Спосіб формування покриття на металевій поверхні за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення

Реферат: Спосіб формування покриття на металевій поверхні за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення, при якому поверхню металевої деталі очищають. Після очищення металеву деталь розміщують в пристрої вакуумного напилення, заповненому робочим газом з тиском в межах -2 -1 10 …10 Па, виконаному з можливістю генерації плазми в катодних мікроплівках вакуумної дуги, піддають іонному травленню шляхом обробки поверхні високоенергетичним потоком металізованої плазми з параметрами, що більш або дорівнює 1,0 кВ, або при середній енергії іонів від 1,5 до 3,0 кеВ, з подальшим формуванням покриття шляхом зменшення значення середньої енергії іонів в потоці за рахунок зниження потенціалу зміщення. UA 113193 U (12) UA 113193 U UA 113193 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області нанесення покриттів, стосується іонно-вакуумної плазмової обробки виробів, і може застосовуватися в різних галузях промисловості для нанесення багатофункціональних покриттів. Постійно зростаючі потреби виробництва і різноманітність номенклатури деталей з напилюваним поверхневим шаром зумовили появу широкого класу технологічних процесів, що забезпечують зносостійкість, корозійну стійкість, фреттингостійкість, конструкційну міцність цих деталей. Широке використання іонно-вакуумного плазмового нанесення покриттів обумовлено універсальністю технології, високою продуктивністю процесу, малої енергоємністю і рядом інших переваг у порівнянні з традиційними методами отримання покриттів різного функціонального призначення (гальванічним осадженням, плакуванням, плазмовим напиленням, катодним розпиленням), одне з основних переваг цього методу - екологічно чиста технологія. В основі всіх методів вакуумного іонно-плазмового напилення лежить принцип створення потоків частинок високих енергій. При нанесенні покриття основний внесок дають іони, енергія яких у десятки і сотні разів перевершує енергію теплових атомів і молекул. Крім цього потік, в загальному випадку, містить парову, крапельну фази і тверді мікрочастинки речовини з розмірами від одиниць нанометрів до сотень мікрометрів. Основна енергія, що вкладається в розряд, міститься в збуджених іонізованих компонентах. Процес взаємодії такого складного за складом і енергетичного спектра потоку речовини з твердою поверхнею зводиться до протікання взаємопов'язаних фізичних явищ: конденсації, розпилення, впровадження. Аналіз характерних фізичних явищ, що мають місце при взаємодії кожної компоненти потоку окремо з поверхнею, дозволяє запропонувати як основні параметри, що визначають фізику взаємодії, кінетичну енергію і щільність потоку частинок. Відомий спосіб нанесення покриття на вироби методом іонного розпилення, що включає створення в технологічній вакуумній камері газової плазми. Занурення в неї оброблюваних виробів, бомбардування поверхні металу зарядженими частинками плазми шляхом подачі на мішень високовольтного негативного потенціалу та подальше осадження іонів металу. При цьому газову плазму створюють шляхом сепарації електронів з металогазового ступеня двоступеневого вакуумно-дугового розряду з холодним катодом (1). Недоліком вказаного способу є неоднорідність щільності іонів, що бомбардують оброблювану поверхню, що створює труднощі з отриманням однорідного по товщині покриття з необхідною якістю. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб формування покриття на металеву поверхню за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення шляхом підбору параметрів процесу напилення і тим самим забезпечити підвищений ступінь адгезії покриття до металевої поверхні оброблюваної деталі, з однорідною товщиною та з необхідною якістю. Поставлена задача вирішується тим, що у способі формування покриття на металевій поверхні за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення, при якому поверхню металевої деталі очищають, відповідно до корисної моделі, після очищення металеву деталь розміщують -2 -1 в пристрій вакуумного напилення, заповнений робочим газом з тиском в межах 10 …10 Па, виконаний з можливістю генерації плазми в катодних мікроплівках вакуумної дуги, піддають іонному травленню шляхом обробки поверхні високоенергетичним потоком металізованої плазми з параметрами, що більш або дорівнюють 1,0 кВ, або при середній енергії іонів від 1,5 до 3, 0 кеВ, з подальшим формуванням покриття шляхом зменшення значення середньої енергії іонів в потоці за рахунок зниження потенціалу зміщення. Для очищення поверхні використовують ультразвукове очищення. Як робочий газ використовують азот. Процес формування покриття на металеву поверхню за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення реалізується в три етапи наступним чином. На першому етапі металеву деталь, наприклад з конструкційних сталей таких марок, як 13 × 11Н2В2МФ, 07 × 16Н6, 30ХГСА, на ділянці поверхні якої необхідно провести напилення з метою отримання покриття з необхідною твердістю, наприклад TiN, виробляють її ультразвукове очищення. Після цього дану деталь поміщають в пристрій вакуумного напилення, наприклад "Булат", "МАП-1" або використовують систему фірми "Mantis Deposition" (робочий газ - азот), і обробляють поверхню (другий етап - процес іонного травлення) високоенергетичним потоком металізованої плазми при потенціалі зміщення (UCM1,0 кВ, або середньою енергією іонів -2 -1 Wi=1,5…3 кеВ, при тиску робочого газу азоту в межах 10 …10 Па). Під впливом високоенергетичного потоку металевої плазми відбувається не тільки активація, але і інтенсивне нагрівання поверхні металевої основи, так як енергія частинок (Q), що знаходяться в 1 UA 113193 U потоці розподіляється на нагрівання поверхні - 95 %, розпушення і видалення оксидних плівок 5 %, Енергія частинок Q, взаємодіючих з одиницею площі, має вигляд (1…7). dQ ~ WiSidt (1) Wi  Wi 0  ezUe 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (2), а з термодинаміки відомо: dQ  cmdT (3) m  Sihi (4) cSihidT ~ WiSidt (5) dT / dt ~ WiSi /((cSihi ) (6) dT / dt ~ Wi /((cSihi ) , (7) де: Wio - середня кінетична енергія частинки (іони); ez - середній заряд частинки (іони) в потоці, потенціал зсуву, підкладки; c - теплоємність;  - щільність матеріалу підкладки (металу); hi - глибина шару металу, що піддається впливу частинок (іонів). Таким чином приріст температури (Т) на локальній площі поверхні (S i) глибиною шару (hi=0,1…10 нм) в мікрообсягу поверхні походить від впливу часток (іонів) за час 1…10 р.сек (10 12 -14 …10 сек) і призводить до зміни хімічного і фазового складу в поверхневому шарі. На третьому етапі, власне кажучи, і виробляють формування покриття. При цьому зменшують значення середньої енергії (W i) частинок (іонів) в потоці за рахунок зниження потенціалу зміщення (Uc). Швидкість зростання покриття можна представити у вигляді емпіричної залежності: V   [ki iji  pi iji  AiT0,5 eA2i / T ] /(NA ) , (8) де:  і  - щільність і молекулярна маса покриття; NA - Авогадро число; iji - щільність потоку іонів; A i та A2 - коефіцієнт в рівнянні випаровування Кнутсен-Ленгмюра; T - температура поверхні; ki - коефіцієнт конденсації; pi - коефіцієнт розпилення. Коефіцієнт ki залежить від роду металу і енергії частинок (іонів) і фазовий склад покриття може не збігатися з фазовим складом матеріалу катода. Зі зменшенням Wi коефіцієнт конденсації ki збільшується, а коефіцієнт розпилення pi зменшується. Процес іонного травлення плавно переводять в процес нанесення покриття. Такий перехід від режиму травлення до режиму напилення здійснюють поступовим зменшенням потенціалу зміщення Uc, до -50 … -250 В, що, в кінцевому рахунку, призводить до формування покриття на майже ювенальній поверхні. Реалізація даного способу дає можливість отримання заданих експлуатаційних властивостей шляхом управління кінетичними параметрами процесу формування покриття. Наприклад для напилення на поверхню ніпеля трубопроводу повітряного судна, діаметром 20 мм зі сталі марки 13 × 11Н2В2МФ шару з TiN товщиною 3,0…5,0 мкм, виміряного методом неруйнівного контролю, і з твердістю по Віккерсу Hv14100 становить від 8,5 до 7,0 хв, що досить точно корелюється з формулою 8. Таким чином, підбираючи режими процесу формування покриття на металеву поверхню, за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення можна забезпечити різні конструкційні властивості металевої деталі: зносостійкість, корозійна стійкість, фреттингостійкість, опірність характеристикам руйнування, що забезпечує заявлений технічний результат в даній корисної моделі. Джерело інформації: 2 UA 113193 U 1. RU №2037559 Патент. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Спосіб формування покриття на металевій поверхні за допомогою іонно-вакуумного плазмового напилення, при якому поверхню металевої деталі очищають, який відрізняється тим, що після очищення металеву деталь розміщують в пристрої вакуумного напилення, -2 -1 заповненого робочим газом з тиском в межах 10 …10 Па, виконаному з можливістю генерації плазми в катодних мікроплівках вакуумної дуги, піддають іонному травленню шляхом обробки поверхні високоенергетичним потоком металізованої плазми з параметрами, що більш або дорівнює 1,0 кВ, або при середній енергії іонів від 1,5 до 3,0 кеВ, з подальшим формуванням покриття шляхом зменшення значення середньої енергії іонів в потоці за рахунок зниження потенціалу зміщення. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для очищення поверхні використовують ультразвукову очистку. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як робочий газ використовують азот. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3