Спосіб нанесення захисно-декоративних та зносостійких покриттів

Изобретение относится к области нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий, используемых в различных областях науки, техники и быта. Создание таких покрытий на изделиях из дешевых материалов существенно улучшает их эксплуатационные и потребительские свойства. Однако многие материалы изделий не выдерживают температурных режимов нанесения покрытий по известным технологиям. Особую проблему составляет нанесение покрытий на диэлектрики. Известен способ нанесения покрытий [1], согласно которому создают два потока вещества. Один из потоков вещества создают путем нагрева материала в испарительном тигле дуговым разрядом в среде инертного газа. Другой испаряемый материал находится в дополнительном тигле во внешней плазме дугового разряда. Из внешней части плазмы дугового разряда электрическим полем, приложенным к дополнительному тиглю, извлекают электроны и ускоряют до энергий, достаточных для того, чтобы расплавить и испарить помещенный в тигель материал. Созданные потоки направляют на изделие для получения покрытия. Основной и дополнительные тигли испускают потоки атомов, имеющих энергию КТ, где К - постоянная Больцмана, Т - температура испаряемого материала в градусах Кельвина, При термическом испарении, имеющем место в указанном способе, для большинства материалов эта энергия близка к 0,1эВ, что недостаточно для обеспечения высокой адгезии, а следовательно, для получения высококачественных покрытий. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий [2], включающий создание потока вещества, содержащего нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода и дозированную подачу в вакуумную камеру активного газа. Частично ионизированный поток вещества направляется на изделие. К последнему прикладывается отрицательный потенциал смещения. На стадии перед осаждением покрытия прикладывается потенциал смещения 1кВ, что обеспечивает ионную очистку и прогрев подложки. Во время нанесения покрытия значения потенциала смещения составляет 10-100В. Однако энергия частиц недостаточна для получения высококачественных покрытий на изделиях, например, из диэлектрика. Ввиду невозможности приложить отрицательный потенциал к поверхности диэлектрика, для осуществления указанного способа потребуется значительное повышение температуры изделия, а это приводит к внутренним напряжениям термического происхождения, как в покрытии, так и в изделии. Кроме того, необходимость поддержания высокой температуры изделия ограничивает номенклатуру материалов изделий. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий путем создания потоков веществ, обеспечивающих получение высококачественного покрытия, в особенности на диэлектриках, даже при низких температурах на поверхности изделия и при высокой скорости нанесения покрытия. Поставленная техническая задача решается следующим образом. В известном способе нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий, включающем создание потока вещества, содержащего нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода и дозированную подачу в вакуумную камеру активного газа, согласно изобретению, часть положительных ионов материала металлического катода извлекают электрическим полем по меньшей мере одной мишени, имеющей относительно плазмы отрицательный потенциал, ускоряют их до энергий, равных или кратных для многозарядных ионов разности потенциалов между мишенью и плазмой, бомбардируют ими мишень, создают по меньшей мере один поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа, и воздействуют созданными потоками на поверхность изделия. Из плазмы электрическим полем по меньшей мере одной мишени извлекаются ионы материала металлического катода и ускоряются до энергий, равных или кратных (для многозарядных ионов) разности потенциалов между плазмой и мишенью (потенциал плазмы близок к потенциалу анода вакуумной дуги). Ускоренные ионы, бомбардируя мишень, выбивают из нее электроны и атомы поверхностного слоя мишени. В условиях стационарного процесса поверхностный слой мишени состоит из атомов мишени, металлического катода и активного газа. Электроны, выбитые из мишени, достигая плазмы, приобретают энергию, равную разности потенциалов между мишенью и плазмой, которой достаточно для эффективной ионизации нейтральных компонентов веществ, заполняющих пространство между мишенью и изделием. Таким образом, имеем дополнительный поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа. За счет того, что в потоках, воздействующих на изделие, присутствуют ускоренные электроны и ионы активного газа, материалов катода и мишени, активизируются процессы взаимодействия между атомами активного газа и атомами материалов катода и мишени. При этом эффективность роста наносимого покрытия возрастает как для изделий из электропроводных материалов, так и для изделий из диэлектриков. Воздействие созданных потоков на поверхность изделия из диэлектрика приводит к появлению отрицательного потенциала за счет электронов, в пределе приближающегося к потенциалу мишени относительно плазмы, что, в свою очередь, приводит к ускорению полем положительных ионов материала металлического катода, мишени и активного газа, ионной очистке поверхности изделия, как и в случае электропроводного материала, и активации роста покрытия. Кроме того, процесс зарождения и роста покрытий из соединений существенно облегчается, если на поверхность роста поступают готовые частицы соединений, а не атомы отдельных компонентов, поэтому наличие в потоке вещества, поступающего на изделие, готовых частиц соединения улучшает однородность фазового состава покрытия, что повышает его качество. Способ осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру помещают изделия для нанесения покрытия и откачивают камеру до необходимого давления. Путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода создают поток вещества, содержащий нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, проводят дозированную подачу в камеру активного газа и прикладывают по меньшей мере к одной мишени отрицательный потенциал относительно плазмы (указанные операции проводятся практически одновременно, порядок их включения особой роли не играет). Из созданного потока часть положительных ионов материала металлического катода извлекают электрическим полем по меньшей мере одной мишени, имеющей относительно плазмы отрицательный потенциал, ускоряют их до энергий, равных или кратных для многозарядных ионов разности потенциалов между мишенью и плазмой, и бомбардируют ими мишень. При этом создают по меньшей мере один поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа, и воздействуют созданными потоками на поверхность изделия. Данный способ реализован на экспериментальной установке. Для промышленного применения могут быть использованы установки типа "Булат" с некоторой их модификацией. Пример 1. Проводилось нанесение износостойкого декоративного покрытия на изделие сложной формы из стекла. Предварительно обезжиренное изделие крепилось в вакуумной камере на вращающемся столе. Вакуумная камера откачивалась до давления 10-4Па и осуществлялась дозированная подача азота через натекатель для активного газа в камеру до установления давления (3-5)×10-2Па. На поверхности катода из титана инициировалась вакуумная дуга, которая генерировала поток нейтральных частиц и плазмы, состоящий из положительных ионов Ті+, Ті++, Ті+++ и электронов низкой энергии. Часть этого потока попадала на изделие, одновременно с этим электрическим полем мишени из титана, к которой приложен отрицательный потенциал - 800В от источника питания относительно земли (корпус установки), при этом потенциал плазмы близок к потенциалу земли, извлекались ионы Ті+, Ті++, Ті+++, которые ускорялись и бомбардировали поверхность мишени, Через промежуток времени 1сек. поверхность мишени приобретает стационарный состав (наступает динамическое равновесие) и содержит атомы мишени (титан), рекомбинировавшие в поверхностном слое, атомы катода (титан) и попадающие из вакуумной атмосферы атомы азота. При бомбардировке мишени ионами титана последняя генерировала поток вторичных электронов, атомов титана, азота, которые, двигаясь от мишени к изделию, частично ионизировались вторичными электронами, покинувшими мишень и ускоренными до энергии, кратной 800эВ (разности потенциалов между плазмой и мишенью). В результате был создан поток вещества, содержащий электроны, атомы и ионы материала мишени и катода (в данном случае Ті) и атомы активного газа, направленный на изделие. Ток дуги на катоде 110А, ток ионов на мишень составлял 5А, время нанесения покрытия 5мин., скорость нанесения покрытия 0,8мкм/мин. Температура изделия при нанесении покрытия комнатная. При воздействии созданными потоками на изделие получено равномерное износостойкое покрытие золотистого цвета из Ті с хорошей адгезией, толщиной 4мкм. Пример 2. Аналогично примеру 1 проводилось нанесение покрытия на полиэтилентерефталаит и бумагу. К мишени из титана приложен потенциал, 100В относительно земли. Время нанесения покрытия 10мин., скорость нанесения покрытия 0,1мкм/мин. Температура изделия при нанесении покрытия комнатная. Получено равномерное износостойкое покрытие золотистого цвета из Ті с хорошей адгезией, толщиной 1мкм. Пример 3. Аналогично примеру 1 проводилось нанесение покрытия на переднюю грань резца из твердого сплава марки Т15К6. К мишени из молибдена был приложен отрицательный потенциал -5кВ относительно земли. Мишень предварительно разогрели до 900°С. Созданный поток вещества содержал электроны, атомы и ионы титана и молибдена и атомы активного газа. Время нанесения покрытия - 2мин, скорость нанесения покрытия - 2мкм/мин. Температура изделия - 400°С. Получено износостойкое покрытие толщиной 2мкм, содержащее нитриды титана и молибдена.