридов металлов. Испарение металла, как правило, осуществляется электронно–лучевым, лазерным или электродуговым способом. В рабочую камеру запускается азот, который в зоне испарения диссоциирует, адсорбируется на поверхности подложки и вступает во взаимодействие с металлом, например, титаном,

Ti+N→TiN.

В зависимости от соотношений потоков азота и титана возможно образование соединений переменного состава TiN_x. Цвет покрытия при этом может меняться от зеленого до желтого. Процесс образования соединений протекает, в основном, на поверхности. В объеме вероятность химического взаимодействия атомов металла и азота низка.

2. Карбидов металлов. В частности, данным методом получают покрытия из карбидов титана, циркония, хрома, вольфрама. Карбиды образуются при испарении металлов в среде углеродосодержащих газов (метана, ацетилена).

3. Оксидов металлов. В этом случае испарение металлов проводят в среде кислорода или паров воды.

Покрытия, получаемые реактивными методами, имеют достаточно высокую твердость, адгезию. Для повышения адгезионной прочности рекомендуется наносить покрытия на подложки, нагретые до температуры 400…600 ˚C.В машиностроении для упрочнения режущего инструмента наносят покрытия нитридов и карбидов металлов толщиной до 10…12 мкм. Часто используются многослойные покрытия, наносимые, как правило, за один технологический цикл. Это достигается, например, путем изменения состава газовой среды.

Метод КИБ является разновидностью реактивных методов нанесения покрытий сложного состава. Образование газовой фазы металла осуществляется электродуговым испарением. Данным методом получают покрытия нитридов (осаждение атомов металла проводится в присутствии активного газа: азота или аммиака), карбидов (активный газ – ацетилен, метан), оксидов (активный газ – кислород) титана, циркония, хрома и других металлов.

Отметим следующие основные преимущества метода КИБ:

1. Универсальность, возможность нанесения покрытий из соединений различной природы и регулирование при этом в широких пределах стехиометрией соединений путем изменения тока дуги, давления реакционного газа и температуры поверхности.

2. Высокие скорость нанесения и адгезия покрытий.

3. Высокая технологичность процесса. Совмещение в едином технологическом цикле стадий очистки, нагрева поверхности до рабочей температуры (200…600 ⁰С) со стадией нанесения функционального покрытия, не используя при этом отдельную технологическую оснастку.

Основные недостатки метода:

1. Сильная зависимость свойств покрытий от технологических режимов, что требует практически для каждой детали проведения отдельных работ по их оптимизации. По этой причине загрузка в вакуумную камеру производится только однотипных деталей.

2. Наличие капельной фазы. При нанесении таких покрытий на поверхность трения капли действуют на поверхность контртела как абразивные частицы.

3. Трудности при нанесении покрытий на мелколезвийный инструмент, так как при ионной очистке инструмента имеет место притупление острых кромок, и они легко разрушаются.

4. Относительно низкая воспроизводимость физико-механических свойств покрытий.

Типовая установка для получения нитридов, оксидов, карбидов металлов методом КИБ включает:

-реакционную камеру с вакуумной системой откачки;

-систему электродугового испарения с блоком питания;

-систему напуска реакционного газа.

-Отметим, что установки, содержащие мощные дуговые испарители и позволяющие наносить покрытия с высокой скоростью, имеют существенный недостаток: при больших токах дуги возникает нестабильность дугового разряда вследствие большого тепловыделения на катоде, возрастает содержание капельной фазы, размер частиц и в результате снижается качество покрытий. Поэтому с цель повышения производительности напыления, достижения более высоких скоростей роста при сохранении высокого качества покрытий используют несколько (три и более) испарителей, генерирующих направленные потоки атомов металла во взаимно перпендикулярных направлениях. Это позволяет также повысить равнотолщинность наносимых покрытий и обеспечить высокую экономичность процесса.

Метод КИБ получил широкое применение как способ повышения работоспособности режущего инструмента. Покрытия на основе тугоплавких и теплостойких соединений, таких, как TiN, TiC, Mo₂N, ZrN и других, формируемые методом КИБ обладают высокой твердостью, химической стойкостью, хорошей адгезией к подложке, способностью адсорбировать смазывающие вещества и большим сопротивлением к износу.

Однако при трении таких покрытий, полученных при режимах осаждения, не предусматривающих снижение капельной фазы, по металлическим материалам происходит интенсивный износ последних. Так, для покрытия TiN диаметр капель может достигать 25 мкм, а высота нескольких микрометров, при этом капли имеют высокую твердость и в процессе трения вызывают многократное пластическое деформирование поверхности контртела и даже микрорезание поверхностных слоев.

Считается, что капельная фаза образуется в результате кипения материала катода при содержании в нем растворимых технологических газов. При этом только в поверхностных слоях образованных микрочастиц протекают плазмохимические реакции и капли осаждаются на поверхности подложки в виде включений. Влияние капельной фазы на триботехнические свойства покрытий неоднозначно, с одной стороны она ведет к уменьшению процесса трещинообразования, с другой стороны, - снижает адгезионные свойства покрытия и ухудшает поверхностный рельеф детали. С целью снижения шероховатости покрытия TiN предлагают производить полировку поверхность покрытия, после чего интенсивность изнашивания покрытия и контртела значительно снижается.

Эффективным технологическим направлением повышения эксплуатационных свойств является нанесение многослойных покрытий. В этих покрытиях первый слой TiN (считая от материала основы) является износостойким, а последующие (молибден, титан, серебро, политетрафторэтилен) – мягкими, приработочными. При этом повышается износостойкость как покрытия, так и контртела.

С целью снижения содержания капельной фазы используют следующие технологические приемы:

1. В качестве катода используют металлы с минимальным содержанием растворенных газов. Это достигается при получении катодов методом вакуумной плавки либо дегазации катода путем его нагрева в вакууме непосредственно перед нанесением покрытия.

2. Проводят сепарации газокапельных потоков, например, путем применения внешнего магнитного поля.

3. Осуществляют оптимизацию технологических параметров. Проводят процесса нанесения покрытия при минимальных значениях силы тока, что, однако, снижает скорость роста. Рекомендуется поддерживать максимально допустимое давление азота в вакуумной камере.

Одним из важнейших параметров процесса является давление реакционного газа (азота) при нанесении покрытия нитрида титана. От величины давления азота зависит фазовый состав, текстура, напряженное состояние и соответственно твердость и износостойкость покрытий. В интервале давлений от 10^-3 до 10² Па азота в камере возможно образование соединений нитрида титана с различной стехиометрией. Максимальная твердость соответствует соединению Ti₂N, а также TiN и нестехиометрического TiN_x (x=0,6 либо x=1,05). На механические свойства покрытий влияют и другие факторы, такие как потенциал смещения, температура покрытия, его материал, применение сепарации потоков.

При формировании износостойких покрытий различного состава важным является обеспечение оптимального сочетания твердости и сопротивления хрупкому разрушению. Кроме этого, при оптимальных режимах осаждения установлено образование структуры покрытия с высоким уровнем напряжений сжатия, препятствующих распространению трещин. Механизм изнашивания покрытий нитрида титана зависит от условий контактирования и включает в себя распространение трещин в слое покрытия под действием напряжений сдвига, отслаивания и окончательного отрыва участков слоя при взаимодействии неровностей.

В целом результаты проведенных исследований однозначно свидетельствуют, что нанесение покрытия нитрида титана с любой стехиометрией однозначно ведет к повышению износостойкости режущего инструмента в 1,8-10 раз. Этот эффект особенно проявлялся при больших значениях скорости резания (до 110 м/мин).

Структура и свойства покрытий нитридов и карбидов металлов значительно зависят от его толщины. Показано, что с увеличением толщины становится более выраженной преимущественная ориентация микрокристаллитов покрытия, и возрастают внутренние напряжения.

список Рекомендуемой Литературы

1. Технология тонких пленок: Справочник/Под ред. Майссела Л. и Глэнга Р. / Пер. с англ.; Под ред. Елинсона М. И., Смолко. Г. Г. – М.: Советское радио, 1977. –Т. 1. – 406 с.; Т. 2. – 353 с.

2. Технология вакуумной металлизации полимерных материалов/ Липин Ю.В., Рогачев А.В., Сидорский С.С., Харитонов В.В. – Гомель, 1994. –206 с.

3. Научно-технический прогресс в машиностроении. Современные методы упрочнения поверхностей деталей машин/Под редакцией Фролова К.В.- М.: Институт машиноведения АН СССР, 1989.- 286 с.

4. Ройх И.Л., Калтунова Л. Н. Защитные вакуумные покрытия на стали. М.: Машиностроение, 1971. – 280 с.