CC BY
193
УДК 621.793.72
Береговский В.В., Дужшельников Д.В., МарахтановМ.К., Щуренкова С.А.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЫ В ПОКРЫТИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ОСАЖДЕНИЯ НА УСТАНОВКАХ ТИПА НИВ И Шіїі П80
Введение
В современной промышленности широкое распространение имеет метод ионного осаждения покрытий с использованием вакуум но-дугового разряда. Получаемые этим методом покрытия используются для упрочнения режущего инструмента, нанесения триботехнических и защитных покрытий на детали машин [1, 2]. Основным недостатком этого метода является наличие капель (капельной фазы) в продуктах эрозии катода, которые приводят к снижению свойств покрытий [3-7]. Установки ЛЯС-РУО последнего поколения все чаще оснащаются дуговыми испарителями, имеющими системы управления траекторией движения катодного пятна по поверхности катода. Считается, что подобные системы значительно сокращают долю капельной фазы в потоке испаренного материала и, следовательно, в самом покрытии.
В настоящей работе был проведен сравнительный анализ состава капельной фазы в покрытиях, получаемых на двух, различных по конструкции катода, установках с дугой, управляемой магнитным полем при одинаковых физических условиях (ток разряда) и равных толщинах осажденных покрытий. Определены размеры и форма капель, было найдено распределение капель по размерам, а также числэ капель каждого размера на единицу площади. Данная методика может быть использована для определения параметров капельной фазы в покрытиях, получаемых на различных промышленных установках, а также для оптимизации технологических процессов и конструкций дуговых испарителей. Результаты работы позволяют, исходя из требований к покрытиям, сделать более правильный выбор конструкции дугового испарителя и в целом оборудования.
Эксперимент
Эксперименты проводились на установках ННВ 6.6 И1 и Р1аШ ж 80.
Установка ННВ 6.6 И1 оснащена тремя торцевыми дуговыми испарителями с конусными катодами диаметром 80 мм. Стабилизация катодного пятна на испаряемой поверхности катода осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитной катушкой. В установке ННВ 6.6 И1 удельная мощность, приждя-щая на катод при выбранных параметрах напыления составляет 2,5-105 Вт/м2. Оценки показывают, что при толщине титана, равной 40 мм, температура внешней поверхности катода может быть Г=470-500°С. Тангенциальная к поверхности катода составляющая индукции магнитного поля имеет величину 5=2-3 мТл. Нормальная к поверхности катода составляющая индукции магнитного поля имеет величину 5=10-11 мТл.
Установка Р1а1:й л-80 содержит два вращающихся
протяженных цилиндрических водоохлаждаемых катода . Магнитное поле создается постоянными магнитами. Управление движением катодного пятна производится за счет вертикального перемещения магнитной системы по катоду и вращением самого катода. Подробная схема установки и принцип работы представлены в [8, 9]. В установке РЫй л-80 удельная мощность, приходящая на катод из плазмы, составляет 1,1 • 104 Вт/м2. Оценки показывают, что при толщине стенки катода из титана 20 мм температура поверхности может быть 7=35-40°С. Тангенциальная к поверхности катода составляющая индукции магнитного поля имеет величину 5=11-12 мТл. Нормальная к поверхности катода составляющая индукции магнитного поля имеет величину В=12-14 мТл.
Покрытия из ТШ осаждались на полированные образцы размером 15х15х2 мм, изготовленные из нержавеющей стали марки 88304. Покрытия осаждались при равных давлениях азота и токах разряда. Давление азота во время напыления составляло 2• 10-1 Па, ток разряда 120 А, напряжение 24 В. Толщина покрытий для обеих установок составила 3 мкм.
Для изучения морфологии поверхности покрытий использовался электронный микроскоп ЖОЬ 18М6060Л (Япония), толщину покрытия определяли методом «ступеньки» с помощью профилометра «Модель 70622» тип 2 завода «Калибр».
На рис. 1 показана микрофотография поверхности покрытия, осажденного на установке ННВ. Фотография сделана при увеличении 1000. Как видно из рисунка, покрытие содержит мелкие сферические и крупные расплющенные капли, а также небольшое количество кратеров.
Рис. 1. Микрофотография поверхности покрытия, полученного на ННВ, х1000
На рис. 2 представлены микрофотографии покрытия, полученного на установке Р1аЙ я80. Фотографии сняты при увеличении 800 и 3000. Из рис. 2 видно, что покрытие, полученное на установке Р 1a1.it ж80, в основном содержит мелкие капли и кратеры. Большая часть капель имеет форму, близкую к сферической, что говорит о том, что капли успевали остыть за время полета до поверхности образца. Однако присутствуют и более крупные, расплющенные капли разме-
ром до 7,7 мкм (рис. 2, б). Содержание таких капель менее 1%. Размер капель в покрытии в основном не превышает 3 мкм, при этом большая часть капель (около 55°%) имеют диаметр 0,5 - 1 мкм.
Определение параметров капельной фазы
Для расчета была принята следующая модель: капли и кратеры представлялись в виде сфер, объем которых определялся по диаметру правильных окружностей, описанных вокруг капли или кратера. Возникновение кратеров может быть вызвано выпавшими остывшими каплями, поэтому при расчете капельной фазы учитывались и кратеры, которые, в рамках данной работы, считались составляющими капельной фазой.
Область исследования капель ограничивалась прямоугольником, а капли, расположенные внутри прямоугольника, выделялись правильными окружностями. Затем производился подсчет капель с различными диаметрами.
В результате подсчета капель различных диаметров в нескольких произвольно выбранных прямоугольниках для установок ННВ и Р1а1± я80 было получено распределение капель по диаметрам (рис. 3). Из распределения для установки Р1а1:й я80 видно, что размер капель в исследуемых покрытиях, в основном, не превышает 3 мкм, при этом большая часть капель (около 55%) имеет диаметры
0,5-1 мкм. Максимальный размер капель в покрытии 7,7 мкм, содержание таких капель менее 0,3%.
Капли в покрытиях, полученных на установке ННВ, имеют более широкий разброс по диаметрам. Большая часть капель (около 27%) имеет диаметры 1-1,5 мкм, значительное количество капель (18%) -диаметры 1,5-2,5 мкм. Таким образом, основное количество капель (около 75%) имеют диаметры 13 мкм. Максимальный размер капель, обнаружен-ныхв покрытии, 16-18 мкм, такихкапель менее 1%.
Для обеих установок была произведена оценка количества капель каждого диаметра, приждяще-гося на единицу площади. Результаты представлены на рис. 4. Из рис. 4 видно, что количество мелких капель в покрытиях, полученных на установке Р1а1± я80, на порядок выше, чем для установки ННВ. Это жрошо согласуется с работами [4, 5], где было обнаружено, что при уменьшении размера капель возрастает их количество.
Был проведен анализ относительного содержания капель в объеме покрытия, при этом, аналогично работе [10], учитывались капли, замурованные в толще покрытия. В результате установлено, что относительное содержание капель в объеме покрытия, полученного на установке ННВ, составляет 7,4%, а на установке Р1аЙ я80 - 9%.
Обсуждение
Отличия параметров капельной фазы в полученных покрытиях, по нашему мнению, могут быть обусловлены:
- различными скоростями движения катодного пятна, определяемыми различными величина -
б х 3000
Рис. 2. Микрофотография поверхности покрытия, полученного
на Р!аШ п80
. ■ ■ ■
£
:
6
I llcirjMiR.ll. і Л НА I*-] 1-4*. к:|||и.П.. ЫКЫ
п - установка ИаШ л80; п2 - установка ННВ Рис. 3. Распределение капель по диаметрам
ми магнитных полей испарителей;
- различными условиями охлаждения катода; | -различнымиусловиями конденсации покрытия, g Для установки ННВ величина тангенциальной к ! поверхности катода составляющей магнитной ин- i дукции невелика, 2-3 мТл, поэтому и скорость дви- £ жения катодного пятна (КП) будет небольшой, 6- !
7 м/с. Оценку скорости можно провести по фото СКО- 3 ростной камеры и величине времени экспозиции, I приведенными в работе [11]. При большей величине, = 11мТл, тангенциальной к поверхности катода со- ± ставляющей индукции магнитного поля (в установке | Platit 71-80) возрастает скорость движения КП (груп- J пы КП), скорость КП можно оценить как 20-25 м/с [12]. Таким образом, для установки Platit 71-80 скорость КП в 3-4 раза больше, чем для ННВ. При этом уменьшается время нажждения КП в одном месте и размер кратеров, которые оставлжт КП на поверхности катода [12]. Это может приводить куменьшению размера капель, выбрасываемых из кратера.
Температура катода установки ННВ составляет 470-500°С, температура катода установки Platit л-80 порядка 35-40°С. Интенсивное охлаждение катода, которое обеспечивается небольшой его толщиной и постоянным вращением относительно области испарения, также способствует снижению количества испаряемого материала и размера капель.
При большей толщине и неподвижном катоде, а следовательно, и более высокой температуре его рабочей поверхности (470-500°С) может возникнуть перегрев катода, изменение режима горения дуги, вследствие чего испарение материала из кратера катодного пятна в виде паровой (или ионной) фазы может происходить более интенсивно, что приводит к снижению относительного содержания капель в покрытии и ихукрупнению.
Кроме того, на процесс каплеобразования оказывают влияние условия конденсации покрытия. Плазма вакуумной дуги имеет высокую степень ионизации [3]. При конденсации покрытия из интенсивного ионного потока на подложке могут возникать различные образования в виде капель, конусов, усов и т.п. (см. верхний правый угол на рис. 1).
Выводы
1. Покрытия, полученные на установке Platit л-80, имеющей хорошо охлаждаемый катод большой площади и величину тангенциальной к поверхности катода составляющей магнитного поля 11-12 мТл, со-
Список литературы
1. Дороднов А.М. Некоторые применения плазменных ускорителей в технологии // Физика и применение плазменных ускорителей. М.: Наука и техника, 1974. С. 330-365.
2. Вакуумные сильноточные плазменные устройства и их применение в технологическом оборудовании микроалек-троники / Блинов И.Г., Дороднов AM., Минайчев В.Е., Ми-рошкин С.И., Мубояджян С.А., Помелов Я.А М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1974. Ч. I и II.
3. Сакса ганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.
4. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия // Андреев АА,
ИнГ^МШ ЛЛЯВДфПГ- ЧКИ
s - установка Platit я80; s2 - установка ННВ
Рис. 4. Распределение капель каждого диаметра на единицу площади
держат около 55% капель диаметром 0,5 - 1 мкм, а максимальный диаметр капель покрытия в основном не превышает 3 мкм. Относительное содержание капель в объеме покрытия составляет 9%.
2. Покрытия, полученные на установке ННВ 6.6 И1, у которой охлаждение катода затруднено и величина магнитной индукции невелика (2-3 мТл), содержат около 46% капель с диаметром 1-2 мкм, а максимальный диаметр капель может превышать 8 мкм. Относительное содержание капель в объеме покрытия составляет 7,4%.
3. Разница в параметрах капельной фазы в покрытиях может быть объяснена различными скоростями движения катодного пятна, которые определяются различными величинами магнитных полей в испарителях, а также различными условиями охлаждения катода и конденсации покрытия.
4. Исходя из количественного состава капельной фазы в покрытии для требований к повышенной твердости и сплошности покрытий можно рекомендовать системы типа ННВ с торцевыми катодами и невысокой скоростью движения катодного пятна.
Для триботехнических покрытий, где важны именно поверхностные характеристики покрытия (антифрикционные, износостойкие), можно рекомендовать системы с вращающимися протяженными цилиндрическими катодами, с высокой скоростью перемещения катодного пятна, низкой температурой катода.
List of literature
1. Dorodnov A.M. Certain uses of plasma accelerators in technology // Physics and uses of plasma accelerators. M.: Science and technics, 1974. P. 330-365.
2. Vacuum high-current plasma installations and their uses in the technological equipment of microelectronics / Blinov I.G., Dorodnov A.M., Minaichev V.E., Miroshkin S.I., Muboyadz-hyan S.A., Pomelov A.A. M.: Edition of the Central Research Institute "Electronics", 1974. Parts 1 and 2.
3. Saksagansky G.L. Electrophysical vacuum pumps. M.: Enegyatomedit, 1988. P. 280.
4. Vacuum and arc installations and coatings // Andreev A. A.,
Саблев Л.П., Шупаев В.М., Григорьев С.Н. Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2005. 236 с.
5. Хороших В.М. Капельная фаза эрозии катода стационар -ной вакуумной дуги// Физическая инженерия поверхности. 2004. Т. 2. № 4. С. 200-213.
6. Аксенов А.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы. Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2005. 212 с.
7. Аксёнов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Формирование
потоков металлической плазмы: Обзор. М.:
ЦНИИатоминформ, 1984. 84 с.
8. Сайт фирмы PLATIT: [http://www.platit.com], 07.06.2008.
9. Локтев Д. А. Наноструктурные покрытия высокопроизводительного инструмента // Стружка. 2004. № 4(7). С. 12-17.
10. Исследование капельной фазы эрозии катода стационарной вакуумной дуги / Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е. идр. // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 8. С. 1530-1533.
11. Марахтанов М.К., Марахтанов А.М. Эффект термоэлектронного вентиля и ритм катодного кратера в низковольтной вакуумной дуге с холодным катодом // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. В. 14.
12. Структура и особенности движения катодного пятна вакуумной дуги на протяженном титановом катоде / Духо-пельников Д.В., Жуков А.В., Кириллов Д.В., Марахтанов М.К. // Измерительная техника. 2005. № 10. C. 42-44.
Sablev L.P., Shulaev V.M., Grigoriev S.N. Khapkov: NNC "CPTI", 2005. P. 236.
5. Khoroshikh V.M. Drop phase of the cathode erosion of the stationary vacuum arc // Physical engineering of the surface. 2004. V. 2. № 4. P. 200-213.
6. Aksenov A.I. Vaccum arc in the erosion sources of plasma. Kharkov: NNC "CPTI", 2005. P. 212.
7. Aksenov I.I., Padalka V.G., Khoroshikh V.M. The formation of metal plasma stream: Review. M.: Central Research Institute atominform, 1984. P. 84.
8. Site of the firm PLATIT : [http://www/platit.com], 07.06.2008.
9. Loktev D.A. Nanostructural coatings of the highly-productive instrument // Chipping. 2004. № 4(7). P. 12-17.
10. Drop phase research of the cathode erosion of the stationary vacuum arc / Aksenov I.I., Konovalov I.I., Kudryavtseva E.E. and others // ZTF. 1984. V. 54. № 8. P. 1530-1533.
11. Marakhtanov M.K., Marakhtanov A.M. The effect of thermoe-lectronic valve and the rhythm of the cathode crater in the low voltage vacuum arc with a cold cathode // Letters to ZTF. 1998. V. 24. V. 14.
12. Structure and peculiarities of the cathode spot movement of the vacuum arc at the extensive titanic cathode / Dukhopel-nik D.B., Zhukov A.V., Kirillov D.B., Marakhtanov M.K. // Instrumentation technology. 2005. № 10. P. 42-44.
УДК 621.785.533
Цих С.Г., Гришин В.И., Лисицкий В.Н.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБОНИТРАЦИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА В МАШИНОСТРОЕНИИ
Карбонитрация - высокоэффективная технология поверхностного упрочнения деталей машин, штампо-вой и прессовой оснастки различного назначения, режущего инструмента. Ее применение взамен газового азотирования позволяет многократно сократить длительность цикла обработки и повысить эксплуатационные свойства упрочняемых деталей.
История низкотемпературного процесса жидкостного азотирования берет начало с 30-х годов прошлого столетия, когда Д.А. Прокошкин [1,2] сообщил о технических возможностях жидкостного цианирования, его простоте и высокой эффективности. Впервые было отмечено, что поверхностное упрочнение при низкотемпературном процессе связано не с формированием мартенситных структур, как в случае высокотемпературного цианирования, а с образованием нитридов и карбонитридов, и сам процесс протекает в условиях, исключающих а ^ у превращение, как это имеет место при других видах поверхностного упрочнения (цементация, ни тр о цементация, высокотемпературное цианирование, поверхностная закалка). Поэтому локальные разогревы в месте контакта при трении, контактном нагружении не приводят к местному разупрочнению азотированных и карбонизированных слоев, чего нельзя избежать в случае мартенситных структур, получаемых при закалке. Это объясняет и предельно малые величины деформации и коробления деталей при низкотемпературном насыщении деталей азотом (газовое азотирование) и азотом и уг-
леродом (жидкостное азотирование, карбонитрация).
Широкое освоение технологии низкотемпературного цианирования сдерживалось использованием в составе расплава высоко токсичных цианидов. В 50-х годах XX в. фирма «Дегусса» (ФРГ) внесла коррективы и предложила состав ванны, содержащий наряду с цианидами 50% цианатов щелочных металлов, и тем самым положила начало знаменитому «Тенифер» процессу - «мягкому азотированию». По сравнению с цианированием «ядовитость» процесса сократилась вдвое и он был принят на более чем 1000 машиностроительных предприятиях многих западных стран и Японии. Учитывая высокую эффективность технологии жидкостного азотирования в плане существенного повышения эксплуатационных свойств деталей, технологичность, экономичность и простоту процесса, в дальнейшем развитие технологии было направлено на поиск состава расплава на неядовитой основе.
В результате исследования химизма процесса низкотемпературного цианирования было установлено, что реакции в расплаве идут путем окисления:
2 КСК + О2 = 2 КСШ (1)
2 КОЧО + О2 = К2СО3 + 2 N + СО (2)
2 СО = СО2+ С (3)
с выделением атомов азота и углерода в результате
окисления цианата. Не сам цианид калия (КС^, а продукт его окисления - цианат калия (KCNO) - является поставщиком активных атомов азота и углеро-
