Покрытие при вакуумном конденсационном напылении формируется из потока частиц, находящихся в атомарном, молекулярном или ионизированном состоянии. Этот поток частиц получают распылением материала посредством воздействия на него различными энергетическими источниками. Различают распыление наносимого материала путем термического испарения, взрывного испарения-распыления и ионного распыления твердого материала. Вакуумное конденсационное напыление проводят в жестких герметичных камерах. Благодаря этому обеспечиваются необходимая длина свободного пробега напыляемых частиц и защита материала от взаимодействия с атмосферными газами.
В общем случае движущей силой переноса частиц в направлении к поверхности напыления является разность парциальных давлений паровой фазы. Наиболее высокие давления пара, достигающие 133*104 Па и более, наблюдаются вблизи поверхности распыления (испарения). Это и обусловливает перемещение частиц в направлении напыляемого изделия, где парциальное давление паров минимально. Ионизированные частицы обладают большей энергией, что обеспечивает получение покрытий высокого качества.
Способы вакуумного конденсационного напыления классифицируют по различным признакам:
— по способам распыления материала и формирования потока распыленных частиц: термическим испарением материала из твердого или расплавленного состояния, взрывным (интенсифицированным) испарением-распылением; ионным распылением твердого материала;
— по энергетическому состоянию напыляемых частиц: напыление нейтральными частицами (атомами, молекулами) с различным их энергетическим состоянием;
напыление ионизированными частицами; напыление ионизированными ускоренными частицами. В реальных условиях в потоке присутствуют различные частицы;
— по способу взаимодействия напыляемых частиц с остаточными газами камеры: напыление в инертной разреженной среде или в высоком вакууме; напыление в активной разреженной среде (13,3*104… 133*104 Па).
Процесс вакуумного конденсационного напыления покрытий включает три стадии:
1) переход конденсированной фазы в газо- или парообразную фазу;
2) формирование потока и перенос напыляемых частиц на поверхность напыления;
3) конденсация паров на поверхности напыления — формирование покрытия.
Первая стадия процесса должна обеспечивать наряду с регулируемой скоростью и площадью распыления отсутствие в потоке конденсированной фазы в виде жидких или твердых частиц. Во второй стадии необходимо стремиться к формированию потока с максимальной степенью ионизации паровой фазы. Третья стадия определяется предыдущими процессами.
Введение в камеру активных газов позволяет перейти к способу ва куумного реакционного напыления покрытий. Конденсаты вступают в химическое взаимодействие с активными газами (кислородом, азотом, оксидом углерода и др.) и образуют соответствующие соединения: оксиды, нитриды, карбиды и др.
С помощью вакуумного конденсационного напыления создают износостойкие покрытия на поверхностях трения, режущих кромках инструмента и др.
Перспективен способ вакуумного конденсационного напыления с ионизацией потока напыляемых частиц, стимулируемых плазмой. Часто его называют ионно-плазменным. Способ применяют для нанесения износостойких покрытий с особыми свойствами толщиной до 0,02 мм. Для этой цели выпускают установки ИЭТ-8И2, ННВ-6,6И1, ВУ-1Б. С помощью установки «Булат-ЗТ», например, наносят покрытия на детали топливной аппаратуры и режущий инструмент.
Восстанавливаемые детали должны иметь размеры, соответствующие размерам рабочей камеры; материал их должен характеризоваться невысоким давлением насыщающих паров при температуре процесса и допускать нагрев до 400 °С.
Состав и форма материала оказывают большое влияние на процессы испарения и распыления. Наиболее часто используют компактные материалы в виде стержней, проволоки, таблеток, дисков и диспергированных материалов в форме порошков, гранул и др. Размеры материала выбирают из условий получения оптимальной площади распыления (испарения), максимального его использования, равномерной подачи в зону распыления.
Преимущества процесса: высокие физико-механические свойства покрытий; возможность получения покрытий из синтезированных материалов (карбидов, нитридов, оксидов и др.); нанесение тонких и равномерных покрытий; использование для напыления широкого класса неорганических материалов. Технологический процесс не загрязняет окружающую среду. В этом отношении он выгодно отличается от химических и электролитических способов нанесения тонких покрытий.
К недостаткам процесса следует отнести его невысокую производительность (скорость конденсации около ~ 1 мкм/мин), повышенную сложность технологии и оборудования, низкие энергетические показатели распыления и напыления.
Установки для вакуумного конденсационного напыления покрытий классифицируются по ряду признаков. В зависимости от режима работы установки бывают периодического или полунепрерывного действия. Ось рабочей камеры располагается вертикально и горизонтально. По структурному строению установки делятся на одно- и многопозиционные. Средства откачки среды бывают масляные и безмасляные, низко- и высоковакуумные, а типы распылительных устройств — термического распыления, взрывного дугового испарения-распыления, ионного распыления, комбинированные. Применяют несколько типов установок, различающихся между собой способом нагрева испаряемого материала. К ним относятся установки с резистивными, электронно-лучевыми, высокочастотными индукционными и дуговыми испарителями.
Основные части установки: вакуумная система, включающая рабочую камеру; средства откачки; испарительные или распылительные устройства — генераторы потока напыляемых частиц; система электропитания; системы питания рабочим газом, водяного охлаждения и подогрева; транспортирующее устройство; система контроля и управления. Технический уровень установки определяет качество покрытий, производительность процесса, коэффициент использования энергии и др.
Качество напыленных покрытий в значительной мере зависит от способа создания вакуума в рабочей камере. Наиболее высокие показатели реализуются при использовании безмасляной системы откачки с применением насосов сорбционного типа.
Распылитель (испаритель) должен обеспечивать минимальные потери энергии, подводимой к распыляемому материалу. С увеличением энергии, подводимой к распыляемому (испаряемому) материалу, парциальное давление паров и плотность потока напыляемых частиц будут расти. Часть энергии, подводимой к распыляемому материалу, затрачивается на повышение энергетического уровня частиц в распыленном потоке. Таким образом, с увеличением энергии, подводимой к единице по верхности распыляемого материала, растет и производительность процесса.
Температура распыляемого материала оказывает решающее влияние на производительность процесса при обычном термическом испарении. При высокоскоростных способах распыления плазменным или дуговым разрядом эта температура не играет существенной роли.
Расстояние от очага распыления до детали изменяется в пределах 20…500 мм и определяет равномерность толщины покрытия: чем больше это расстояние, тем равномернее толщина. Однако его увеличение выше оптимального снижает коэффициент использования материала. Давление в камере также влияет на равномерность напыленных покрытий. При вакуумных реакционных способах напыления давление в камере является определяющим при образовании покрытий композиционного типа.
Параметры потока напыляемых частиц определяют производительность процесса и свойства покрытий. К этим параметрам относятся: температура материала (300 °С и выше); плотность потока [1016… 1024 (см2*с)]; энергия напыляемых частиц; степень ионизации напыляемых частиц (в мае. %); скорость частиц в направлении поверхности напыления (2000 м/с и более); угол расхождения потока распыляемых частиц (рад).
Было создано несколько типов установок высокоскоростного распыления низкого давления, применяемых для восстановления деталей. Наибольшее распространение получила установка типа ВУ-1Б. На рис. 3.37 приведена схема установки с одним испарителем.
Базовым элементом установки является камера 6 с водяным змеевиком. Откаточный насос 10 обеспечивает в камере вакуум. Для вымораживания паров масла предусмотрена азотная ловушка 11. Дуговой разряд возбуждается между водоохлаждаемым анодом 5 и распыляемым материалом — катодом 4. Для первоначального возбуждения дуги служит вспомогательный электрод 2. Электродуговой ускоритель плазмы работает от силового специализированного источника постоянного тока 3. Для экстракции ионов из плазменного потока и их ускорения в направлении напыляемого изделия использован высоковольтный источник питания 1, а от него на напыляемое изделие 7 подается отрицательное смешение от десятков вольт до 2…3 кВт. В более совершенных установках предусмотрено несколько испарителей (до шести).
Электромагнитные катушки играют роль стабилизатора катодного пятна на заданной поверхности распыляемого материала, фокусировки и ускорения потока напыляемых частиц, отклонения потока заряженных частиц с целью сепарации потока.
Установка снабжена устройством для автоматического напуска газа 9. Атмосфера камеры контролируется масс-спектрометром 8. Благодаря этому имеется возможность создания плазменных потоков с регулируемой долей ионов различных элементов.
Выпускались и другие установки аналогичного назначения («Пуск», «Юнион» и др.). Основное их применение — упрочнение различного вида инструментов с использованием реакционной формы процесса напыления.
Установки для вакуумного конденсационного напыления бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.
Применение установок периодического действия целесообразно в единичном и мелкосерийном производстве, а также при групповой обработке мелких по размерам однотипных изделий (интегральных схем, режущего инструмента и др.).
Большая часть времени затрачивается на откачку среды из камеры и другие вспомогательные операции. Стремление повысить производительность процесса обусловило применение дополнительных устройств.
Установки для вакуумного напыления покрытий полунепрерывного действия оснащены одной или несколькими шлюзовыми камерами, отделенными от рабочих камер вакуумными затворами.
Установки непрерывного действия дают наибольшую производительность процесса, хотя они довольно сложны. Непрерывная подача напыляемых изделий в рабочую камеру устраняет необходимость в останове испарителя, вакуумной системы и сообщения рабочей камеры с атмосферой. Эффективность установок может быть обеспечена лишь в условиях крупносерийного или массового производства.
Вам также могут быть интересны статьи:
(Пока оценок нет)
Загрузка...