Реферат: Физические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструмента
Катодное распыление. Принципиальная схема установки приведена на рис. 2. Метод осуществляется следующим образом.
Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивается до давления 10-4 Па, после чего производится напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки.
Данный метод распыления может быть осуществлен и по другой схеме – диодной схеме распыления, отличительным признаком которой является то, что при распылении катод является как источником распыляемого материала, так и источником электронов, поддерживающих разряд, анод также принимает участие в создании заряда, одновременно являясь подложкодержателем.
Преимущества метода катодного распыления в следующем:
- безынерционность процесса
- низкие температуры процесса
-
 |
 |
||
возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)
- сохранение стехиометрического исходного материала при напылении
- возможность получения равномерных по толщине пленок
Метод имеет недостатки:
- низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)
- загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях
- низкая степень ионизации осаждаемого вещества
Магнетронное распыление. Является разновидностью метода нанесения тонких пленок на основе тлеющего разряда. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Ar), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда.
В магнетронной распылительной системе катод (мишень) помещается в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Магнитное поле позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени.
Суть метода состоит в следующем (Рис.3), в систему анод-катод подается постоянный электрический ток (2-5 А), который приводит к возникновению между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) неоднородного электрического поля и возбуждению аномального тлеющего разряда. Электроны, выбитые из катода под действием ионной бомбардировки, подвергаются воздействию магнитного поля, возвращающего их на катод, с одной стороны, с другой – поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Это приводит к тому, что электроны совершают сложное циклическое движение у поверхности катода. При движении электроны многократно сталкиваются с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к возрастанию интенсивности ионной бомбардировки мишени, а следовательно и к возрастанию скорости распыления.
Преимущества метода:
- высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (5×10-1 -10 Па)
- отсутствие перегрева подложки
- малая степень загрязнения пленок
- возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади подложек
Высокочастотное распыление. Данный метод применяется в том случае, если материалом мишени является диэлектрик. Для распыления диэлектрика необходимо периодически нейтрализовать положительный заряд на нем. Для этого к металлической пластине, расположенной непосредственно за распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают напряжение с частотой 1-20 МГц.
Плазменное распыление в несамостоятельном разряде. В распылительных системах данного типа горение газового разряда поддерживается дополнительным источником (магнитное поле, высокочастотное поле).
Преимущества метод РИБ:
- сохранение стехиометрического состава пленок при распылении многокомпонентных сплавов
- высокий коэффициент использования распыляемого вещества
- возможность получения равномерных по толщине покрытий на подложке большей площади
- высокая адгезия пленок
Сущность МТИ состоит в том, что в специальных испарителях вещество нагревают до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения.
Все испарители отличаются между собой в зависимости от способа нагрева испаряемого вещества: резистивного, индукционного, электродугового и др.
Резистивное испарение. Тут тепловую энергию для нагрева вещества получают за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель.
Электродуговое испарение. Нагрев катода с последующей эмиссией электронов, осуществляется по средствам зажигания в вакуумной камере электродуги (Рис.4). Особенностью данного метода является то, что электрический ток, создающий дугу, подается в цепь, содержащую катод (отрицательный потенциал) и корпус вакуумной камеры (положительный потенциал). Электрическая дуга производит локальный разогрев поверхности катода, в результате чего последняя, переходя в жидкостную фазу, и в виде капель распространяется по объему вакуумной камеры. Капельная фаза приводит к неоднородности химического состава покрытия. Для уменьшения брызгового эффекта производится тщательная предварительная дегазация катода.
Преимущества метода нанесения тонких пленок вакуумным электродуговым методом:
- возможность регулирования скорости нанесения покрытия путем изменения силы тока дуги
- возможность управлять составом покрытия, используя одновременно несколько катодов или один многокомпонентный катод
- высокая адгезия покрытий
- возможность получения тонких пленок металлов, вводя в камеру реакционный газ
Основные преимущества МТИ в следующем:
- возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок
- простота реализации
- высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарению мощности
- возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения
Методы ФОП, несмотря на некоторые присущие им недостатки (например, невозможность осаждения покрытий в больших углублениях и сложность нагрева подложки в вакууме), в целом наиболее перспективны для нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты. Связано это, во-первых, с возможностью точного регулирования технологических процессов и их полной автоматизации. Во-вторых, низкая температура процесса позволяет обрабатывать любые инструментальные материалы и при этом достигать высокой адгезии покрытия с основой. В-третьих, высокая скорость формирования покрытия. И, наконец, метод ФОП безопасен для окружающей среды и экономически выгоден [6].
6. Классификация износостойких покрытий для режущего инструмента.
6.1. Основные положения.
Все элементы Периодической системы подразделяются на группы электронных аналогов, атомы которых имеют аналогичные строения электронных оболочек:
- s-элементы, имеющие полностью заполненные внешние s-оболочки
- d- и f-элементы, имеющие незаполненные d- и f-оболочки
- sp-элементы, имеющие валентные s,p-электроны (неметаллы)
Данной классификация поясняет деление всех тугоплавких соединений, применяемых в качестве покрытий, на три группы:
- металлоподобные тугоплавкие соединения, образуемые d- и f-переходными металлами (бориды, карбиды, нитриды)
- металлоподобные тугоплавкие соединения, образуемые между собой в основном d- и f-переходными металлами, а также вырожденными металлами из sp-групп электронных аналогов
- неметаллические тугоплавкие соединения, образуемые взаимным сочетанием неметаллов (оксиды)
Наиболее широко в качестве износостойких покрытий применяются соединения тугоплавких d-переходных металлов IV-VI Периодической системы элементов с кислородом, углеродом и азотом [5]. Это связано с особенностями их кристаллохимического строения:
