Многокомпонентные наноструктурированные покрытия на основе нитридов

Причина лучшей коррозионной стойкости TiN, ZrN слоев покрытий, осажденных методом ЭДИ, заключается в максимальной толщине и концентрации N2 в покрытиях, которые могут быть установлены в результате локального химического анализа нескольких точек и областей и металлографического определения их толщин. Превосходство по коррозионной стойкости ZrN ЭДИ слоя покрытия над TiN ЭДИ слоем покрытия наиболее вероятно основано на большей его инертности к 5%-му раствору NaOH.

Оптимальный комплекс механических, износостойких, антифрикционных и коррозионных свойств соответствует двухкомпонентным наноструктурированным TiN, ZrN слоям покрытий с максимальной микротвердостью композиции, максимальной динамической микротвердостью и минимальной дефектностью поверхности.

Корреляционные связи между ТехП и ТемП процессов осаждения, структурными характеристиками, фазовым составом, ФМС и трибологическими свойствами TiN, ZrN слоев покрытий позволяют разрабатывать МП различного практического применения с градиентом структуры, состава и свойств.

Оптимальным комплексом ФМС, трибологических и коррозионных свойств обладает многослойное Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с покрытие на основе двухкомпонентных поликристаллических и наноструктурированных слоев. Наноструктурированные TiNн.с слои

в МП с объемными долями входящих фаз с-TiN (99,9 %), h-TiN0,3 (0,1 %) и оптимальным комплексом ФМС: Н = 36 ГПа; Е = 387 ГПa;

We = 64 %; H/E = 0,09; H3/E2 = 0,31 ГПa, Sотп = 0,94·105 мкм2; из-

Поликристаллические TiNп.с слои МП с объемными долями вхо-

дящих фаз: с-TiN (97,5…99,6 %), h-TiN0,3 (0,4…2,0 %) и Ti2N (0…1,5 %)

с градиентом структуры, состава и комплексом ФМС: Н = 26…32 ГПа;

фрикционных: IкV = 0,25…5,39·10–8 мм3·Н–1·м–1, f = 0,09…0,16 свойств

111

формировали методом ЭДИ при незначительном повышении Тс и Vнагр.с до (0,224…0,230)Тпл и 3,9…4,4 К/мин, соответственно, относительно оптимальных ТемП.

Градиент свойств многослойного Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с покрытия без изменения его элементного состава обеспечивается за счет управления ТехП и ТемП в процессе осаждения.

112

6. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ С ОДНОВРЕМЕННЫМ И ПОПЕРЕМЕННЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЛАЗМЫ

6.1. Оптимальные технологии подготовки поверхности подложки перед осаждением многослойной пленки

6.1.1. Оборудование и расходные материалы для получения многослойных покрытий

Требуемое оборудование и расходные материалы на этапе механической обработки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов перед осаждением МП:

–наждачные шкурки (разной зернистости);

–алмазная паста с разным содержанием алмазных порошков АСМ или АМ;

–ткань для полировки: фетр, бархат, тонкое сукно;

–протирочная ткань: бязь;

–перчатки х/б (ГОСТ 1108–84);

–халат х/б (ГОСТ 11622–73);

–часы;

–оптический микроскоп или микротвердомер ПМТ-3, оснащенный оптической системой;

–рабочий журнал.

Требуемое оборудование и расходные материалы на этапе химической очистки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов перед осаждением МП:

–органические растворители:

–ацетон ч.д.а. (ГОСТ 2603–79);

–бензин марки «Нефрас» С-50/170 (ГОСТ 8505–80) или марки

«Калоша» (ГОСТ 443–76), «Б-70» (ГОСТ 1012–72);

–спирт этиловый ректификованный технический (ГОСТ 9805–76);

–салфетки из отбеленной бязи (ГОСТ 11680–76);

–перчатки х/б (ГОСТ 1108–84);

–халат х/б (ГОСТ 11622–73);

–часы;

113

–оптический микроскоп или микротвердомер ПМТ-3, оснащенный оптической системой;

–чистая металлическая закрывающаяся тара;

–рабочий журнал.

Требуемое оборудование и расходные материалы на этапе ультразвуковой очистки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов перед осаждением МП:

– ультразвуковая установка «Кристалл-50» – для крупных ТИ

иПТ и УЗУ-0,25 – для мелких ТИ И ПТ;

–пинцет медицинский (ГОСТ 21241–71);

–щетка зубная (ГОСТ 6388–74);

–перчатки х/б (ГОСТ 1108–84);

–перчатки хирургические резиновые (ГОСТ 3–75);

–салфетки из отбеленной бязи (ГОСТ 11680–76);

–халат х/б (ГОСТ 11622–73);

–бензин «Калоша» (ГОСТ 443–76), «Б-70» (ГОСТ 1012–72) или «Нефрас» С-50/170 (ГОСТ 8505–80);

–ацетон ч.д.а. (ГОСТ 2603–79);

–спирт этиловый ректификованный технический (ГОСТ 9805–76);

–щелочной раствор;

–оптический микроскоп или микротвердомер ПМТ-3, оснащенный оптической системой;

–чистая металлическая закрывающаяся тара;

–часы;

–рабочий журнал.

Требуемое оборудование и расходные материалы на этапе очистки в тлеющем, магнетронном разрядах или ионной очистки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов перед осаждением МП в вакуумной камере:

–вакуумная установка. Тип установки зависит от метода осаждения слоя пленки (приведены в табл. 1);

–аргон газообразный особой чистоты (ГОСТ 10157–79);

–азот особой чистоты газообразный (ГОСТ 9293–74);

–оптический микроскоп или микротвердомер ПМТ-3, оснащенный оптической системой;

–инфракрасный бесконтактный пирометр «Термикс»;

–часы;

–рабочий журнал.

114

6.1.2.Подготовка вакуумной установки к работе

1.Снять защитное стекло смотрового окна и удалить с его поверхности пленку, образовавшуюся после предыдущего технологического процесса. После механической обработки стекло протереть нефрасом, ацетоном и перед установкой в смотровое окно – бязью, смоченной

вспирте.

2.Очистить вакуумную камеру и оснастку от пленки, образовавшуюся после предыдущего технологического процесса, и пропылесосить при полном отключении установки от питающей электрической сети.

Примечание. При обработке инструмента с вращением вокруг собственной оси, оправки, вставленные в гнезда стола, должны быть выполнены с минимальной площадью контакта (с максимальным тепловым сопротивлением для уменьшения теплопередачи от инструмента и оправок к столу). Для мелкоразмерного инструмента использовать бронзовую оснастку [322].

3.Проверить исправность системы водоохлаждения, визуально определив проток воды во всех линиях водоохлаждения.

4.Открыть баллоны с газами и установить редукторами необходимые расходы газов.

6.1.3.Этапы предварительной подготовки поверхности ТИ и ПТ

итестовых образцов

• Этапы механической обработки поверхности ТИ и ПТ и тес-

тового образца

1.Отшлифовать вручную поверхность ТИ и ПТ и тестового образца наждачными шкурками. Наждачную бумагу необходимо положить на плоскую поверхность (например, на стекло), соблюдать последовательность и плавность перехода от грубозернистых к мелкозернистым шкуркам. Окончательный результат – идеально плоская поверхность тестового образца. После шлифования остатки абразива смыть водой.

2.Отполировать поверхность ТИ и ПТ и тестового образца для удаления мелких рисок. Нанести на ткань алмазную пасту и полировать поверхность тестового образца до тех пор, пока она не приобретет зеркальный блеск.

115

Примечание. Режущую поверхность ТИ и рабочую поверхность ПТ, обработанную в заводских условиях, не трогать. При необходимости локальной обработке подвергаются поверхности ТИ и ПТ, примыкающие к их режущей и рабочей поверхностям.

3. Произвести контроль качества поверхности ТИ и ПТ и тестового образца с помощью оптического микроскопа или микротвердомера ПМТ-3, оснащенного оптической системой.

Примечание. Перед тем как производить контроль качества, поверхности ТИ и ПТ и тестового образца протереть этиловым спиртом и просушить безворсовой бязью.

Обеспечить идеально плоское расположение тестового образца или изучаемой поверхности ТИ и ПТ относительно столика микроскопа или микротвердомера. На качественно обработанном ТИ и ПТ и отполированном тестовом образце при наблюдении под микроскопом должны отсутствовать риски, царапины, вырывы. Если это условие не выполняется, то весь комплекс операций необходимо повторить.

Примечание. После механической подготовки на поверхности ТИ и ПТ и тестового образца остаются загрязнения, которые необходимо удалить перед проведением технологического процесса осаждения МП. Данная задача решается с помощью химической и ультразвуковой очистки. К загрязнениям относятся: остатки полировочных паст, пленки жира и масла, пыль окружающей среды, ворсинки от протирочного материала, мельчайшие металлические стружки, окисные пленки. Макроскопические дефекты ТИ и ПТ и тестового образца перед осаждением МП исключаются выбором соответствующей механической обработки (шлифовка, полировка, заточка абразивным материалом), исходя из функциональных требований к поверхности ТИ и ПТ.

• Этапы химической очистки поверхности ТИ и ПТ и тесто-

вого образца

1.Отобрать ТИ и ПТ без брака и подготовленные тестовые об-

разцы.

2.Обезжирить поверхности ТИ и ПТ органическими растворителями (бензин «Калоша», ацетон ч.д.а.) с целью снятия консервационной смазки. Обезжиривание производят протиркой салфетками из отбеленной бязи.

3.Контроль качества обезжиривания проводит исполнитель работ на одном образце из партии одновременно обрабатываемых методом

116

«разрыва водной пленки». Пинцетом образец помещают в емкость с водой, через 1 мин его медленно вынимают и визуально фиксируют состояние водной пленки. На чистых образцах водная пленка равномерно распределена по поверхности не менее 10…20 с, на загрязненных участках сплошность водной пленки нарушена. В последнем случае все образцы направляют повторно на химическую очистку.

Примечание. При необходимости использования оснастки для закрепления ТИ и ПТ и тестовых образцов она закрепляется на подложкодержателе в вакуумной камере.

– Промывка горячим моющим обезжиривающим раствором в ультразвуковой ванне.

117

–Промывка ТИ и ПТ горячей водой при температуре 333…353 К. Промывка предназначена для очистки от щелочных пленок, оставшихся на поверхности ТИ и ПТ.

–Сушка ТИ и ПТ в сушильных шкафах в течение 15…20 мин.

–Протирка ТИ и ПТ бязью, смоченной спиртом, перед загрузкой

ввакуумную камеру.

Вариант 3

–Промывка ТИ и ПТ нефрасом и ацетоном для очистки от жировых и механических загрязнений. На участке промывки должны быть предусмотрены: специальное помещение с приточной и вытяжной вентиляцией, железные вытяжные шкафы для хранения нефраса и ацетона, ежедневный вывоз использованного нефраса и ацетона из цеха, так как слив этих материалов в канализацию недопустим.

–Протирка ТИ и ПТ бязью, смоченной спиртом, перед загрузкой

ввакуумную камеру.

Возможны также другие варианты промывки, которые зависят от вида инструмента и технологических возможностей.

Вариант 4

–Промывка в растворителе (например, хлористый углерод).

–Промывка в моющем растворе (щелочной раствор).

–Промывка в проточной воде от остатков растворителя и моющего раствора.

–Обезвоживание: сушка в потоке горячего воздуха с очень хорошей фильтрацией воздуха от пылинок либо просушка во фреоне в нескольких последовательных ваннах, либо очистка в пароструйке.

Наиболее эффективными для ультразвуковой очистки ТИ и ПТ и тестового образца являются органические растворители, такие, например, как этиловый спирт и бензин марки «Нефрас» и др. УЗО следует проводить в несколько этапов:

1.Положить ТИ и ПТ и тестовые образцы в отдельную емкость с органическим растворителем (ацетоном или бензином марки «Нефрас»).

2.Поместить емкость в ультразвуковую ванну, заполненную водой до определенного уровня.

3.Произвести ультразвуковую очистку (УЗО) ТИ и ПТ и тестовых образцов. Технологические параметры УЗО: температура в емкости 323…333 К, продолжительность процесса УЗО 5 мин.

118

Примечание. Температура раствора и время промывки зависит от размеров, степени загрязнения промываемого ТИ и ПТ.

4.Достать ТИ и ПТ и тестовые образцы пинцетом, промыть в чистом бензине марки «Нефрас» или ацетоне марки ч.д.а.

Примечание. Операция УЗО проводить с использованием чистого растворителя того же состава, что и при химической очистке.

5.Протереть хлопчатобумажной салфеткой до полного высыхания поверхностного слоя. Следить, чтобы на упрочняемой поверхности не оставалось ворсинок от салфетки.

6. Протереть ТИ и ПТ и тестовые образцы спиртом по ГОСТ 18300–87 (норма расхода спирта 0,06 л/м2) и просушить их теплым сжатым воздухом (5 мин) до полного удаления остатков жидкости. Необходимо следить, чтобы при установке ТИ и ПТ в установку к рабочей поверхности не прикасались руками или загрязненными предметами.

Примечание. Данная операция является финишной.

7. Провести визуальный контроль поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов после ультразвуковой очистки с использованием лупы или оптического микроскопа. Не допустить на рабочих участках поверхности и режущих кромках инструмента наличие следующих дефектов: солевых и оксидных пятен, органических загрязнений в виде жировых отпечатков или разводов, остатков полировальной пасты, водяного конденсата, микропор и других механических дефектов, открывшихся после проведения химической обработки.

Примечание. Рабочими называются участки поверхности ТИ и ПТ обязательно требующие упрочнения. На поверхности всех ТИ и ПТ не должно быть сколов, трещин и раковин. Отбракованные ТИ и ПТ отправлять руководителю работ.

• Этапы термической обработки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов

1. Ионная очистка-нагрев ТИ и ПТ и тестового образца в вакуумной камере перед нанесением подслоя МП

Ионная очистка представляет собой финишную очистку поверхности ТИ и ПТ и тестового образца в вакууме бомбардирующими ионами рабочего газа (при работе магнетронов) или ионами металла (при работе дуговых испарителей), проводимую с целью распыления адсорбированных на поверхности ТИ и ПТ и тестового образца молекул газа, па-

119

ров воды, тонких органических (жировых) и окисных пленок; удаления микрозагрязнений, препятствующих образованию прочных металлических связей между материалом ТИ и ПТ, тестового образца и МП; нагрева и активации поверхности перед осаждением подслоя МП. В результате проведенной ионной очистки должна быть получена так называемая ювенильная поверхность ТИ и ПТ и тестового образца, свободная от каких либо микрозагрязнений.

2. Проведение ионной очистки-нагрева ТИ и ПТ и тестовых образцов электродуговым испарителем

–Проверить правильность установки оснастки, включив вращение планетарного механизма. Должно отсутствовать зацепление и касание оснастки соседних стоек, стенок вакуумной камеры и прочих внутрикамерных устройств.

–Произвести откачку вакуума в рабочей камере: открыть вентиль холодной воды; включить подачу сжатого воздуха к установке;

включить «Сеть»; включить форвакуумный насос, открыть клапан для форвакуум-

ной откачки диффузионного насоса.

– Включить электронагреватель диффузионного насоса.

– Установить подготовленные ТИ и ПТ и тестовые образцы

воснастку.

–Закрепить оснастку с ТИ и ПТ и тестовыми образцами на подложкодержателе в вакуумной камере.

–Закрыть форвакуумный клапан и открыть байпасный клапан предварительной откачки вакуумной камеры.

–После достижения в камере давления 1,33 Па (1·10–2 мм рт. ст.) закрыть байпасный клапан и открыть форвакуумный клапан.

Примечание. По истечении 45 мин после включения прогрева диффузионного насоса проверить вакуум в камере. Степень вакуума контролируется вакуумметрами РВТ-1 в двух точках: в магистрали форвакуумного насоса и в верхней части диффузионного насоса. Если вакуум упал, то операции повторить.

– Откачать вакуумную камеру до давления 1,33·10–3 Па

(1·10–5 мм рт. ст.).

–Проверить подачу воды на охлаждение дуговых испарителей.

–Установить рабочий ток на электродуговых испарителях 50…80 А, включить их.

120