1. Вакуумні методи напилювання покриттів

1.2. Принцип вакуумних методів напилювання покриттів

1.2.1. Вакуум, ознаки вакууму та його види. Величина вільного пробігу атомів та молекул

Слово “vacuum” означає “пустота”. Однак, як показують роз-рахунки, навіть при надвисокому вакуумі в космосі абсолютної пустоти не спостерігається. У вакуумній техніці тиск прийнято вимірювати в мм рт. ст, а в системі СІ воно виміряється Па. Якщо врахувати, що нормальним вважається тиск, що дорівнює 760 мм рт. ст, то зв’язок цієї величини з Па буде такий:

760 мм рт. ст -

1 мм рт. ст - 133 Па

- 13.3 Па

- 1.33 Па

-

-

-----------------------------------------------------

Космос -

Розрізняють вакууми: 1) низький 760 - 1 мм рт. ст, 2) середній 1 – мм рт. ст, 3) високий мм рт. ст, 4) надвисокий

При нормальній температурі 27 С в 1 знаходиться молекул газу.

У випадку низького тиску, наприклад , а це становить , число частинок в можна знайти за пропорцією

звідки .

Підставляючи значення, одержимо: .

У космічному просторі . Тут кількість частинок у 1

Тобто в 1 л число частинок становить 2,65 частинок /л. Отже, абсолютної пустоти немає навіть в космосі.

Нанести покриття із металів і сплавів шляхом їх випаровування і конденсації при нормальному тиску неможливо через дуже малий шлях вільного пробігу атомів в атмосфері . При нагріванні і плавленні металу при нормальному тиску на границі метал – газ утворюється динамічна рівновага. Скільки атомів виходить з металу, стільки ж, відбиваючись від повітря, вертаються назад, якщо не враховувати тих частинок, які провзаємодіяли зі складовими атмосфери.

Величину вільного пробігу можна визначити за формулою , (1.7)

де К – постійна Больцмана Т – температура газу в ^оК, d – діаметр молекули ( для повітря d = ), Р – тиск газу.

При нормальному тиску і Т = 300 К величина вільного пробігу в повітрі:

Якщо ж тиск знижується до середніх значень, наприклад, , що відповідає 13,3 Па, то

А якщо вакуум високий, наприклад то

При , що становить Па,

А в космічному просторі, де

Таким чином, із розрахунків випливає, що наносити покриття із матеріалів шляхом випаровування та конденсації на поверхні деталі неможливо не тільки при нормальному тиску, але і при Р = 13,3 Па.

Лекція 2 Умови та технологія процесу вакуумного напилення

1. Умови випаровування матеріалу в вакуумі

Покриття при вакуумно–конденсаційному напилюванні формуються із струменя частинок, що знаходяться в атомарному, молекулярному чи іонізованому стані. У покриття переходять нейтральні збуджені частинки з нормальною та високою енергією і іони з широким діапазоном енергій (рис.2.1).

Потік частин отримують розпиленням матеріалу шляхом дії на нього різними енергетичними джерелами: методом термічного випаровування, вибуховим випаровуванням та іонним розпиленням твердого матеріалу. Процес ВКН проводять в жорстких герметичних камерах при тиску

Рис. 2.1. Загальна схема процесу вакуумного конденсаційного напилювання покриттів:

1 – базова плита; 2 – камера; 3 – матеріал для розпилювання; 4 – випаровувач; 5 – потік частинок; 6 – затула; 7 – виріб, на який ведеться напилювання; 8 – покриття; 9 – натікач робочого газу; 10 – екран.

Швидкість випаровування матеріалу можна з достатньою точністю визначити за формулою Ленгмюра

(2.1)

де - швидкість випаровування, М – маса грам – молекули матеріалу, що випаровується (грам – атома), R – універсальна газова постійна, Т – температура випаровування.

Рис. 2.2. Залежність тиску насиченої пари металу в Па від температури нагрівання

Використовуючи цю залежність (рис.2.2), можна знайти швидкість випаровування за формулою (2.1)

Приклад. Визначити швидкість випаровування срібла при нагріванні його до 1273 ^оК, якщо маса грам-атома М = 107,87 г/моль, а тиск пари срібла за рис. 2.2 становить

2.2. Умови нанесення покриттів у вакуумі при конденсації

Як бачимо із розрахунків, що наведені в першій лекції, довжина вільного пробігу атомів при досягає 780 мм. Це дає можливість наносити покриття на великих площах, оскільки пучки являють собою конус. Тому в промислових установках випаровуваний матеріал знаходиться на відстані 300 – 400 мм від оброблюваної поверхні.

Пара, що утворюється при високому нагріванні або розплавленні металу, утворює потік, який направлений від місця, де великий парціальний тиск, до місць, де він дуже малий. У цьому місці і розташовують поверхню, яку треба обробляти.

Чим вища кінетична енергія частинок, тим більша міцність зчеплення покриття з основою. Найбільша швидкість при іонному напиленні тому, що тут іони прискорюються електричним полем.

Потрапляючи на поверхню, атоми, молекули чи іони можуть адсорбуватись (сорбція – поглинання), не взаємодіючи або взаємодіючи з нею (хемосорбція).

При цьому частинки, що абсорбуються, називаються адсорбантами, а поверхня, що поглинає, адсорбентом.

Швидкість утворення покриття можна знайти за формулою

для точкового джерела випарювання:

(2.2)

а для плоского

(2.3)

де – швидкість утворення покриття , – площа нанесення покриття, ; – кут між потоком частинок і нормаллю до поверхні напилювання; – кут між потоком частинок і нормаллю до поверхні випаровування; – відстань переносу частинок, м .

Товщина покриття, що утворюється на поверхні, обернено пропорційна квадрату відстані між випаровувачем і оброблюваною поверхнею. При умові, що потік пари перпендикулярний до цієї поверхні, товщина покриття:

(2.4)

де – густина матеріалу, що випаровується, ; – час нанесення покриття.

Для прикладу визначимо швидкість утворення і товщину покриття для плоского джерела випромінювання при умові, що кут

Приклад. Визначити швидкість нанесення покриття алюмінію на стальну основу, якщо , площа , а відстань між випромінювачем і основою

товщина покриття:

Таким чином, із (2.1) - (2.3) випливає, що при вакуумних конденсаційних методах напилювання для парових потоків можливо застосувати закони Ламберта-Кнудсена.

Перший закон констатує, що інтенсивність пари в напрямку поверхні напилення пропорційна косинусу кута розходження потоку із точкового джерела.

Другий закон констатує, що маса матеріалу, який осідає на поверхні, обернено пропорційна квадратові відстані цієї поверхні від джерела випаровування.

Цю відстань на практиці вибирають в межах 20 – 600 мм. Але найбільше поширені відстані 150 – 500 мм. Наприклад, при наявності точкового джерела беруть , що дає пляму на поверхні деталі діаметром 80 – 120 мм. При виборі дистанції необхідно дотримуватись умови, щоб

На ефективність процесу впливають також параметри потоку частинок. До них відносяться: густина потоку ; енергія частинок , ступінь іонізації , швидкість в напрямку поверхні, що напиляється , кут розходження потоку частинок . Густина потоку змінюється в границях при . Швидкість частинок залежить від способу напилення і характеризується значеннями 2000 м/с і більше.

2.3. Енергетичні параметри процесу напилювання.

Для випаровування матеріалу використовують різні джерела теплоти: резистивні, дугові, індукційні, а також лазерні та електронні промені. Для кожного виду напилення потрібний відповідний випаровувач.

Його призначення – утримувати розплавлений матеріал при температурі, достатній для одержання необхідного тиску пари. Для більшості матеріалів ці температури коливаються в межах 1000 – 2000 ^оС.

При резистивному нагріванні необхідно забезпечити мінімальну ступінь взаємодії розплавленого матеріалу з нагрівачем. Матеріал тиглю чи нагрівача слід вибирати з незначною пружністю пари і високою стабільністю складу.

Загальним параметром режиму роботи випаровувача є електрична потужність, що підводиться до джерела теплоти. В практиці напилювання використовують установки потужністю 0,5 – 200 кВт.

З підвищенням температури випаровуючого матеріалу тиск насиченої пари різко зростає. Так, при збільшенні на 10 – 15 % тиск збільшується майже на порядок при випаровуванні Al та Cr. На рис. 2.3. показана залежність швидкості випаровування від температури для більшості елементів вакуумним конденсаційним напилюванням. У табл. 2.1 наведені температури випаровування різних матеріалів, які рекомен-дуються для досягнення тиску насиченої пари, що дорівнює 1,33 Па.

Рис. 2.3. Залежність швидкості випаровування деяких елементів від температури

Тиск насиченої пари і швидкість випаровування значною мірою залежать від стану поверхні матеріалу, що випаровується. Недопустима також висока концентрація газоподібних домішок.

Тиск в камері вибирають в межах від Па і нижче. При Па швидкість випаровування падає.

Таблиця 2.1

Рекомендовані температури для випаровування деяких матеріалів

для досягнення тиску насичених парів

Матеріал				Матеріал
Кадмій Свинець Срібло Алюміній Мідь Золото Хром Нікель Титан	264 715 1030 1220 1260 1400 1400 1530 1750	320 327 960 660 1083 1063 1845 1455 1672	767 1744 2212 2370 2370 2530 2508 2730 3260	Платина Молібден Вольфрам Хлористий натрій Хлористий магній Діоксид кремнію Хлористий кальцій Діоксид алюмінію	2100 2530 3230 670 1130 1250 1300 1800	1760 2622 3345 800,8 1263 1993 1418 2050	4410 4804 5930 1465 2270 2250 2530 3250

Над поверхнею випаровування утворюється пограничний шар. Тиск в камері впливає на дифузію пари з цього шару.

Дуже впливає на міцність зчеплення та на структуру також температура поверхні, на яку наносять покриття.

Невисокі температури поверхні (менше ніж ) спричиняють умови формування слабо зчеплених покриттів з низькою когезійною міцністю.

У табл. 2.2 наведені мінімальні температури нагрівання поверхні виробу, на який наносять покриття.

Таблиця 2.2

Мінімальні значення температури поверхні,

на яку наносять покриття для деяких матеріалів.

Матеріал покриття	Температура , ºС , матриці виробу
	Ti	Cu	Mo	Fe	Nb	Ni
Молібден Хром Мідь Нікель	650 650 --- ---	500 450 --- 350	750 700 400 500	350 600 450 350	400 --- 400 ---	400 400 350 ---

При правильно вибраних параметрах процесу швидкість зростання покриття досягає 1 мкм/хв і навіть більше .