CC BY
16
УДК 621.793.7
О. В. Сагалович1, О. В. Кононих1н1, В. В. Попов1, C. Ф. Дудтк2, В. В. Сагалович1
1 ВАТ «ФЕД», 2 ННЦ «ХФТ»; м. Xapnie
ТЕХНОЛОГ1ЧН1 СХЕМИ ФОРМУВАННЯ БАГАТОШАРОВИХ ПОКРИТТ1В «AVINIT»
Сформульовано вимоги до технологи отримання багатошарових noKpummie в залеж-Hocmi eid ¿х функцюнального призначення, зокрема, для змщнюючих, надтвердих, зносостшких i антифрикцшних noкpummiв. Для формування багатошарових багатокомпонент-них noкpummiв запропоновано основы mехнoлoгiчнi схеми та iх ваpiацii в залежнocmi вiд типу тдкладинки (рухома або нерухома), складу багатошарових та наношарових багато-компонентних noкpummiв та особливостей застосування цих схем з урахуванням вимог щодо забезпечення неoбхiднuх властивостей noкpummiв в залежнocmi вiд iх функщонального призначення. 3 використанням запропонованих mехнoлoгiчнuх схем отримано багато-шаpoвi покриття «Avinit» piзнoгo складу i будови для до^дження iх властивостей, зокрема, mpuбoлoгiчнuх характеристик в piзнuх парах тертя та з 'ясування можливостей ¿х застосування у якocmi зносостшких та антифрикцшних noкpummiв для пар тертя преци-зшних вузлiв агрегатобудування та двигунобудування.
Клиочовй слова: вакуум-плазмовi, багатокомпонентш багатошаровi, нанoшаpoвi покриття.
Сучасш дослщження в галуз1 створення но-вих матер1ал1в з рекордними характеристиками по шорсткосп, зносостшкосп, можливосп пра-цювати в екстремальних умовах пов'язаш з на-прямком нанотехнологш, що дозволяють фор-мувати багатокомпонентт композици 1з струк-турними елементами, яы мають розм1ри вщ де-кшькох сотень до одиниць нанометрiв. Таи ма-тер1али, порiвняно iз матер1алами такого ж складу iз звичайною структурою можуть мати в декшька раз1в вищ1 вщповвдт характеристики по трибо-лог1чним та шшим властивостям.
Дуже актуальна проблема створення нових матерiалiв для агрегатобудування та двигунобудування. Перехвд до виробництва нових конст-рукцш i агрегатiв потребуе суттевого щдвищен-ня над1йност1 i ресурсу цих систем, що немож-ливо без створення нових матер1ал1в 1з значно п1двищеними характеристиками, перш за все, триболопчними властивостями.
Найбшьш усшшне виршення цих проблем забезпечують технолог]! модифжування поверх-невих шарiв контактуючих матерiалiв i нанесен-ня зносостшких та антифрикщйних покритпв для покращення триботехтчних характеристик пар тертя.
Серед методов нанесення покритпв особливе м1сце займають методи формування покритпв з ютзованих атомарних та молекулярних потокв. Можлив1сть змшювати енерпю 1он1зованих час-ток потоку конденсовано! речовини в широких межах (вщ одиниць до сотень тисяч ев) дозво-ляе ефективно впливати на б1льш1сть важливих у практичному в1дношенн1 характеристик по-
критпв (щшьшсть, адгез1ю, структуру тощо) i завдяки цьому досягати високих значень цих показникiв.
Попереднi нашi дослiдження [1-4] показують, що найбшьш перспективний напрямок — роз-роблюeмi нами комплекснi методи нанесення покритпв (плазмохiмiчнi CVD, вакуум-плазмовi PVD (вакуум-дуговi, маIнетроннi), процеси юнно-го насичення та iонноi обробки поверхт), об'eднанi в одному технолопчному циклi. Щ методи да-ють змогу спрямувати основнi зусилля на фор-муваннi нано- та мжрошарових багатокомпонент-них покритпв, як найбшьш перспективних для досягнення необхщних функцюнальних характеристик. Hаношаровi нанокомпозицiйнi покриття (практично з будь-яких елеменпв, туIоплавкi оксиди, карбiди, нiтриди, металокерамчт ком-позици на основi тугоплавких металiв i оксид1в) мають великий потенщал у створеннi матерiалiв з унжальними властивостями, в т.ч. виключною твердiстю, мiцнiстю, хiмiчною стабiльнiстю, низь-ким коефiцieнтом тертя та високою зносостшю-стю, завдяки можливостi сполучення у рiзнома-нiтних комбiнадiях рiзних матерiалiв i варiювання товщини шарiв.
В данiй роботi основна увага зосереджена на розглядi технологiчних особливостей i техноло-гiчних схем отримання багатокомпонентних багатошарових покриттiв.
1 Технолопчш схеми формування багатошарових покритпв
Tехнологiчнi схеми формування багатошарових багатокомпонентних покритпв в даному ви-
© О. В. Сагалович, О. В. Кононихш, В. В. Попов, C. Ф. Дудшк, В. В. Сагалович, 2011
падку сл!д розглядати як сукупн1сть дш та ре-жимiв роботи обладнання, як1 можуть забезпе-чити формування багатошарових та наношаро-вих покритт1в з урахуванням специф1чних ви-мог до покриттв. Це питання будемо розглядати з прив'язкою до характеристик технолог1чного обладнання «ЛушЬ», наведених у робот1 [5].
Формування багатошарових покритт1в може вщбуватися р1зними шляхами в залежност1 в1д можливостей обладнання, складу окремих шар1в, 1хньо1 посл1довност1, розмр1в, пер1оду повторю-ваност1 або деяких 1нших специф1чних вимог до покриття.
Одна з найпростших схем формування нано-шарових покритт1в, як1 являють собою по-сл1довн1сть з однокомпонентних шар1в з того чи шшого елементу, потребуе обладнання, яке повинно мати юльюсть джерел напилення в1дпо-в1дно до кшькосп р1зних елементв, з яких фор-муються окрем1 наношари, 1 схему керування !х роботою 1з заданою посл1довн1стю та 1нтервала-ми циклу «робота-пауза», синхрон1зованою мтж собою у час1. В такш схем розрахункова товщи-на окремого шару буде визначатися сп1вв1дно-шенням V , де V { — швидк1сть росту покриття при робот1 1-го джерела напилення, ^ — штервал роботи цього джерела. Швидюсть росту покриття в залежност1 в1д типу джерела напилення, вщсташ в1д джерела до щдкладинки та 1нших параметр1в мае широк1 меж1 сво!х значень в1д одиниць до сотень мкм/год. В1дпов1дно товщи-ни наношару 2—5 нм, як1 приводяться в експе-риментальних дослщженнях по наношаровим покриттям 1 який можна з певним допуском роз-глядати ще як мономатер1ал, м1н1мальний час роботи для формування наношару зазначено! вище величини може складати в1д 0,1 до 10 сек.
При формуванш покритт1в за описаною схемою на обладнання можуть накладатися додат-ков1 вимоги щодо просторового розмщення джерел напилення в залежност1 в1д того, рухаеться (обертаеться) тдкладинка або нерухома.
Якщо пвдкладинка обертаеться, то джерела не обов'язково розм1щувати в одн1й площин1 по вщношенню до поверхш пщкладинки або, в край-ньому випадку, в сектор1 з кутом < 180 як це потр1бно в раз1 нерухомо! шдкладинки. Разом з тим при обертанн1 п1дкладинки треба враховува-ти частоту оберт1в 1 скважн1сть сигнал1в керу-вання роботою окремих джерел. Обертання шдкладинки, само по соб1, теж може розгляда-тися як один 1з прийом1в, що дозволяе форму-вати шаров1 покриття. Якщо наношари представ-ляють собою багатокомпонентний матер1ал, то тут можуть використовуватися декшька схем !х формування в залежност1 в1д способу досягнен-ня заданого складу наношар1в. При використанн1 вихщних матер1ал1в (мшеней) в джерелах напи-
лення, що вщповвдають заданому складу нано-шар1в, схема та вимоги до системи керування обладнанням формування наношар1в в цьому випадку не в1др1зняються в1д випадку форму-вання однокомпонентних наношар1в. Такий спос1б мае ряд позитивних рис, але в1н потребуе виготовлення катод1в чи м1шеней в1дпов1дного складу, 1 при проведент, наприклад, дослщжень залежност1 характеристик покритт1в в1д складу наношар1в це потребуе наявност1 цшого ряду мшеней р1зного складу. 1ншим обмеженням ви-користання такого способу е неможлив1сть мета-лургшним чи 1ншим прийнятним способом ви-готовити катод (м1шень) з заданим вмтстом компонент та ввдповщно! якост1, як у випадку, наприклад, метал-оксидних, метал-ттридних 1 т.п. композиц1йних матер1ал1в. Формування покритт1в з таких композиц1йних матер1ал1в значно про-ст1ше реал1зувати з залученням плазмох1м1чних способ1в при реакцшному способ1 нанесення покриттв. В цьому випадку система керування про-цесом формування нанопокритт1в повинна за-безпечити скориговану у час1 роботу як джерел напилення, так 1 системи напуску одного або де-к1лькох газ1в до заданого р1вня тиску з пер1о-дичн1стю та часом у в1дпов1дност1 до зроблених вище оц1нок при розгляд1 схеми формування однокомпонентних шар1в. Тут треба мати на уваз1 тльки той факт, що, якщо тиск в вакуумн1й камер! можна зб1льшити з р1вня 10-3-10-4 Па, на-приклад, для вакуум-дугового методу напилення однокомпонентних металевих покритт1в, до р1вня на 2-3 порядки бшьшого, характерного для реактивного напилення, можна за час < 0,1 сек, то для поновлення тиску до початково! величини потр1бно значно бшьше часу, який буде визначатися об'емом вакуумно! камери та потужн1стю
засоб1в вщкачки: т = Ук— V, де т — час вщкач-Ро/
ки в с, Vk — об'ем вакуумно! камери, ро — тиск
до напуску реакц1йного газу, р — тиск п1сля напуску реакцшного газу в вакуумну камеру, V— швидк1сть в1дкачки вакуумно! камери в л/с.
Тому, якщо е потреба при формуванш нано-структурних покриттв уникнути м1ж шарами про-шарк1в 1з змшною концентрац1ею внаслщок змши тиску в вакуумнш камер1 газово! компоненти, сл1д витримувати належну паузу в робот1 джерел напилення при переход1 в процес формування в1д одного шару до шшого.
Разом з тим, внасл1док дифуз1йних процес1в мтж окремими наношарами, так чи шакше буде перехщна зона з плавним град1ентом концентраций елементв, що входять до складу наношар1в. Розм1р ц1е! зони буде визначатися умовами формування наношар1в, та !х складом. В процес1 ек-сплуатаци таких покриттв дифузшна взаемод1я
мтж наношарами е одним i3 фактор1в, що може спричиняти небажану, часом швидку змшу ви-xiдниx характеристик покриття. Тому, щоб пщви-щити стабшьтсть у часi наношарових покригтiв, в ряда випадкв, бажано цiлеспрямовано створю-вати мiжшаровi прошарки з наперед заданим кон-центрацшним градieнтом компоненте. Для реа-л1заци тако! конструкци наношарових покритгiв система автоматичного керування роботою об-ладнання «Avinit» дозволе керувати не тiльки часом та послвдовшстю роботи джерел напилення, а й спiввiдношенням у штенсивносп атомарних потокiв вщ цих джерел, спрямованих на щдкла-динку. Для вакуум-дугового методу напилення це досягаеться за рахунок керування потужш-стю розряду, величини електромагнiтного поля плазмооптичних систем, додатковою частотною модулящею сигналу керування роботою того чи шшого джерела напилення.
При наявносп таких можливостей системи керування обладнанням можна формувати бага-токомпонентнi наношаровi покриття з самим рiзноманiтним стввщношенням елементiв, що входять до складу шарiв i без використання ба-гатокомпонентних мiшеней, тобто така система керування мае найширшi можливостi у форму-ваннi наношарових покритгiв рiзного складу та конструкци. I, наприкшщ, приймаючи до уваги той факт, що саме можливгсть в вакуум-плазмо-вих процесах керувати енергieю юшв дозволяе впливати в широких межах на процеси зародко-утворення, росту покриття, а значить, його структуру, рiвень внутршшх напружень та mmi характеристики. Система керування обладнанням «Avinit» для нанесення наношарових покритпв забезпечуе можливiсть в автоматичному режимi змшювати погенцiал, що подаеться на щдкла-динку у вщповщносп до вибраного алгоритму формування наношарово! структури покриття.
2 Технолопчш схеми формування твердих та надтвердих покритпв
При нанесенш твердих та надтвердих по-критгiв на основi формування моношарових ге-терофазних нанокомпозитiв можна застосувати декiлька схем реалiзацii цього процесу в залеж-ностi ввд геxнiчниx можливостей обладнання та геометри поверxнi, на яку наноситься покриття. При наявносп тiльки одного джерела напилення для формування нанокомпозитного покриття потрiбно мати м1шень (катод) з наперед заданим сшвввдношенням компонент, при якому можли-ве досягнення ефекту надтвердостi дано! компо-зици. Miшень з заданим спiввiдношенням компонент може виготовлятися рiзними металургш-ними методами, або шляхом формування ком-позицшного (мозачного) катоду з елементв, що входять до складу покриття. При цьому форму-
вання твердих фаз в покритп може вщбуватися за рахунок ще одше! компоненти, яка не входить до складу мшеш, якщо процес напилення ввдбуваеться в атмосферi реакцшного газу. Прикладом може слугувати процес формування на-ноструктурних покригтiв на основi нiтридiв титану та кремшю. У разi формування нанострук-турного покриття, яке складаеться з твердо! i м'я-ко! фази, застосування схеми з напиленням в середовишд реакцшного газу можливе лише для композицш, в яких м'яка компонента не утво-рюе з'еднань, або твердих розчинiв з компонентами реакцшного газу.
При наявносп декшькох джерел напилення i розмщених так, що дiаграми спрямованостi плазмових потокiв мають спiльний центр в пло-щинi пвдкладинки i невеликий кут помiж собою (рис. 1), можливе застосування бшьш гнучко! схеми формування нанокомпозитного покриття, яка дозволяе в певних межах змшювати стввщношення компонент без змiни катод1в, з яких йде напилення, в тому чист, i пiд час напилення. Це досягаеться за рахунок використання рiзниx катод1в, один з яких мае склад, що ввдповщае приблизно половинному значенню ввдношення основно! компоненти до компоненти, що входить до мiжзеренного прошарку в на-ноструктурному покритгi, а до складу шшого входить ильки основна компонента.
а
б
Рис. 1. Схема розмщення джерел напилення при формуванш моношарових надтвердих наноструктурних покритпв
1 — пщкладинка, 2 — джерело напилення, 3 — вюь дiаграм спрямованосгi плазмового потоку, 4 — котушка вщхилення плазмового потоку
При такш схем кшцевий склад покриття буде визначатися сшввщношеннями в потужност! од-ночасно працюючих джерел напилення, яке може змшюватися в досить широких межах. На такому принцип! можна будувати схеми з викорис-танням бшьшого числа одночасно працюючих джерел для бшьш складних композицш Але при цьому все ж таки практично неможливо обштись т!льки однокомпонентними катодами, з ураху-ванням реально! кшькост! джерел, яке викорис-товуеться в обладнанн! для нанесення покритпв, оскшьки за рахунок змши потужност! при одно-часнш робот! джерел напилення не можна забез-печити оптимальн! сп!вв!дношення компонент основно! фази ! компонент мтжзеренних про-шарыв, що мають бути на р!вн! в!д 5 до 15 % до основно! компоненти.
При застосуванн! багатокатодно! схеми формування моношарових гетерофазних нанокомпо-зитв сл!д мати на уваз!, що покриття, в залеж-ност! в!д площ!, в!дстан! до джерела напилення та робочих характеристик цих джерел, буде мати в сво!й площин! певну неоднор!дн!сть по складу. Ця обставина в деяких випадках може бути визначальною при вибор! т!е! чи шшо! схеми формування моношарових гетерофазних наноком-позит!в.
Розглянут! схеми можна застосовувати при нанесенн! покритт!в як на плосю нерухом п!дкла-динки, так ! п!дкладинки, що обертаються на-вколо свое! в!с!. В останньому випадку, при застосуванн! багатокатодно! схеми розмщення ок-ремих джерел напилення, повинн! задовольня-тися вимоги щодо кута мтж в!сями д!аграм спря-мованост! плазмових поток!в цих джерел та сп!впад!ння 1хн!х центр!в на в!с! обертання шдкладинки. Щодо вибору режим!в нанесення покритЛв, то тут важко !, скор!ше, неможливо, сформулювати узагальнююч! правила, як! б сто-сувалися тшьки формування моношарових гетерофазних нанокомпозит!в. 3 цього приводу, мож-ливо, сл!д звернути увагу на правильний виб!р температури шдкладинки, яка мае бути, з одного боку, достатньою для забезпечення умов про-тжання спшодального розпаду в покритт!, який, як вважаеться, лежить в основ! механ!зму формування гетерофазних нанокомпозитв [6, 7], а з !ншого боку, не досить високою, щоб запоб!гти формуванню гетерофазно! структури з бшьши-ми розм!рами, при яких не спрацьовують меха-н!зми, вщповщальн! за досягнення надтвердост! покриття. На п!дстав! даних, приведених в роботах з цього приводу, цей д!апазон температур в бшьшост! випадкв повинен бути в межах ~ 200 — 500 °С [6-9].
Формування надтвердих наношарових по-критт!в в залежност! в!д складу шар1в може в!дбу-ватися як за наявност! одного джерела напилен-
ня, так ! декшькох джерел напилення (як мгтмум двох джерел напилення). При нанесенн! покриття !з деюлькох джерел на нерухому плоску пщкла-динку джерела напилення повинн! бути розм!-щен! так, як ! у випадку формування моношаро-вих гетерофазних нанокомпозит!в, щоб звести до м!н!муму в площин! покриття неоднор!дн!сть по товщин! кожного з моношар1в. Пошарове нанесення покриття з р!зних катод!в вщбуваеться в !мпульсному режим!, товщина яких задаеться величиною потужност! та тривал!стю !мпульсу роботи того чи шшого джерела напилення. Формування надтвердих наношарових покритт!в може в!дбуватися без участ! реакц!йних газ!в, якщо до складу катод!в входять вс! компоненти покрит-тя, або ж, як ! у випадку, що розглядався вище для формування моношарових гетерофазних на-нокомпозит!в, за участ! таких газ!в. Але при зас-тосуванн! реакц!йних газ1в в формуванн! наношарових покритЛв схеми реал!заци таких про-цес!в можуть бути бшьш р!зноман!тними, шж у випадку формування гетерофазних нанокомпо-зит!в.
Найб!льш проста схема !з застосуванням ре-акцшного газу реал!зуеться у випадку, коли ок-рем! шари формуються !з твердих з'еднань одного типу, наприклад, н!трид1в, або !з твердого з'еднання ! м'якого шару, при умов!, що компоненти останнього не взаемодтють з реакцшним газом. Така схема н!чим не вщр!зняеться в!д описано! вище без участ! реакцшного газу, тобто процес ведеться при пост!йному тиску газового середовища, якщо тд останнм розум!ти середо-вище залишкових газ!в, або реакцшного газу. Якщо окрем! шари формуються !з твердих з'еднань р!зного, типу, наприклад, н!трид1в ! карб!д!в, то потр!бно вести процес з синхрон!за-ц!ею 1мпульсно1 роботи джерел та системи напуску в!дпов!дних реакцшних газ1в. При цьому, для забезпечення формування ч!тко! мшфазно! границ! мтж окремими шарами програма керу-вання таким процесом повинна передбачати паузи в робот! джерел напилення та системи напуску реакц!йних газ!в м!ж циклами формуван-ня окремих наношар1в на час, достатнш для вщка-чування одного реакцшного газу ! напуску шшого до робочого тиску. Необх!дн!сть тако! паузи мтж циклами напилення наношар1в може ускладню-вати формування наношарово! композици з достатньою когез!ею помтж окремими шарами.
Питання досягнення достатньо! мтжшарово! когези взагал! е в багатьох випадках досить ак-туальним. Один !з технолог!чних прийом!в, що може бути застосований у раз! необх!дност! для полшшення когези в даному випадку, зводиться до подач! на початку кожного циклу роботи дже-рела напилення на деякий час п!двищеного по-тенц!алу зм!щення на п!дкладинку, достатнього
для юнно-плазмового очищення та активаци ро-стово! поверxнi покриття. Зрозумшо, що загаль-на програма керування таким процесом повинна вибиратися з урахуванням забезпечення необхь дного температурного режиму формування покриття. Подобна схема та технолопчш прийоми щдходять i при формуванн наношарових ком-позицiй iз твердого з'еднання i м'якого шару у раз^ якщо компоненти останнього взаемодають з реакцшним газом. Бона дещо спрощуеться по-рiвняно з попередньо розглянуто! схемою за рахунок того, що цикл нанесення м'якого шару не потребуе введення шшого реакцшного газу, а тльки вщкачки наявного, при цьому необхщтсть в паузах м^ роботою джерел для досягнення чгшо! мiжфазноi границ мiж окремими шарами залишаеться.
У раз^ якщо до складу твердого шару входить з'еднання, яке утворюеться за рахунок взаемоди з реакцшним газом, а м'який шар формуеться на основi тiei ж металево! компоненти, що входить до твердого шару, тод вщпадае необхщтсть у другому джерелi напилення, але вимога до введення паузи в робот джерела напилення при переxодi вщ формування одного шару до шшого залишаеться.
При нанесенн покритпв на пвдкладинку, що рухаеться (обертаеться), формування наношарових структур мае сво! особливостi. Це пов'язано з тим, що обертання пщкладинки може бути само по собi при певних умовах засобом формування наношарових покритпв i розглядатися як один iз параметр1в теxнологiчниx схем в контекст да-ного розгляду. Тому логiчно розгляд можливих технолопчних схем формування наношарових структур у випадку обертання пвдкладинок поча-ти саме з визначення параметр1в, яш впливають на вибiр тiei чи шшо! схеми.
Одним iз параметр1в, вщ якого залежить вибiр конкретно! схеми формування наношарових покритпв у випадку руху тдкладинки, е, звичай-но, перiод ii обертання, але не сам по соб^ а у сшввщношент зi швидкютю росту покриття. Для бiльшоi зручносп в подальшому розглядi особ-ливостей в формyваннi наношарових покриттiв у випадку руху тдкладинки введемо параметр 9г, який буде визначати стввщношення м^ швидкiстю росту г-го шару покриття i швидш-стю обертання тдкладинки, у вигляд 9;- = u/w, де u;- — швидкiсть росту г-го шару покриття в нанометрах в одиницю часу, w — кiлькiсгъ обертв в одиницю часу, тобто 9г- е товщина г-го шару покриття в нанометрах, що наноситься на пщкла-динку за один оберт.
Розглянемо випадок, коли задана товщина наношарiв h i < 9;- . Це означае, що за час формування одного моношару пщкладинка повертаеться на кут навколо вiсi обертання, який буде дорiв-
нювати величинi 360° (h/9 i ), тобто наношар не покривае повнiстю поверхню пiдкладинки, i в цьому випадку не можна сформувати по тов-щинi покриття структуру з послщовною змiною наношар1в заданого складу з товщиною h.
У випадку, коли hi> 9 можна сформувати структуру з заданою товщиною г-го наношару з залученням всix схем формування наношарових покритпв, яш розглядались вище для нерухомих падкладинок. При цьому вже не мае обмежень щодо розмщення джерел напилення з ввдповщ-ними вимогами до дiаграм спрямованостi плаз-мових потокiв цих джерел. Але е певнi застере-ження, яш треба мати на yвазi при користyваннi цими схемами. По-перше, такий шар за побудо-вою буде мати вигляд спiралi з шагом р1вним 9. Завдяки цьому при переxодi вщ одного шару до iншого за рахунок обриву цiei спiралi буде утво-рюватися сходинка висотою 9 г/2. По-друге, за рахунок перюдично! змши умов росту шару при обертанш пiдкладинки (змши швидкосп росту, стввщношення компонент, з яких формуеться покриття, та шше) наношар буде мати певну нео-днорвдшсть по товщинi. Бплив цих факторiв на кiнцевi характеристики сформованих таким чином наноструктурних покриттiв важко прогно-зувати.
Розглянемо також випадок, коли h i = 9. Цей випадок цжавий тим, що можна застосувати до-сить просту схему реалiзаци наношарово! струк-тури покриття ильки за рахунок обертання падкладинки без необхщносп мати систему ке-рування роботою джерел напилення та напуску реакцшного газу з наскрiзною синxронiзацieю ix роботi у чаи. Таку схему можна застосувати при одночаснш роботi двох джерел напилення, яш розмiшенi назyстрiч одне одному у випадках, якщо формування наношарiв iз рiзниx матерь алiв можна здойснювати в одному середовищi (з реакцшним або без реакцшного газу). Але при цьому, для забезпечення формування чпко! меж мж наношарами, потрiбно, щоб розмiри пвдкла-динки (виробу), що покриваеться, та ii розмi-щення були такими, щоб не було геометричного перекриття зон формування покриття вщ рiзниx джерел напилення (рис. 2) з урахуванням тов-щини дебаевського шару в плазм навколо пщкла-динки з потенцiалом змщення U, наявнiсть якого призводить до розмиття межi геометрично! тiнi вщ джерела напилення.
3 Технолопчш схеми формування зносостшких та антифрикцшних багатошарових покритпв
При формyваннi зносостiйкиx та антифрик-цiйниx покритв можна застосовувати бiлъшiсть iз розглянутих схем для формування надтвердих покритпв з деякими поправками, пов'язаними з особливостями ix фyнкцiоналъного призначення.
Рис. 2. Схема формування надтвердих наношарових покритив на п!дкладинку з обертанням И1 = 9(-:
1 — пщкладинка, 2 — джерело напилення, 3 — частина плазмового потоку, що попадае на пщкладинку, 4 — дебае-
вський шар навколо пщкладинки
Так, при формуванн! зносостшких моношарових наноструктурних покригг!в, якщо на мет! е до-сягнення оптимального сп!вв!дношення м!ж твер-д!стю покриття Н та його модулем Юнга Е, мо-жуть бути послаблен! вимоги, пов'язан! з досяг-ненням максимальних значень надтвердост!, як! стосуються сп!вв!дношення компонент основно! фази ! компонент м!жзеренних прошарк!в та !х розм!р!в. Це стосуеться ! вимог до формування зносост!йких наношарових покритт!в у частин! забезпечення якомога ч!тких меж м!ж шарами та !хньо! товщини.
У раз! формування антифрикц!йних наноструктурних покритт!в виконання вимог, що роз-глядались при отриманн! надтвердих покритт!в з застосуванням розглянутих схем, може бути в ряд! випадк!в взагал! необов'язковим. Оск!льки для антифрикц!йних покритт!в низький ко-ефщ!ент тертя у бшьшосп випадк!в забезпечуеться матер!алом м'яко! фази, а зносост!йк!стъ — мате-р!алом твердо! фази, то для !х формування мо-жуть застосовуватися саме схеми формування наноструктур !з твердо! ! м'яко! фаз, що розгля-дались вище.
4 Нанесения багатошарових та наношарових покритпв на дослщш зрачки за розробленими тех-нолопчними схемами
Нанесення наноструктурних покритт!в зд!йснювали на автоматизованому обладнанн! «АушИ» по задан!й програм! з використанням однокомпонентних катод!в в середовищ! реак-ц!йного газу ! без нього. У якост! плазмоутво-рюючих матер!ал1в (катод!в) використовували Мо, Т1, Си, А1. Реакц!йним газом слугував азот. Основною домтшкою в азот! був кисень, р!вень якого не перевищував 0,04 ат. %. Склад залишкових газ!в ! дом!шок в реакц!йному газ! контролював-ся за допомогою мас-спектрометру МХ-7304А. Температура поверхн! зразк!в контролювалась за допомогою !нфрачервоного п!рометру виробниц-тва «Иау1ек» ! на протяз! експеримент!в не пере-вищувала 200—250 °С. Час напилення в б!льшост!
випадк!в складав в!д одн!е! до трьох годин. Контроль вс!х основних параметр!в процесу нане-сення покритт!в зд!йснювався в автоматичному режим!.
Досл!дн! зразки розм!щувалися в технолог!чн!й оснастц! ! могли зд!йснювати рух, в залежност! в!д вибрано! технолог!чно! схеми, навкруги свое! в!с!, рухатися навколо в!с!, що проходить через центр вакуумно! камери, або зд!йснювати плане-тарний рух з обертанням одночасно навколо свое! в!с! ! в!с! камери. Зразки мали форму диск!в д!а-метром 20 мм ! товщиною 3 мм, або паралелоп!-пиеду 5x10x20 мм, виготовлен! !з стал! Х12Ф1. Поверхня, на яку наносилось покриття, було в!дпо-л!роване до шорсткост! не нижче 10 класу по тех-нолог!ям, як! застосовуються на завод! ДП ХМЗ «ФЕД». Оск!льки подальш! досл!дження трибо-лог!чних властивостей покритт!в заплановано про-водити на машин! тертя по схем! «ролик-площи-на», то поряд !з зазначеними вище зразками, по-криття наносились в!дпов!дно на диски д!амет-ром 50 мм ! товщиною 12 мм та кубики !з стороною 10 мм. Безпосередньо перед нанесенням по-критт!в зразки промивалися в орган!чних роз-чинниках (бензин Б-70 або уайт-спирит) ! пот!м п!ддавались ультразвуков!й обробц! в розчин! ней-тральних миючих засоб!в. П!сля цього зразки промивалися в проточн!й питн!й вод! с подаль-шим зануренням в дистильовану воду, видален-ням рештки води п!сля вилучення з дистильова-но! води серветками ! заключним протиранням поверхн! зразка батистовою серветкою, зволо-женою петролейним еф!ром або ацетоном.
Нанесення наношарових покриттв в!дбувалось за такими схемами.
Для нанесення наношарових покритт!в !з твер-дих з'еднань було використано дв! технолог!чн! схеми, а саме:
а) двокатодна схема при одночасн!й робот! двох джерел напилення, як! розм!щен! назустр!ч одне одному, в середовищ! реакц!йного газу з обер-танням зразка навколо свое! в!с!, при як!й вико-нуеться сп!вв!дношення к{ =
б) двокатодна схема при iмпyлъснiй робота двох джерел напилення, яи розмiшенi назyстрiч одне одному, в середовищi реакцшного газу з обер-танням зразка навколо свое! вМ, при якш вико-нуеться спiввiдношення hi > 9
За такими схемами були отримаш нанострук-тyрнi покриття в системi (TiN—AlN).
Для нанесення наношарових покригтiв, що побyдованi iз послiдовностi твердого i м'якого шарiв, було використано такi теxнологiчнi схеми:
а) однокатодна схема з неперервною роботою джерела напилення i iмпyлъсною (перюдичною) подачею реакцiйного газу, при цьому вона була реалiзована у двох варiангаx, з обертанням пщкла-динок навколо свое! вМ, коли покривалась вся поверхня зразка, i без обертання, коли покривалась тальки одна сторона зразка.
За такими схемами були отримаш нанострук-турн покриття в системi (TiN—Ti) i (MoN—Мо);
б) двокатодна схема при iмпyльснiй роботi двох джерел напилення, яю розмiшенi назyстрiч одне одному, i iмпyлъсною подачею реакцiйного газу, синхрошзованою у часi з роботою джерела напилення, що забезпечуе формування твердого шару з обертанням зразка навколо свое! вЫ, при якш виконуеться сшввщношення h i >9
За такою схемою були отримаш нанострук-тyрнi покриття в системi (MoN—Cu).
Для нанесення наношарових покритгав типу «метал-метал» було застосовано двi теxнологiчнi схеми:
а) двокатодна схема при одночаснй робота двох джерел напилення, якi розмщеш назyстрiч одне одному, в середовищд залишкових газiв з обертанням зразка навколо свое! вМ, при якш виконуеться сшввщношення h i = 9 ¿;
б) двокатодна схема при iмпyлъснiй робота двох джерел напилення, яю розмщеш назусщч одне одному, в середовищд залишкових газiв з обертанням зразка навколо свое! вМ, при якш виконуеться сшввщношення hi > 9 ¡.
За такою схемою були отримаш нанострук-тyрнi покриття в системi (Mo—Cu).
На рис. 3—5 приведет фото зразкв з покрит-тями рiзного складу, одержаними за приведени-ми вище теxнологiчними схемами.
HL
схема а) схема б)
Рис. 3. Наношаров1 покриття типу «метал-метал»
схема а) схема б)
Рис. 4. Наношаров1 покриття 1з твердих з'еднань (TiN—AlN)
гп
схема а) схема б)
Рис. 5. Наношаров1 покриття, побудоваш 1з послщов-носл твердого i м'якого шар1в:
схема а) — твердий-м'який шар (TiN—Ti); схема б) — твердий-м'який шар (MoN—Мо)
Таким чином, за розробленими технолоич-ними схемами отримано покриття з наношаро-вою структурою рiзного складу i будови, для про-ведення у подальшому дослiдженъ !х властивос-тей, зокрема, трибологiчниx характеристик в рiзниx парах тертя (в залежноста вiд складу та спiввiдношення шарiв) i можливостi !х застосу-вання у якостi зносостiйкиx i антифрикцшних покритгав.
Висновки
1. На основi загального аналiзy вимог до формування наноструктурних покритгав сформульо-вано вимоги до технологи отримання багатоша-рових багатокомпонентних покригтiв в залежноста вщ !х фyнкцiоналъного призначення, зокрема, для змiцнюючиx надтвердих та зносостай-ких i антифрикцшних покритгав.
2. Для формування наноструктурних покриттв запропоновано основнi теxнологiчнi схеми та ix варiацii в залежноста вщ типу пiдкладинки (ру-хома або нерухома), складу наноструктурних покритгав та особливостей застосування цих схем з урахуванням вимог щодо забезпечення необхщ-них властивостей покритгав в залежноста вiд !х функционального призначення.
3. З використанням запропонованих техноло-г1чних схем отримано наношаровi покриття рiзно-го складу i будови для дослiдження !х властивостей, зокрема, триболоичних характеристик в рiзниx парах тертя та з'ясування можливостей !х застосування у якоста зносостiйкиx та антифрик-цiйниx покритгав.
4. Запропоноват геxнологiчнi схеми формування наноструктур з урахуванням вимог до покриттв в залежноста вщ ix функцюнального призначення
та геометри щцкладинок закладають ф1зичн1 ос- ведение трибологических испытаний обнови розробки технологий нанесення нових бага- разцов с покрытиями / [А. В. Сагалович, тошарових багатокомпонентних функцюнальних В. В. Сагалович, C. Ф. Дудник и др.] : со-покритпв для пар тертя прецизшних вузлш агре- вместный научно-технический отчет НТЦ гатобудування та двигунобудування. «Нанотехнология» и НПК «Корпорация Перелж посилань ФЭД». - 2008. - № НАН 4.2.08. - 146 с.
, „ , „5. Установка Avinit для нанесення багатошаро-
1. Разработка многокомпонентных покрытии для , . . , n ^
„ вих функцюнальних покритпв / IO. В. Са-
повышения износостойкости поверхностей пар _ „ т, .-r _ ' L„
, галович, О. В. Кононих1н, В. В. Попов та трения в прецизионных узлах /
г f „ „ „ „ „ А ^ п ин.1 // Физическая инженерия поверхности. —
[А. В. Смфн, В. 13. Сагалювич, C. ф. Дуд- 20IO. - Т. 8. - № 4. - С 336-347. ник и др.] // Физическая инженерия поверх-
АААт -re ivtt л п 1 с л лгс 6. Veprek S. Concept lor the design of novel
ности. - 2007. - Т. 5. - № 3-4. - C. 154-165. , j , с ^ , ^ ™ • • 1 //
гч ала superhard coatings / S. Veprek, S. Reiprich. //
2. Сагалович А. В. Автоматизированная система „ , ° 'с , * ...
, „ , Thin Solid Films. - 1995. - Vol. 268. - Р. 64-67. нанесения функциональных нанопокрытий /
/^лтт titi^ 7. Veprek S. The search lor novel, superhard
А. В. Сагaлович, С. ф. Дудник, В. В. Сагало- materia]s / S Veprek //т Vac Sci TJLoi -
/ / г\г лллг materials / s. Veprek. //J. vac. sci. leciinol.
тч^и инструмент. - 2005. - 1999.-A17(5). - Р. 2401-2420.
■-) та* 8. Haurt R. From alloying to nanocomposites -
3. Исследование характеристик трения и изно- . , . ,
improved performance ol hard coatings /
са ионно-плазменных покрытий, полученных
/ r/"i л тт R. Haurt, J. Patscheider //Advanced Engineering
на алюминиевом сплаве / [С. Ф. Дудник,
а т> T>T>r^ > Materials. - 2000. - Vol. 2. - № 5. - Р. 247-
А. В. Сагалович, В. В. Сагалович и др.] // 259
Физическая инженерия поверхности. - 2004. -
Т 2 - № 1-2 - С 110_114 9. Different approaches to superhard coatings and
л rL. ' г ' nanocomposites / [Veprek S., Veprek-Heijman
4. Отработка процессов нанесения упрочняю- ,, т, , ^ ™ , л лл и^- о 1
■г ~ M., Karvankova P., Prochazka J.]. // Thin Solid
щих и антифрикционных покрытий и про- p||ms - 2005 - Vol 476 - Р 1-29
Поступила в редакцию 10.01.2011
Сагалович А.В., Кононыхин А.В., Попов В.В., Дудник С.Ф., Сагалович В.В. Технологические схемы формирования многослойных покрытий «Avinit»
Сформулированы требования к технологиям получения многослойных покрытий в зависимости от их функционального назначения, в частности, для упрочняющих, сверхтвердых, износостойких и антифрикционных покрытий.
Для формирования многослойных многокомпонентных покрытий предложены основные технологические схемы и их вариации в зависимости от типа подложки (движущаяся или неподвижная), состава многослойных и нанослойных многокомпонентных покрытий и особенностей применения этих схем с учетом требований к обеспечению необходимых свойств покрытий в зависимости от их функционального назначения.
С использованием предложенных технологических схем получены многослойные покрытия «Avinit» различного состава и строения для иссследования их свойств, в частности, трибологических характеристик в различных парах трения и выяснения возможностей их применения в качестве износостойких и антифрикционных покрытий для пар трения прецизионных узлов агрегатостроения и двигателестроения.
Ключевые слова: вакуум-плазменные, многокомпонентные многослойные, нанослойные покрытия
Sagalovych A., Kononyhin A., Popov V., Dudnik S., Sagalovych V. Technological schemes for the formation of multilayer coatings «Avinit»
The requirements to technology of multilayer coatings, depending on their functional purpose, in particular for the reinforcement hardening, wearproof and antifrictional coatings.
Basic technological schemas and their variations were proposed for obtaining of multilayered multicomponent coatings taking in account substrate type (moving or static), multilayered multicomponent coatings composition coating and peculiarities of such shemas utilization fro obtaining necessary coatings properties upon their function.
Utilizing proposed technological schemas were obtained multilayered coatings «Avinit» of different composition and structure for their properties investigation in particular tribological properties in different tribological pairs and clarification possibitilies of their application as wearproof and antifrictional coatings for tribological matches of precision pairs of untis of machinebuilding.
Key words: vacuum-plasma, multicomponent, multilayer, nanolayer coatings.
