41 Упрочнение деталей машин осаждением физическим воздействием

Для всех методов физического осаждения покрытий генерация наносимого вещества осуществляется в результате термического перевода твёрдого вещества в парообразное (испарением, вакуумной дугой или ионным распылением), а дополнительное повышение средней энергии осаждаемых частиц производится за счёт их ионизации, осуществляемой различными способами (наложением тлеющего, дугового или высокочастотного разряда или подмешиванием ионов, получаемых от автономных источников). Методы физического осаждения покрытий универсальны с точки зрения получения гаммы однослойных и многослойных покрытий практически любого состава, в том числе с алмазоподобной и наноразмерной структурой. Они позволяют реализовывать процессы нанесения покрытий при температурах 500...600ºС, что обеспечивает возможность их применения для быстрорежущих сталей, твёрдых сплавов и керамики.

Все методы физического осаждения покрытий (вакуумные ионно-плазменные методы) основаны на получении в среде вакуума пара осаждаемого материала в результате воздействия на изготовленный из него катод (мишень) различных источников энергии – мощных высокотемпературных нагревателей, лазерного луча, электронных и ионных пучков, катодных пятен вакуумной дуги, сильноточного импульса и др.

Среди методов физического осаждения покрытий из газовой фазы (PVD, Physical vapour deposition) наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ); реактивное электронно-плазменное осаждение покрытий из пароплазменной фазы в вакууме (РЭП); магнитронно-ионное распыление (метод МИР); ионное плакирование и др.

Метод КИБ основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги – сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала катода. Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и др.) в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на рабочих поверхностях детали благодаря протеканию плазмохимических реакций.

Все процессы испарения, плазмохимических реакций, ионной бомбардировки и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Характерной особенностью метода КИБ является высокая химическая активность испаряющегося материала, который состоит из ионизированного потока низкотемпературной плазмы. Конденсат в процессе осаждения покрытия подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого вещества, что приводит кего частичному распылению и повышению температуры в зоне формирования, в результате чего возрастает подвижность атомов на поверхности детали, происходит активация химической реакции между конденсатом и компонентами реакционной газовой смеси. Ещё одной особенностью процесса КИБ является возможность ускорения ионного потока путём создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на детали.

Процессы ионного осаждения, использующие термический перевод наносимого материала из твёрдого в парообразное состояние и осуществляемые в среде реакционноспособных газов с зажиганием плазмы в парах, получили название реактивных электронно-плазменных (РЭП). В системах, реализующих метод РЭП, металл нагревается и испаряется с помощью электронно-лучевой пушки.

Магнетронно-ионное распыление (МИР). В качестве испарителя используют пластину-мишень, которая подключена к отрицательному потенциалу катода. Под влиянием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным за катодом-мишенью, электрон совершает движение по циклоидальным траекториям в узкой зоне над мишенью. При этом степень распыления и плотность ионного потока увеличиваются на порядок по сравнению с простым диодным распылением. В отличие от ионного плакирования и КИБ, когда применяется точечный источник плазмы, при МИР источник плазмы линейный.

Ионное плакирование. Данный способ основан на возбуждении тлеющего разряда между катодом – подложкой и анодом – испарителем или между подложкой и дополнительным электродом. Ионное плакирование рабочих поверхностей инструмента происходит в результате испарения тугоплавкого вещества в вакуумное пространство после его «расплавления» электронно-лучевой пушкой и подачи реакционного газа в вакуумное пространство. На подложку подается отрицательный потенциал смещения величиной 1–5 кВ. Обычно установки снабжаются накаливаемым катодом (триодный принцип), дополнительным анодом, с помощью которого формируется поток вторичных электронов, увеличивающих степень ионизации генерируемого вещества. Кроме того, в процессе ионного

плакирования на стадии ионной очистки в предварительно вакуумированную камеру вводится дополнительный газ-носитель (обычно нейтральный аргон), а на покрываемое изделие подается высокий отрицательный потенциал. Давление аргона обычно составляет 10–10^-1Па. Из-за малой степени ионизации осаждающегося потока поверхность инструмента недостаточно активируется, что снижает прочность адгезионной связи покрытия с основой из инструментального материала.