003

10

1	– напуск	реакционного газа		(N2, H2,	CH4); 2 –	напуск инертного	газа (Ar);
3, 4 –	клапан; 5	– испаритель;	6	– насос;	7 – фильтр;	8 – графитовое	основание;
9 – изделие; 10 – камера покрытия;			11 – колпак; 12 – печь; 13, 14 – манометр

Рисунок 4 – Схема установки для нанесения покрытий методом химического осажде-

ния

Компоненты для реакции переносятся потоком газа-носителя, в роли которого выступает аргон или водород. Образующиеся в результате реакции соединения осаждаются на покрываемый материал. Этому способствует разряжение в камере нанесения покрытия. Остатки газов отсасываются, охлаждаются и сбрасываются наружу после фильтрации. Загрузка с хорошим доступом осуществляется вне зоны реакции, имеющей форму колокола. Эта зона открывается снятием колокола вместе или раздельно с частью печи с системами нагрева и охлаждения.

Процессы CVD протекают при высоких температурах (до 1100 °С) и высоком давлении (100…1000 Па). В результате в поверхностном слое твердых сплавов наблюдается снижение вязкости сплава с покрытием по сравнению с твердым сплавом без покрытия. Это является следствием обезуглероживания граничной зоны и образования так называемой фазы твердого сплава – хрупкой поверхностной зоны толщиной 3…5 мкм. Такое изменение не желательно для твердых сплавов, работающих в условиях прерывистого резания. Поэтому на многогранные пластины, используемые при фрезеровании, редко наносят покрытия методом CVD. Для снижения вредного воздействия температуры на свойства твердого сплава разработан способ нанесения покрытия CVD при температурах около 800 °С, который получил название среднетемпературного метода CVD (MT-CVD). В отличие от высокотемпературного способа (HTCVD) этот метод позволил уменьшить снижение вязкости, но не решил полностью указанную выше проблему.

11

Не так давно был разработан еще один метод химического осаждения, позволивший снизить температуру покрытия практически до уровня покрытия методом физического осаждения. Он получил название плазменно-химического метода осаждения (P-CVD). Данный метод представляет собой комбинацию двух основных методов нанесения покрытия, так как процесс нанесения покрытий методом химического осаждения происходит в среде плазмы.

Упомянутый выше метод P-CVD устраняет некоторые ограничения, присущие методу химического осаждения. Этот процесс использует для начала химических реакций не высокую температуру, а наличие плазмы в камере нанесения покрытия. Плазма оказывает каталитическое воздействие и концентрирует энергию. Процессы могут протекать при более низких температурах. С помощью этого процесса, в зависимости от подводимого газа, можно наносить карбидные, нитридные и карбонитридные покрытия при температурах от 450 до 650 С. В этом случае практически отсутствует снижение вязкости в граничной зоне между сплавом и покрытием в отличие от обычных покрытий методом химического осаждения.

Для реализации плазменно-химического метода осаждения покрытий используется установка, представленная на рисунке 5.

1	– напуск		реакционного	газа (N2, H2,		CH4); 2 –	напуск инертного		газа		(Ar);
3, 4 –	клапан; 5		– испаритель;	6,	7 – манометр; 8 – стол (катод); 9			– колпак		(анод);
10 – плазма;		11 – изделие; 12		–	импульсный	источник	постоянного	тока;	13	–	печь;
14 – насос; 15		– фильтр

Рисунок 5 – Схема установки для нанесения покрытий методом плазменнохимического осаждения

К преимуществам методов химического осаждения можно отнести простоту загрузки, отсутствие необходимости поворота изделий и отсутствие длительной подготовки изделий перед процессом нанесения покрытия, что делает их особенно экономически выгодными при нанесении покрытий на большие

12

партии маленьких изделий, например, на многогранные неперетачиваемые пластины. Кроме того, в процессе обработки отпадает необходимость в особом расположении изделий для получения равномерного покрытия.

Недостатками методов CVD является взрывоопасность и токсичность, наличие большего количества непрореагировавших химических компонентов, сложность технологического оборудования, внутреннее напряжение в слое покрытия и на границе покрытие-подложка, а также невозможность нанесения покрытия на твердосплавный инструмент, имеющий острые режущие кромки.

Физическое осаждение покрытий

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит из твердого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD происходит при невысокой температуре (до 450 °С), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносится покрытие.

Все процессы PVD происходят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 Па). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц.

Одними из основных факторов, определяющих качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов, необходимый уровень вакуума и чистота реакционного газа.

Для нанесения покрытий на твердосплавный инструмент применяется в абсолютном большинстве случаев один из трех методов ионного осаждения. К данным методам можно отнести испарение электронным пучком; испарение электрической дугой и распыление (магнетронное) ионной бомбардировкой.

Существуют различные варианты реализации метода физического осаждения, основные из которых будут рассмотрены далее.

В методах, использующих испарение электронным пучком, к катоду с тлеющей дугой подводится высокое напряжение (от 1 до 10 кВ). В результате создается сфокусированный и ускоренный пучок электронов (около 200 А), который направляется на мишень с металлическим материалом покрытия. Мишень установлена в центре горизонтально расположенного котла из графита, керамики или меди. К котлу подведено положительное напряжение. К противолежащей подставке с покрываемыми изделиями подводится отрицательное напряжение. Положительные ионы испаренного вещества вступают в реакцию с реакционным газом и образуют материал покрытия, который осаждается на покрываемом твердосплавном инструменте.

13

Для осуществления процесса камера изготавливается из нержавеющей стали, что продиктовано нежелательностью замыкания возникших в процессе нанесения покрытий магнитных линий на корпус установки.

Для поддержания рабочей температуры в камере (от 450 до 500 С) на корпус установки устанавливают систему нагрева и охлаждения.

Поскольку покрытие наносится только на поверхности, обращенные в сторону источника частиц, покрываемое изделие должно совершать сложное планетарное движение. Для реализации такого движения материал помещают на специальные подставки. Каждый из сателлитов вращается вокруг своей оси, а ось сателлита вращается вокруг оси подставки. Тогда каждое из мест под изделие совершает движение, обеспечивающее равномерное нанесение покрытия.

Схема установки для нанесения покрытий методом испарения электронным пучком представлена на рисунке 6.

1 – напуск инертного газа (Ar); 2 – напуск реакционного газа (N2); 3, 4, 5 – клапан; 6, 7, 8 – манометр; 9 – источник потока ионов с тлеющим катодом; 10 – испаритель; 11 – вставка из материала покрытия (например Ti); 12 – рабочая камера; 13 – электрическая дуга; 14 – система подставок; 15 – изделие; 16 – вакуумный насос; 17 – фильтр; 18 – блок питания; 19 – система нагрева-охлаждения

Рисунок 6 – Схема установки для нанесения покрытий методом испарения электронным пучком

При нанесении покрытия методом дугового испарения зажигается электрическая дуга. После зажигания дуги она перемещается по поверхности мишени, установленной в медном охлаждаемом катоде, с помощью системы постоянных магнитов. Основной целью перемещения дуги является обеспечение равномерного удаления материала с поверхности мишени и продления ее срока службы. Катод устанавливается вертикально на стенку рабочей камеры и к нему подводится отрицательное напряжение. В момент розжига дуги на по-

14

верхности мишени возникает местный расплав и начинается испарение металла мишени. Однако при испарении вместе с ионами материала ускоряются и неионизированные частицы металла (капли), которые также осаждаются на поверхности инструмента. Наличие этой капельной фазы является основным недостатком дугового метода, так как капли ухудшают качество поверхности инструмента после покрытия. Удаляются капли в результате последующей обработки после нанесения покрытия. Наибольшее количество капель образуется в момент розжига дуги.

Схема установки для нанесения покрытий методом дугового испарения представлена на рисунке 7.

1 – напуск инертного газа (Ar); 2 – напуск реакционного газа (N2); 3, 4 – клапан; 5, 6 – манометр; 7 – устройство поджига дуги; 8 – мишень; 9 – катод с водяным охлаждением; 10 – система магнитов; 11 – рабочая камера; 12 – ионизированный испаренный металл; 13 – система подставок; 14 – изделие; 15 – вакуумный насос; 16 – фильтр; 17 – блок питания; 18 – система нагрева-охлаждения камеры

Рисунок 7 – Схема установки для нанесения покрытий методом испарения электрической дугой

Положительным в методе дугового испарения является то, что можно наносить композитные (составные) и многослойные покрытия. Для этого применяются различные мишени. На противоположных стенках камеры можно установить несколько мишеней из чистых металлов, а можно использовать одну составную или комбинированную мишень из сплава металлов.

Для нанесения покрытий при помощи распыления наибольшее применение нашли методы на основе ионного осаждения магнетронным распылением.

При приложении высокого напряжения в атмосфере инертного газа возникает тлеющий разряд. Ионы инертного газа из плазмы, обладающие высокой энергией, ударяются в мишень, включенную как катод. За счет ударного импульса происходит высвобождение материала, он распыляется, минуя промежуточную жидкую фазу. В этом случае, в отличие от установок с котлом (метод дугового

15

испарения), возможно произвольное расположение мишеней. С помощью магнитных полей осуществляется удлинение пути электронов, увеличивается плотность плазмы и ударная энергия. Сзади мишени располагается магнитная система, определяющая распределение области распыления материалами по всей поверхности мишени.

Схема установки для нанесения покрытий методом магнетронного распыления представлена на рисунке 8.

1 – напуск инертного газа (Ar); 2 – напуск реакционного газа (N2); 3, 4 – клапан; 5, 6 – манометр; 7 – анод; 8 – мишень; 9 – катод; 10 – система магнитов; 11 – рабочая камера; 12 – линии магнитного поля; 13 – система подставок; 14 – изделие; 15 – вакуумный насос; 16 – фильтр; 17 – блок питания; 18 – система нагрева-охлаждения камеры

Рисунок 8 – Схема установки для нанесения покрытий методом магнетронного распыления

Рассмотренный метод магнетронного распыления характеризуется рядом положительных моментов. При использовании магнетронного способа в потоке наносимого материала отсутствует капельная фаза, что значительно повышает качество наносимого покрытия. В процессе распыления минимизированы удельные затраты энергии вследствие оптимальной для катодного распыления области энергии электронов и ионов. При небольшом напряжении разряда (от 300 до 600 В) удается получить интенсивное распыление мишени, что делает процесс экономичным.

Однако, имея перечисленные преимущества, представленный способ не лишен ряда недостатков. При длительном использовании мишени отсутствует стабильность геометрических параметров наносимого покрытия. Для ослабления влияния данного фактора приходится изготавливать катоды специальной конфигурации для каждого типоразмера обрабатываемых заготовок. Ионная составляющая в общем потоке наносимых частиц при малых подводимых электрических мощностях достаточно мала, что уменьшает производительность процесса. Уве-

16

личение подводимой мощности отрицательно влияет на ход самого процесса магнетронного распыления, так как «тлеющий разряд» в газе может перейти в дуговой, а это вызовет большие потери мощности, оплавление катода и анода. Сам процесс распыления катода при этом практически прекращается.

Одним из перспективных методов повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента является нанесение на его рабочие поверхно-

сти покрытий, получаемых методом конденсации вещества в вакууме с ион-

ной бомбардировкой (КИБ). Преимущество таких покрытий заключается в широких возможностях направленного регулирования свойств поверхности при частичном или полном сохранении свойств основы.

Реализация способа КИБ основана на испарении осаждаемого материала катодным пятном вакуумной дуги – сильноточного низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала электродов. Способ КИБ позволяет синтезировать покрытия в виде тугоплавких высокотвердых химических соединений. При этом в плазму испаряемого металла вводят активный газ, который вступает в химическую реакцию с металлом, образуя новое соединение. В качестве активных веществ часто применяют азот, кислород, углерод и др., получая покрытия в виде нитридов, карбидов или оксидов, карбидов металлов.

Косновным достоинствам способа КИБ можно отнести возможность нанесения покрытий из любых металлов, в том числе тугоплавких и их соединений (нитридов, карбидов, оксидов, оксинитридов и т. п.), процесс обеспечивает хорошие адгезионные свойства покрытий, минимальное коробление и сохранение высокого качества поверхности упрочняемых деталей, процессом достаточно просто управлять, что позволяет формировать композиционные покрытия с заданным комплексом прочностных и пластических свойств.

Кнедостаткам способа КИБ следует отнести то, что свойства покрытий сильно зависят от параметров процесса, затруднено упрочнение мелкоразмерных изделий вследствие жесткого режима ионной обработки; качество покрытий не стабильно, процесс требует тщательной очистки поверхностей изделий, на которые будет осаждаться покрытие.

В странах, входящих в СНГ, создано несколько типов установок для нанесения покрытий способом КИБ, освоен их промышленный серийный выпуск. Все они имеют сходную схему, представленную на рисунке 9, и отличаются лишь применением всевозможных поворотных устройств, кассет для различных изделий и системами автоматического поддержания параметров процесса.

Процесс КИБ можно представить в виде двух последовательно протекающих процессов: ионной бомбардировки и конденсации покрытия.

Для достижения больших плотностей ионного потока используют специальные плазмооптические устройства, позволяющие регулировать как физические, так и скоростные характеристики плазменного потока.

Важнейшими параметрами процесса КИБ являются давление и объем реакционного газа. Большое влияние на формирование покрытия оказывают плотность потока и энергия налетающих ионов в процессах бомбардировки и конденсации покрытия. В сочетании со временем воздействия энергия ионов определяет температуру на рабочих поверхностях изделия. Термическое воз-

17

действие на поверхности изделия весьма важно с точки зрения создания необходимого энергетического уровня при ионной бомбардировке, а также необходимого термодинамического уровня, способствующего благоприятному осаждению покрытия. С учетом эффекта направленности плазменных потоков, наиболее качественные покрытия формируются на поверхностях, перпендикулярных к направлению плазменного потока. Исходя из сказанного необходимо учитывать положение рабочей поверхности инструмента относительно потока, а также скорость ее перемещения относительно плазменного потока, вследствие чего покрываемое изделие должно совершать сложное планетарное движение.

1 – напуск реакционного газа (N2); 2 – клапан; 3 – манометр; 4 – катод с системой водяного охлаждения; 5 – устройство поджога дуги; 6 – мишень из материала покрытия (Ti); 7 – стабилизирующая магнитная система; 8 – плазмооптическая система фокусировки; 9 – рабочая камера; 10 – стол; 11 – изделие; 12 – вакуумный насос; 13 – фильтр; 14 – система охлаждения камеры; 15 – блок питания.

Рисунок 9 – Схема установки для нанесения покрытий методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой

Методы, используемые для модификации поверхностных слоев твердосплавного инструмента

При модифицирующей обработке поверхностных слоев твердосплавных инструментов используется ряд методов, основанных на воздействии потоков частиц, ускоренных под действием электрических разрядов, а также пучками ионов, ускоренных в специальных ускорительных трубках.

В свою очередь, к первой из перечисленных групп можно отнести такие распространенные методы как обработка в плазме тлеющего разряда и обработка

18

в плазме дугового разряда. Ко второй группе методов можно отнести метод ионной имплантации и метод обработки сильноточными ионными пучками.

Большое количество проведенных исследований в мире показало, что для модификации поверхностного слоя изделий возможно применение пучков ионов различных элементов. Однако наиболее широко исследуется и применяется в промышленных целях повышения эксплуатационных свойств облучение изделий пучками ионов азота (N2+). Это объясняется его экологической чистотой и доступностью.

Взяв за основу вышеизложенный материал, рассмотрим перечисленные процессы модификации поверхностных слоев исходя из использования в качестве источника ионов азот.

Газоразрядные методы

Наиболее широко распространенным и часто применяемым на данный момент в машиностроении методом упрочнения поверхности является азотирование в тлеющем разряде. Чаще всего данный процесс так же, как и при газовом азотировании, осуществляется в среде диссоциированного аммиака. За счет распыляющего действия ионов газа, приводящего к частичной очистке поверхности от оксидов и нитридов, насыщение азотом в тлеющем разряде осуществляется интенсивнее по сравнению с обычным газовым азотированием. В результате бомбардировки положительно заряженными ионами происходит также нагрев обрабатываемой поверхности. Поэтому в данном случае можно исключить использование специальных технологических узлов для дополнительного нагрева обрабатываемых деталей. Определяющим параметром при ионном азотировании является давление рабочего газа, изменение величины которого позволяет управлять температурой процесса. Азотирование в тлеющем разряде проводится при давлениях от 100 до 500 Па, при которых происходит стабильное зажигание и горение тлеющего разряда при плотностях тока до нескольких сотен миллиампер на сантиметр квадратный, а время процесса доходит до десятков часов. Достоинством данного метода является простота получения плазмы в больших объемах. Однако ввиду высокого давления к разрядному промежутку необходимо прикладывать высокое напряжение (от 600 до 900 В), вследствие чего повышается энергопотребление.

Вследствие высоких давлений процесса ионного азотирования в тлеющем разряде заряженные частицы испытывают многократные столкновения в разрядном промежутке и, как следствие, имеют низкую кинетическую энергию, которой недостаточно для полного разрушения оксидных пленок, образующихся на поверхности при азотировании и препятствующих проникновению азота в образец. Поэтому для связывания кислорода и осуществления восстановительных реакций из оксидов металла, в вакуумную камеру необходимо вводить водород.

Азотирование вольфрамокобальтовых твердых сплавов в тлеющем разряде приводит к формированию на поверхности образцов диффузионного слоя размером до 200 мкм.

19

1 – напуск реакционного газа (N2); 2 – напуск инертного газа (Ar); 3, 4 – клапан; 5, 6 – манометр; 7 – анод с водяным охлаждением; 8 – рабочая камера; 9 – стол (катод); 10 – экран; 11 – изделие; 12 – вакуумный насос; 13 – фильтр; 14 – блок питания

Рисунок 10 – Схема установки для ионного азотирования

Одним из перспективных методов легирования твердосплавных инструментов является метод, основанный на использовании разрядной системы, реализующей тлеющий разряд с полым катодом. В качестве полых катодов используются как сплошные электроды, так и сетчатые. В таких системах (рисунок 10) между обрабатываемой поверхностью и специальным экраном, выполненным в виде сетки, формируется плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц. При сохранении всех положительных качеств обычного тлеющего разряда тлеющий разряд с полым катодом позволяет в несколько раз увеличить плотность тока разряда при одинаковых напряжениях горения по сравнению с плотностью тока тлеющего разряда без применения эффекта полого катода. Данное увеличение осуществляется путем более эффективного использования заряженных частиц вследствие их многократных осцилляций в полом катоде. В качестве рабочих газов используется азот или смеси азота с аргоном.

Перспективным способом упрочнения поверхности твердосплавных инструментов является способ локального легирования поверхности в плазме дугового разряда, заключающийся в химико-термической обработке струей плазмы, получаемой с помощью дугового разряда с полым катодом в вакууме.

Представленный способ осуществляется при помощи установки, изображенной на рисунке 11, которая обычно содержит горелку с полым газопроточным термокатодом и водоохлаждаемый медный анод, на который устанавливаются образцы.