2.4. Влияние параметров процесса напыления на качество покрытия

Рассмотрим особенности вакуумно-плазменных покрытий методом КИБ на основе карбонитридов тугоплавких металлов. Большое применение в качестве износостойких покрытий получили титаносодержащие покрытия.

Одним из важнейших параметров процесса напыления покрытий является температура. Изменение температурного режима конденсации покрытий приводит к изменению параметров их структуры и механических свойств. Снижение температуры повышает период кристаллической решетки а, полуширину рентгеновской линии β₁₁₁, что свидетельствует о микродеформации кристаллической решетки и ведет к увеличению микротвердости Н_μ покрытия (табл. 8). С другой стороны, уменьшение температуры конденсации снижает прочность сцепления покрытия с инструментальной основой К₀ и его трещиностойкость, вызывает рост сжимающих остаточных напряжений σ₀.

Таблица 8

Изменение свойств покрытий в зависимости от температуры

tк, °С	Структурные свойства			Механические свойства
	а, нм	β111, градус	σ0, МПа	Нμ, ГПа	К0
350	0,4250 ± 0,004	14,0 ± 0,5	-420 ± 50	27,0 ± 2,2	2,4 ± 0,1
450	0,4250 ± 0,004	11,0 ± 0,5	-150 ± 20	25,2 ± 2,0	2,4 ± 0,1
550	0,4249 ± 0,004	9,0 ± 0,3	-100 ± 20	23,2 ± 0,7	2,4 ± 0,1
650	0,4242 ± 0,005	9,0 ± 0,3	220 ± 20	21,2 ± 2,0	2,4 ± 0,1

Для получения высокой микротвердости и износостойкости покрытия при низкой температуре конденсации и высокой прочности сцепления с инструментальной основой при высокой температуре покрытие наносится в два этапа за один технологический цикл. Первый слой, непосредственно примыкающий к инструментальной основе, осаждается при высокой температуре конденсации, что обеспечивает высокую прочность сцепления с инструментальной основой; верхний слой - при возможно меньшей температуре, что позволяет получить высокие твердость и износостойкость покрытия. Данная технология позволяет повысить работоспособность режущего инструмента с покрытием в 2…3 раза, может быть использована для покрытия любого состава и не требует дополнительных затрат, так как реализуется только за счет изменения температурного режима конденсации покрытия [10].

При разработке технологических процессов покрытия деталей важным фактором является знание состава плазменного потока и изменения его характеристик в зависимости от внешних параметров.

Основными характеристиками плазмы являются: температура электронов, концентрация ионов и степень ионизации вещества катода. Также, важнейшим параметром процесса КИБ является давление реакционного газа [2].

По мере роста давления газа значительно уменьшается уровень микроискажений кристаллической решетки, растет ее пластичность, параметр решетки увеличивается до уровня, соответствующего карбонитридотитанового соединения. При этом значительно снижается хрупкость покрытия, в то время как твердость его еще достаточно высока.

В области малых давлений твердость покрытия резко падает, такое покрытие плохо сопротивляется изнашиванию. По температуре электронов определяют тепловое воздействие плазменного потока на покрываемые изделия, концентрация ионов определяет скорость покрытия, а степень ионизации влияет на качество образующегося слоя.

Большое влияние на формирование покрытия оказывает плотность потока и энергия ионов в процессах бомбардировки и конденсации покрытия. В сочетании со временем воздействия энергия ионов определяет температуру на рабочих поверхностях изделия, функции которой весьма важны с точки зрения создания необходимого энергетического уровня [5] .

Влияние ионной температуры на стойкость изделия способствует и термомеханической активизации и прочностному удержанию покрытия на поверхности. При низких температурах наблюдается тенденция полного отслаивания покрытия. При температурах выше оптимальной имеется тенденция разупрочнения [5].

Исследования силы тока на катоде испарителя из хрома на температуру электронов и концентрацию ионов в разных пространственных точках камеры показали:

- температура электронов незначительно увеличивается с ростом тока дуги и практически не изменяется от точки измерения;

- концентрация ионов растет линейно с увеличением силы тока и уменьшается с увеличением расстояния от катода (рис.8).

Рис.8. Зависимость концентрации ионов от тока дуги

При исследованиях по изменению скорости конденсации покрытия из карбонитрида титана по сечению плазменного потока выявилась следующая тенденция:

- при увеличении тока фокусирующей катушки от 0 до 0,8 А увеличивается скорость конденсации покрытия на оси электрода испарителя и уменьшается в направлении от оси электрода к его краям;

- при увеличении тока дуги скорость конденсации покрытия увеличивается многократно (рис. 9).

Рис.9. Изменение скорости конденсации покрытия по сечению плазменного потока

Таким образом, в зависимости от размеров изделия, можно с помощью тока дуги и фокусирующей катушки регулировать скорость и равномерность конденсации покрытия.

При исследованиях по изменению скорости конденсации покрытия из карбонитрида титана по высоте вакуумной камеры выявилась, что распределение толщины покрытия по высоте вакуумной камеры происходит неравномерно, и существенно меняется в течение времени, достигая разницы между максимальным и минимальным значениями – 4 мкм (рис. 10).

Данные исследования показали: в зависимости от габаритов изделия и конструкции приспособления, можно корректировать режим напыления, что в свою очередь позволяет уменьшить время и повысить точность процесса напыления.

Рис.10.Распределение толщины покрытия по длине камеры