42,43

ЗАЩИТНИ И СВРЪХТВЪРДИ ВАКУУМНИ ПОКРИТИЯ И СЛОЕВЕ

(материалът е подготвен по докторската дисертация на доц.дтн Руско Шишков-РУ)

ТУ-Варна ТУ-Варна кат.МТМ кат.МТМ

“Термична обработка” Проф.дтн Р.Русев

Вакуумно и вакуумно-дифузионно метализиране

Физическата същност на процеса метализация във вакуум в най-общия смисъл на думата се заключава в получаването при понижено налягане (вакуум) на пари от вещество, които се отлагат (кондензират) върху друг материал (подложка) и формират покритие. Връзката между покритието (кондензата) и подложката се изменя с повишаване на температурата от адхезионна към дифузионна. Когато температурите са достатъчно ниски за дадената система и дифузионно взаимодействие между кондензата и подложката на практика не протича, процесът обикновено се нарича вакуумно метализиране. В този случай се говори за отлагане или получаване на вакуумни покрития, като се уточнява, че получаваното покритие е кондензат, процесът носи общото наименование - физично парно отлагане (PVD). То може да бъде допълнително активирано “плазмено подпомогнато” (PA-PVD), като паровият поток се йонизира в някаква степен, а подложката се постави под отрицателен потенциал. В последния случай процесът е прието да се нарича йонно платиране .В случаите, когато температурите са достатъчно високи (1000 – 1300оС) и продължителността на процесите е значителна (от порядъка 6 12 часа) и повече, отлаганият кондензат взаимодейства дифузионно с подложката още по време на получаването на покритието и процесът се нарича вакуумно-дифузионно метализиране. Той съвпада по температура и налягане с така нареченото химично парно отлагане (CVD).

Основни параметри на някои от методите за нанасяне на покрития при понижено налягане

Технологични пааметри:Температурата на метализация – Тм; Време на метализация – tм;Скорост на кондензация – Vк;Потенциал на подложката – Uп;Начален вакуум – Pн и работно налягане – Pр;Състав на работната атмосфера и динамичност на вакуума;Вид и състояние на подложката;Метод и схема на нагряване;Ъгъл на атака при кондензация;Други технологични параметри

22. Основни характеристики на вакуумните и вакуумно-. Основни характеристики на вакуумните и вакуумно-дифузионните покритиядифузионните покрития

Дебелина на покритието;Дебелина на покритието; Кристален строеж;Кристален строеж; Плътност и слоистост;Плътност и слоистост; Фазов състав;Фазов състав; Твърдост (микро и нано) и еластично-пластични характеристики;Твърдост (микро и нано) и еластично-пластични характеристики; Кохезия и адхезия;Кохезия и адхезия; Експлоатационни характеристики (Експлоатационни характеристики (топлоустойчивост, твърдост и топлоустойчивост, твърдост и

износоустойчивост, корозоустойчивост, механичната и износоустойчивост, корозоустойчивост, механичната и термична обработваемост, поглъщателни и радиационни термична обработваемост, поглъщателни и радиационни свойства;свойства;

Други свойства;Други свойства;

Методите за получаване на вакуумни покрития се разделят на две основни групи Методите за получаване на вакуумни покрития се разделят на две основни групи – за формиране на кондензати (вакуумно метализиране) и за формиране на дифузионни – за формиране на кондензати (вакуумно метализиране) и за формиране на дифузионни покритияпокрития - - вакуумно дифузионно метализиране. Въпреки голямото разнообразие, всички те вакуумно дифузионно метализиране. Въпреки голямото разнообразие, всички те могат да бъдат отнесени към две базови групи според характера на основните процеси – могат да бъдат отнесени към две базови групи според характера на основните процеси – получаването на насищащия елемент в активно атомарно състояние и отлагането му получаването на насищащия елемент в активно атомарно състояние и отлагането му върху покриваното изделие. Първата група са методите на така нареченото върху покриваното изделие. Първата група са методите на така нареченото физично физично парно отлагане парно отлагане PVDPVD, а втората методите на така нареченото , а втората методите на така нареченото химично парно отлагане химично парно отлагане CVDCVD . На базата на тези две основни групи методи са създадени различни разновидности, . На базата на тези две основни групи методи са създадени различни разновидности, които се различават по някои допълнителни особености и различни варианти на техните които се различават по някои допълнителни особености и различни варианти на техните комбинации .комбинации .

От групата на От групата на CVDCVD към вакуумните спадат към вакуумните спадат LPLP--CVD – CVD – химично парно отлагане при химично парно отлагане при понижено налягане, понижено налягане, PAPA--CVDCVD, което на практика е , което на практика е PAPA--LPLP--CVD – CVD – плазмено подпомогнато плазмено подпомогнато химично парно отлагане при понижено налягане (Фиг.1). Последното по същество е химично парно отлагане при понижено налягане (Фиг.1). Последното по същество е химично парно отлагане при понижено налягане в условията на нискотемпературна плазма химично парно отлагане при понижено налягане в условията на нискотемпературна плазма – тлеещ разряд. Напоследък се появяват и други разновидности като комбинации на – тлеещ разряд. Напоследък се появяват и други разновидности като комбинации на различни техники, но не са получили широко разпространение, а и по същество не внасят различни техники, но не са получили широко разпространение, а и по същество не внасят съществена промяна в механизма на процесите.съществена промяна в механизма на процесите.

Към групата на Към групата на PVDPVD също има създадени разновидности на основния процес също има създадени разновидности на основния процес чрез използване на нискотемпературна плазма – чрез използване на нискотемпературна плазма – PA-PVDPA-PVD, прилагане на преднапрежение, , прилагане на преднапрежение, преминаване от процес на отлагане през процес на платиране към процес на преминаване от процес на отлагане през процес на платиране към процес на имплантиране в зависимост от енергията на йонизираните атоми на отлаганото вещество , имплантиране в зависимост от енергията на йонизираните атоми на отлаганото вещество , използване наизползване на RF Plasma RF Plasma , пулсиращ магнетронен разряд, пулсиращ магнетронен разряд и дри др ..

Разпрашване

Кондензация

PVD

Общо получаване и йонизиране на парите

Разделно получаване и йонизиране на парите

Сублимация Изпаряване

Получаване на пари и фрагменти от

изпарявания материал

Получаване на пари само от огледалото на разтопения материал

< >Платиране -

Реакционен (Р)

Активиран (A)

Комбиниран (AР)

Елементен (E)

П р о ц е с

Фиг.2. Методи за изпаряване и метализация

ВДМВДМ

Термично изпаряване СублимацияСублимация

ДиректноДиректно

КонтактноКонтактно

Индиректно

БезконтактноБезконтактно

2

1

Фиг.3. Варианти на процеса вакуумно дифузионно метализиране (ВДМ)

Технологични варианти на процеса Плазмено вакуумно-

дифузионно метализиранеttPVDPVD = = ttDIDI

t [min]t [min] едностадиен едностепененедностадиен едностепененЕдностадиен - едностепенен технологичен

вариант на процеса ПВДМ

(tPVD – стадий на кондензация, tDI – стадий на

дифузионно взаимодействие)

T

T

[[oo C]

C] ttPVDPVD < < ttDIDI

t [min]t [min] двустадиен едностепенендвустадиен едностепенен

ttPVDPVD ttDADA

ttDIDI

Двустадиен - едностепенен технологичен вариант на процеса

ПВДМ

(tPVDtPVD – стадий на кондензация, tDItDI – стадий на дифузионно

взаимодействие,

tDAtDA – допълнително дифузионно отгряване)

T

T

[[oo C]

C]

ttPVD PVD = = ttDIDI

t [min]t [min] едностадиен двустепененедностадиен двустепенен

ТТ11

ТТ22T

T

[[oo C]

C]

Едностадиен - двустепенен технологичен вариант на

процеса ПВДМ

(tPVDtPVD – стадий на кондензация, tDItDI – стадий на

дифузионно взаимодействие)

ttPVDPVD или ttDIDI

t [min]t [min] двустадиен- двустепенендвустадиен- двустепенен

ТТ11

ttPVDPVD

ttDADA

ttDIDI

T

T

[[oo C]

C]

Двустадиен - двустепенен технологичен вариант на процеса ПВДМ

(tPVDtPVD – стадий на кондензация, tDItDI – стадий на дифузионно

взаимодействие,

tDAtDA – допълнително дифузионно отгряване)

Технологични съоръжения за Плазмено вакуумно дифузионно

метализиране (ПВДМ)

ЕЛ изпарителни системи с плазмиране на паровия поток: а/ дъгов плазмен източник без катодно петно (SAD), б/ кух катод (HAD), в/ червен (горещ) катод

(RAD)

Обща принципна схема на ВЕП-1: 1-вакуумдатчици; 2-вакуумкамера; 3-

топлоизолационна камера; 4-графитов нагревател; 5- магнетрон; 6- мишена; 7- подложки-изделия; 8-

термоелемент

Вакуумна еднокамерна пещ за ПВДМ , ТО и ХТО (ВЕП-1)

Общ вид на двукамерна вакуумна пещ СНВ-3.4.3/13,

Принципна схема на двукамерна пещ СНВ-3.4.3/13, окомплектована за ПВДМ, ТО и ХТО: 1- предкамера; 2- преден капак; 3- транспортиращо устройство; 4- палет с детайли; 5- бъркалки; 6- нагревател на маслото;

7- охладител на маслото; 8- вакуумен шибър; 9- топлоизолационен екран на шибъра; 10- нагревателна камера; 11- топлоизолационна

камера; 12- втулки изолационни; 13- токопроводи; 14- високоволтов електрод; 15- врата на нагревателната камера; 16- топлоизолационен екран на капака; 17- носач за палета с детайли; графитов нагревател;

19- вентилатори; 20- МРС; 21- система за газонатичане.

[

m]

кондензат

T [oC]

ЗДВк

(Cr,Fe)7C3

+ Cr-Fe

2кп Fe-Cr + (Cr,Fe)7C3

1пк(Cr,Fe)23C6

(Cr,Fe)7C3 Cr-Fe

+

Армко Fe

T600оС T600оС T650оС T750оС

3-“C”1-“Cr”

2-“Fe”

(Cr,Fe)7C3

[(Cr,Fe)7C3 + Cr-Fe]

Fe

ЗДВпFe-Cr

(+ перлит)

T850оС

1кпFe-Cr + (Fe,Cr)3C (Cr,Fe)7C3 +

Кинетика на дифузионното взаимодействие между хром-карбиден

кондензат и подложка от Армко Fe с повишаване на температурата

на метализация при ПВДХ-Р с продължителност 90 min.

[

m]

кон

ден

зат

T [oC]

ЗДВп

ЗДВк

_(Cr,Fe)N + (Cr,Fe)2N

кп

(Cr,Fe)2CN +Cr7C3

стом

ана

T4=600oC

3-“Cr”1-“N”

2-“C”

Fe + карбиди-(Fe,Cr) + карбиди

пк(Cr,Fe)2CN

T7=850oC

Vk1

Vk2

T5=650oC T5=750oC

T5=500oC

T2=450оС T5=550oC

(Cr,Fe)2CN +(Cr,Me)N

(Cr,Me)2N (Cr,Fe)2CN О К

ВДП с ОКПрП

(Cr,Fe)N

ПДС

Кинетика на дифузионното взаимодействие между кондензат на (Cr,Me)N и подложка

от Х12М при ПВДХ-Р с повишаване на Тм при tм = 60 min