Метод PVD. PVD методы нанесения наноструктурных покрытий

1. Метод PVD

2. PVD МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Современные отрасли промышленности начинают достаточно
широко ис- пользовать новые конструкционные материалы –
титановые сплавы, алюмокремниевые сплавы, титан-алюминиевые
сплавы, жаростойкие никеле- вые сплавы и др. Эти материалы, имея
низкую удельную массу, обладают вы- сокими прочностными и
вязкостными характеристики. Высокая вязкость суще- ственно
затрудняет обработку этих материалов. Одним из перспективных
направлений использования данных материалов это нанесение
упрочняющих и защитных покрытий на рабочие поверхности деталей различного оборудования. Нанесение покрытий из данных
материалов можно осуществить с помощью PVD (Physical vapor
deposition) методов. Дан- ные методы основываются на физических
процессах эмиссии частиц материала с поверхности мишени,
транспортировки и осаждения на поверхности подлож- ки. PVDпроцессы применяют для создания на поверхности изделий, инструментов и оборудования функциональных покрытий — износостойких,
коррози- онностойких, антифрикционных и др.

3.

Резистивное испарение – это процесс осаждения в вакууме, который
ис- пользует электрическую энергию для нагрева катода, который в
свою очередь нагревает осаждаемый материал до такой степени, что
испаряет его. Процесс может производиться в очень высоком вакууме
(до 10-5 Па), что позволяет уве- личить длину свободного пробега
атома и уменьшить тем самым возможность загрязнения пленки.
Может быть достигнута высокая скорость осаждения. Бо- лее низкая
энергия частиц может уменьшить эффект повреждения подложки.
Данным методом можно наносить металлические покрытия на основе
Al, Ag, Cu, Zn, Cr и тд. Однако данный метод характеризуется
недостаточной плотно- стью и низкими механическими свойствами
получаемых покрытий. В электронно-лучевом испарении, катод
эмитирует сфокусированный маг- нитным полем высоко
энергетический пучок электронов, который попадая на материал в
тигле уносит с тигля напыляемый материал, осаждаемый на подложку. Мощные испарители и наборы испарителей с упорядоченным
конфигу- рацией позволяют получать высокие скорости роста пленки
и высокие толщи- ны пленок (до 200 мкм). Процесс электроннолучевого испарения проводится при рабочем давлении от 10-4 до 10-3
Па, в атмосфере реакционных газов: N2, O2, CH4

4.

Нанесение тугоплавких и керамических покрытий (TiN, ZrN, TiC, ZrC,
TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2) материалов может достигать высоких
скоростей, что может эффективно использоваться для увеличения
жаропрочности металлических и керамических пленок. Испаряемый
осаждаемый материал может поддерживать поверхностный слой
нерасплавленного материала, защищающий тигель от коррозии или от
загрязнения. Недостатком данного метода является малая степень
загрузки рабочей камеры, а также трудность в обеспечении равномерности толщины и стехиометрии на поверхностях изделий сложной
кон- фигурации. Вакуумно-дуговое испарение заключается в зажигании
вакуумной дуги (в атмосфере реакционных газов N2, O2, CH4 при
рабочем давлении от 0,01 до 1 Па), которая формирует на поверхности
катода одну или несколько точечных эмиссионных зон, в которых
концентрируется вся мощность разряда. Локальная температура
катодного пятна чрезвычайно высока (до 15000 °C), что вызывает
интенсивное испарение и ионизацию в них материала катода и
образование высокоскоростных (до 10 км/с) потоков плазмы,
распространяющихся из катодного пятна в окружающее пространство.
Помимо вышеприведенных в предыдущих методах сплавов, методами
вакуумно-дугового испарения могут быть нанесены следующие
нанокомпозиты: TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4, а также алмазоподобные
покрытия.

5.

Достоинствами вакуумно-дугового испарения являются высокие
скорости осаждения, простота технической реализации, высокое
качество керамических покрытий, однако данный метод
характеризуется высокими температурами (до 700 °C) осаждения,
что является несомненным недостатком, так как это может
вызвать фазовые переходы материалов в поверхностном слое
материалов. Магнетронное распыление заключается в процессе
бомбардировки ионами газа плоскости мишени (катода) в зоне
плазмы образованной перед мишенью. Процесс бомбардировки
вызывает испарение атомов мишени, которые в по- следствие
осаждаются на поверхности подложки в качестве тонкой пленки.
Данные метод позволяет наносить нитриды и карбонитриды
такие как TiAlN, TiN, CrN и простые металлизирующие покрытия.
Данные метод характеризует- ся небольшим нагревом подложки
до 300o C, высокой скоростью осаждения, повышенной
однородностью и сплошностью осажденного материала. Недостатком является относительная сложность технической
реализации метода

6.

7.

Методы PVD основаны на физическом испарении или
распылении вещества в вакуумное пространство камеры с
последующей подачей реакционного газа (N2, O2, CN4 и др.). В
результате плазмохимической реакции ионизированного потока
металлической плазмы и реакционного газа на поверхности
инструмента конденсируется покрытие.
Среди методов наибольшее распространение получили:
конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной
бомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление (метод
МИР) и ионное плакирование.
Широкие возможности варьирования температурой от 201000°С в зонах нанесения покрытий позволяет использовать
методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий
на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого
сплава. Методы PVD универсальны также и с точки зрения
возможности нанесения гаммы монослойных, многослойных и
композиционных покрытий.

8.

Применение методов PVD для получения покрытий на режущем
инструменте существенно расширяет его технологические
возможности за счет более эффективного, чем для методов CVD,
управления процессами получения покрытий и их свойствами.
Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет
определять условия при которых достигаются наибольшее
повышение их работоспособности.
Инструменты из быстрорежущей стали с покрытиями
показывают значительное повышение стойкости при различных
видах обработки, углеродистых, конструкционных и
низколегированных сталей, а также серых чугунов низкой и
средней твердости. При обработке титановых и жаропрочных
сплавов на основе никеля, высоколегированных и
высокопрочных сплавов, эффективность от применения
инструментов с покрытием существенно ниже, а в ряде случаев
стойкость снижается.

9.

При обработке материалов, где получено повышение стойкости
инструмента, износостойкие покрытия позволяют на 20-30%
увеличить скорость резания. Наибольший эффект применения
инструментов достигается при резании с малыми значениями
толщины среза а≈0,05 мм, и средними толщинами а=0,1…0,25
мм. В первом случае за счет повышения износостойкости
задней поверхности инструмента, а во втором случае за счет
торможения роста лунки износа на передней поверхности. При
толщинах среза а=0,05…0,1 мм, а также а≈0,3 мм покрытие
интенсивно разрушается, в первом случае из-за высоких
нагрузок на покрытие со стороны задней поверхности, а во
втором со стороны передней поверхности. Эти рекомендации
необходимо учитывать при назначении режимов резания.
Твердосплавные пластины с покрытиями из карбида и
нитридов титана эффективны для большинства наиболее
распространенных видов обработки резанием
конструкционных сталей и серых чугунов, особенно для
точения, а также чистового и получистового фрезерования с
умеренными подачами.

10.

При тяжелых условиях резания, когда наблюдаются выкрашивания и
сколы и на сплавах без покрытий, эффективность пластин с
износостойкими покрытиями снижается.
Результаты испытания пластин с различными покрытиями при
обработке труднообрабатываемых материалов различных групп
обрабатываемости показывают, что, чем труднее обрабатывается
материал резанием (чем выше группа обрабатываемости), тем меньше
проявляется эффект покрытия.
Необходимо отметить, что несмотря на более высокую стоимость
инструментов с покрытием, затраты потребителя на обработку единицы
продукции по сравнению с аналогичными затратами при применении
непокрытых инструментов ниже благодаря повышению либо стойкости
инструмента, либо скорости резания и производительности обработки.
В промышленно развитых странах выпуск СМП с износостойкими
покрытиями составляет 60-90% от общего выпуска твердосплавных
пластин, и около 70% всех типов инструментов из быстрорежущей стали.