2.2 Реактивный метод нанесения покрытий конденсацией с ионной бомбардировкой (метод КИБ)

В группу реактивных методов нанесения покрытий входят методы получения покрытий из химических соединений, синтез которых осуществляется непосредственно в процессе осаждения. Реактивные методы нанесения покрытий характеризуются тем, что в рабочую камеру напускают химически активный газ, при взаимодействии которого с испаренными атомами и образуется химическое соединение. Наибольшее распространение получили реактивные методы нанесения следующих покрытий:

1. Нитридов металлов. Испарение металла, как правило, осуществляется электронно-лучевым (нагрев и испарение вещества осуществляется за счет действия на него потока электронов), лазерным (источником энергии является монохроматическое электромагнитное излучение) или электродуговым (генерация газовой фазы происходит в результате горения электрической дуги и выделения при этом теплоты) способами. В рабочую камеру запускается азот, который в зоне испарения диссоциирует, адсорбируется на поверхности подложки и вступает во взаимодействие с металлом, например, титаном:

В зависимости от соотношений потоков азота и титана возможно образование соединений переменного состава TiNx. Цвет покрытия при этом может меняться от зеленого до желтого. Процесс образования соединений протекает, в основном, на поверхности. В объеме вероятность химического взаимодействия атомов металла и азота низка.

2. Карбидов металлов. В частности, данным методом получают покрытия из карбидов титана, циркония, хрома, вольфрама. Карбиды образуются при испарении металлов в среде углеродосодержащих газов (метана, ацетилена).

3. Оксидов металлов. В этом случае испарение металлов проводят в среде кислорода или паров воды.

Покрытия, получаемые реактивными методами, имеют достаточно высокую твердость, адгезию. Для повышения адгезионной прочности рекомендуется наносить покрытия на подложки, нагретые до температуры 400..600 0С. В машиностроении для упрочнения режущего инструмента наносят покрытия нитридов и карбидов металлов толщиной до 10..12 мкм. Часто используютсямногослойные покрытия, наносимые, как правило, за один технологический цикл. Это достигается, например, путем изменения состава газовой среды.

Метод КИБ является разновидностью реактивных методов нанесения покрытий сложного состава. Образование газовой фазы металла осуществляется электродуговым испарением. Данным методом получают покрытия нитридов (осаждение атомов металла проводится в присутствии активного газа: азота или аммиака), карбидов (активный газ - ацетилен, метан), оксидов (активный газ - кислород) титана, циркония, хрома и других металлов.

Отметим следующие основные преимущества метода КИБ:

1. Универсальность, возможность нанесения покрытий из соединений различной природы и регулирование при этом в широких пределах стехиометрией соединений путем изменения тока дуги, давления реакционного газа и температуры поверхности.

2. Высокие скорость нанесения и адгезия покрытий.

3. Высокая технологичность процесса. Совмещение в едином технологическом цикле стадий очистки, нагрева поверхности до рабочей температуры (200..600 0С) со стадией нанесения функционального покрытия без использования при этом отдельной технологической оснастки.

Основные недостатки метода:

1. Сильная зависимость свойств покрытий от технологических режимов, что требует практически для каждой детали проведения отдельных работ по их оптимизации. По этой причине в вакуумную камеру производится загрузка только однотипных деталей.

2. Наличие капельной фазы. При нанесении таких покрытий на поверхность трения капли действуют на поверхность контртела как абразивные частицы.

3. Трудности при нанесении покрытий на мелколезвийный инструмент, так как при ионной очистке инструмента имеет место притупление острых кромок, и они легко разрушаются.

4. Относительно низкая воспроизводимость физико-механических свойств покрытий.

Типовая установка для получения нитридов, оксидов, карбидов металлов методом КИБ включает:

- реакционную камеру с вакуумной системой откачки;

- систему электродугового испарения с блоком питания;

- систему напуска реакционного газа.

Основные характеристики установок, выпускаемых в странах СНГ, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики ионио-плазменных установок, позволяющих наносить покрытия методом КИБ

Установки, содержащие мощные дуговые испарители и позволяющие наносить покрытия с высокой скоростью, имеют существенный недостаток: при больших токах дуги возникает нестабильность дугового разряда вследствие большого тепловыделения на катоде, возрастает содержание капельной фазы, размер частиц и в результате снижается качество покрытий. Поэтому с целью повышения производительности напыления, достижения более высоких скоростей роста при сохранении высокого качества покрытий используют несколько (три и более) испарителей, генерирующих направленные потоки атомов металла во взаимно перпендикулярных направлениях. Это позволяет также повысить равнотолщинность наносимых покрытий и обеспечить высокую экономичность процесса.

Метод КИБ получил широкое применение как способ повышения работоспособности режущего инструмента. Покрытия на основе тугоплавких и теплостойких соединений, таких, как TiN, TiC, Mo2N, ZrN и других, формируемые методом КИБ, обладают высокой твердостью, химической стойкостью, хорошей адгезией к подложке, способностью адсорбировать смазывающие вещества и большим сопротивлением к износу.

Однако при трении таких покрытий, полученных при режимах осаждения, не предусматривающих снижение капельной фазы, по металлическим материалам происходит интенсивный износ последних. Так, для покрытия TiN диаметр капель может достигать 25 мкм, а высота - нескольких микрометров, при этом капли имеют высокую твердость и в процессе трения вызывают многократное пластическое деформирование поверхности контртела и даже микрорезание поверхностных слоев.

Считается, что капельная фаза образуется в результате кипения материала катода при содержании в нем растворимых технологических газов. При этом только в поверхностных слоях образованных микрочастиц протекают плазмохимические реакции и капли осаждаются на поверхности подложки в виде включений Влияние капельной фазы на триботехнические свойства покрытий неоднозначно: с одной стороны, она ведет к уменьшению процесса трещинообразования, с другой, - снижает адгезионные свойства покрытия и ухудшает поверхностный рельеф детали. С целью снижения шероховатости покрытия TiN предлагают производить полировку поверхности покрытия, после чего интенсивность изнашивания покрытия и контртела значительно снижается.

Эффективным технологическим направлением повышения эксплуатационных свойств является нанесение многослойных покрытий. В таких покрытиях первый слой TiN (считая от материала основы) является износостойким, а последующие (молибден, титан, серебро, политетрафторэтилен) - мягкими, приработочными. При этом повышается износостойкость как покрытия, так и контртела.

С целью снижения содержания капельной фазы используют следующие технологические приемы:

1. В качестве катода используют металлы с минимальным содержанием растворенных газов. Это достигается при получении катодов методом вакуумной плавки либо дегазации катода путем его нагрева в вакууме непосредственно перед нанесением покрытия.

2. Проводят сепарацию газокапельных потоков, например, путем применения внешнего магнитного поля.

3. Осуществляют оптимизацию технологических параметров электродугового испарения. Проводят процесс нанесения покрытия при минимальных значениях силы тока, что, однако, снижает скорость роста. Рекомендуется поддерживать максимально допустимое давление азота в вакуумной камере.

Одним из важнейших параметров процесса является давление реакционного газа (азота) при нанесении покрытия нитрида титана. От величины давления азота зависит фазовый состав, текстура, напряженное состояние и, соответственно, твердость и износостойкость покрытий. В интервале давлений от 10-3 до 102 Па азота в камере возможно образование соединений нитрида титана с различной стехиометрией. Максимальная твердость соответствует соединениям Ti2N, а также TiN и нестехиометрического TiNx (х=0,6, либо х=1,05). На механические свойства покрытий влияют и другие факторы, такие как потенциал смещения, температура покрытия, природа материала подложки, применение сепарации потоков.

При формировании износостойких покрытий различного состава важным является обеспечение оптимального сочетания твердости и сопротивления хрупкому разрушению. Кроме этого, при оптимальных режимах осаждения установлено образование структуры покрытия с высоким уровнем напряжений сжатия, препятствующих распространению трещин. Механизм изнашивания покрытий нитрида титана зависит от условий контактирования и включает в себя распространение трещин в слое покрытия под действием напряжений сдвига, отслаивания и окончательного отрыва участков слоя при взаимодействии неровностей.

В целом результаты проведенных исследований однозначно свидетельствуют, что нанесение покрытия нитрида титана с любой стехиометрией однозначно ведет к повышению износостойкости режущего инструмента в 1,8..10 раз. Этот эффект особенно проявляется при больших значениях скорости резания (до 110 м/мин). Структура и свойства покрытий нитридов и карбидов металлов значительно зависят от его толщины. Показано, что с увеличением толщины становится более выраженной преимущественная ориентация микрокристаллитов покрытия, и возрастают внутренние напряжения.