Метрологическое обеспечение процессов нанесения алмазного покрытия катионным генератором Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.3 (075.3)

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ КАТИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ

А. И. Шевелева1, Б. Н. Казьмин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: 1shevelevaanna@inbox.ru

Определено необходимое метрологическое обеспечение процессов нанесения алмазного покрытия катионным генератором для достижения единства и требуемой точности измерений.

Ключевые слова: катионный пучок, алмазные покрытия, катионный генератор.

METROLOGICAL ENSURING PROCESSES OF DIAMOND COATINGS

CATIONS GENERATOR

A. I. Sheveleva1, B. N. Kazmin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 1shevelevaanna@inbox.ru

It determines the need for metrological maintenance processes applying diamond coating cation generator to achieve the unity and the required measurement accuracy.

Keywords: cationic beam, diamond coatings, cationic generator.

Углеродные алмазные покрытия обладают рядом уникальных свойств, в числе которых высокие твердость, теплопроводность и износостойкость, низкий коэффициент трения. Кроме того, алмазные покрытия под воздействием катионных пучков образуют вторичную электронную эмиссию, которую можно использовать для увеличения генерирующих мощностей, а также в электронной технике, широко применяемой в космическом приборостроении.

Достаточно качественные алмазные образуются при использовании ионно-лучевых методов осаждения. В этом случае на поверхность подложки, температура которой 25...30 °С, направляется поток ионов углерода, имеющих энергию 20.100 эВ. При энергии от 50 до 70 эВ плотность покрытий имеет максимальное значение, что свидетельствует о минимальном содержании графитовой фазы, и быстро уменьшается при увеличении энергии ионов свыше 70 эВ [1].

Разработана схема процесса нанесения алмазных покрытий катионным генератором. Данная установка позволяет формировать алмазные покрытия осаждением углерода на поверхность изделия. Устройство содержит: аксиальный анод «А»; аксиальный катод «К», рабочие катоды К1 и К2, рабочие аноды А1 и А2, подложка (изделие); 6 - коммутатор фазоинверторный; 7 - графитовый электрод; 8 - магнитоиндукционный измеритель; 9 - осциллограф DS 1052 E; 10 - цилиндр фарадея; 11 - регулируемый преобразователь анодного напряжения; 12 - регулируемый преобразователь катодного напряжения; РПЭД -регулируемый преобразователь электрической дуги; БПЭ - блок поджига электрической дуги (осциллятор); ВК - вакуумная камера. В камере создается вакуум при давлении равном 0,13 Па, контролируем давление в камере с помощью вакууметра ОКВ - 1, заполняем камеру углеродом под давление не более 1 Па с помощью вакуумного натекателя, предназначенного для обеспечения напуска газа в вакуумную камеру с величиной потока в строго заданном небольшом диапазоне. Через осциллятор поджигаем электрическую дугу высоковольтной искрой. Между графитовыми электродами, анадом и катодом горит электрическая дуга. Создается ионизированная среда (разряженный углеродный газ), формирующая пучок катионов и пучок электронов. Пучок катионов направляется на аксиальный катод «К» и ускоряется полем рабочих катодов К1 и К2, на которые подается напряжение 150 - 200 В через блок питания. Под действием ускоряющего напряжения на катодах

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

К1 и К2 катионы в пучке разгоняются до требуемой скорости и первые катионы осаждаются на мишень, адгезируя с поверхностью, затем следующие катионы ударяются о уже осажденные катионы и создают алмазное покрытие. Одновременно с этим анодным полем «электронной пушки» из ионизированной рабочей среды формируется электронный пучок, энергию которого преобразуют в электроэнергию сети катионного генератора с помощью цилиндра Фарадея и тиристорного преобразователя. Цилиндр устанавливается в вакууме. При измерениях на него выводится пучок частиц и измеряется заряд, преобразует электронный поток в ток и создает напряжения, направляя на коммутатор преобразующий его в электроэнергию сети [2].

Схема метрологического обеспечения процесса нанесения алмазного покрытия катионым генератором представлена на рисунке.

Схема метрологического обеспечения процесса нанесения алмазного покрытия катионым генератором: 1 - аксиальный анод «А»; 2 - аксиальный катод «К»; 3 - рабочие катоды К1 и К2; 4 - рабочие аноды А1 и А2; 5 - подложка (изделие); 6 - коммутатор с фазоинвером; 7 - графитовый электрод; 8 - измеритель параметров катионого пучка; 9 - осциллограф Б8 1052 Е; 10 - цилиндр фарадея; 11 - регулируемый

преобраователь анодного напряжения; 12 - регулируемый преобразователь катодного напряжения; БПЭД - блок поджига электрической дуги (осциллятор); РПЭД - регулируемый преобразователь напряжения электрической дуги; ВК - вакуумная камера

Для контроля параметров в процессе нанесения алмазных покрытий катионным генератором необходимо выбрать средства измерения. Любые измерительные приборы помогают проверить не только точность и правильность научных выводов, но и с помощью них производится необходимый контроль и управление определенными технологическими процессами. Для установки катионного генератора подходит вакуумметр компрессионный образцовый ОКВ-1, предназначен для воспроизведения и измерений абсолютного давления неконденсирующихся и неагрессивных разреженных газов в диапазоне от 7-10 до 100 Па. Амперметр позволит измерить и проконтролировать силу электрического тока на электрической дуге и на поверхности изделия. Вольтметр предназначается для измерения напряжения на электрической дуге, аксиальном аноде, рабочих анодах и рабочих катодах. Чтобы управлять параметрами катионного пучка применяем осциллограф 1052 Е, позволяющий контролировать напряжение, ток и скорость катионного потока.

Основные области применения покрытий, формируемых из плазмы импульсного катодно-дугового разряда: машиностроение - для получения износостойких и антифрикционных слоев, в качестве защитных и декоративных покрытий; медицинское оборудование и инструмент - защитные, совместимые с живыми тканями покрытия для протезов; оптическое приборостроение - фильтры, селективная оптика [3].

В процессе работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводит к частичному или полному износу последней. Существу-

ет ряд технологических способов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение, наиболее прогрессивным и эффективным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из твердых соединений, в данном случаи нанесение алмазных покрытий.

Библиографические ссылки

1. Ковбасюк Н. В. Метрологическое обеспечение и контроль качества материалов и изделий : монография, 2010.

2. Григорьев Ф. И. Осаждение тонких пленок из низкотемпературной плазмы и ионных пучков в технологии микроэлектроники : учеб. пособие ; Моск. гос. ин-т электроники и математики. - Москва, 2006.

3. Белый А. В., Карпенко Г. Д., Мышкин Н. К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М. : Машиностроение, 2006.

© Шевелева А. И., Казьмин Б. Н., 2016