Ионно–плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов с регулируемой стехиометрией (стр. 31 )

Результаты исследования показывают, что во всех рассмотренных случаях расчетные и экспериментально определенные напряжения являются сжимающими, а в подложке – растягивающими. Максимальные растягивающие напряжения находятся в поверхностном слое подложки.

Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных по характеру напряженного состояния на образцах с покрытиями на основе TiN0.84 , Zr и Nb. Установлено, что со снижением температуры конденсации покрытий величина остаточных напряжений в них уменьшается.

4. Показано, что существенное влияние на величину остаточных напряжений оказывает химический состав (наличие нестехиометрии) нитридных покрытий, причем это подтверждается как расчетными, так и экспериментальными данными. В частности, у образцов с покрытиями на основе нитрида титана величина сжимающих напряжений возрастает (по абсолютной величине) от – 2244 до – 5250 МПа с уменьшением содержания азота в нитриде от TiN1.0 до TiN0.68. При формировании покрытий на основе нитрида циркония зависимость величины сжимающих напряжений от содержания азота в нитриде имеет экстремальный характер: максимальные сжимающие напряжения характерны для нитрида состава ZrN0.86, а минимальные – для ZrN0.75 и ZrN1.0 .

Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ИОННО–ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ И КАРБИДОВ ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ,

ВАНАДИЯ И ХРОМА

Функциональные характеристики ионно–плазменных покрытий определяются их структурой, химическим и фазовым составом. Эти характеристики покрытий регламентируются универсальными технологическими параметрами процесса КИБ, такими как: давление реакционного газа, температура подложки и скорость осаждения покрытий. Эти параметры позволяют прогнозировать режимы формирования покрытий оптимального состава с заданными свойствами.

В то же время при формировании покрытий на установках КИБ различных конструкций, в качестве основных регулирующих параметров процесса (наряду с отмеченными выше) принимаются: ток разряда, потенциал смещения, индукция магнитного поля, продолжительность напыления и др., числовые значения которых различаются в зависимости от конструктивных особенностей установок и могут быть универсальными лишь в рамках определенной модификации установок [2, 9–11, 15, 17, 21, 22, 24, 30, 36–41, 55, 83, 86, 92, 109, 140, 145, 148, 149, 157, 167, 218, 228, 229, 237, 241, 247].

Технологический процесс подготовки образца (режущего инструмента) перед нанесением покрытия включает ряд последовательных операций:

– механическая очистка заключается в удалении механических загрязнений: остатков окалины и ржавчины, крупных скоплений смазочного материала. Окалины и ржавчины удаляются с помощью наждачной бумаги;

– шлифование поверхностей образца производится на полировальной установке с применением наждачных бумаг разной зернистости. (ГОСТ 6456–75);

– полирование на алмазной пасте. (ГОСТ 9206–70) с разной зернистостью: 60/40; 28/20 –для грубого полирования и 3/2 или 2/1 –для тонкого полирования. Полирование производится на полировальной установке с водяным охлаждением;

– обезжиривание образцов (режущего инструмента) в трихлорэтилене производится в стеклянном сосуде под вытяжным вентилятором;

– ультразвуковая очистка на установке «Серьга». В качестве моющих средств применяется ТМС (техническое моющее средство). Продолжительность очистки составляет 5–15 мин в зависимости от загрязненности поверхности;

– промывка в стеклянном сосуде с горячей водой 60–80оС;

– сушка в струе горячего воздуха;

– промывка и протирка каждого образца (режущего инструмента) этиловым спиртом – ректификатом (ГОСТ 5962–67) или в ацетоне непосредственно перед загрузкой в камеру.

Покрытия на быстрорежущую сталь наносились на ионно–плазменной установке. Стенки вакуумной камеры перед напылением прогревались горячей водой. Горячая вода циркулирует в рубашке вакуумной камеры. Температура камеры составляла 60–70оС. Нагревание стенок вакуумной камеры снижает адсорбцию водяного пара из окружающей среды на этапе загрузки и выгрузки образцов (режущего инструмента) из камеры; это способствует уменьшению продолжительности цикла откачки камеры перед очередным циклом нанесения покрытий, а также позволяет удалить с поверхности подложки летучие продукты, остающиеся после механической и химической обработок. Прогрев камеры проводился до давления 10–4 мм рт. ст. Предварительное давление в вакуумной камере составляло 4÷5·10–5 мм рт. ст.

Ионно–плазменный метод нанесения покрытий включает следующие этапы:

– формирование плазменного потока частиц испаряемого вещества (титана, хрома и ванадия). Для управления плазменным потоком применяется фокусирующая магнитная катушка;

– ионная бомбардировка или ионная очистка поверхности режущего инструмента (образца) ионами титана хрома и ванадия. На этом этапе между катодом и подложкой создавалась высокое напряжение (Uс. и.б.–. потенциал смещения в процессе ионной бомбардировки). Очистка поверхности образца (режущего инструмента) достигалась при Uс. и.б. =800–1000 В. В результате ионной бомбардировки в высоком вакууме происходит разогрев поверхностного слоя образца.

Нанесение покрытия на обработанную поверхность осуществлялось при потенциале смещения Uс=50–150 В. Контроль температуры поверхности образца в интервале температур от 200 до 700оС проводился с помощью пирометра. Точность измерения составляла ±25оС.

При формировании покрытий в камере ионно–плазменной установки, необходимо соблюдать следующие условия:

– обрабатываемые режущие инструменты (образцы) перед загрузкой в вакуумную камеру должны пройти операции очистки;

– обрабатываемые изделия необходимо расположить в вакуумной камере таким образом, чтобы покрываемая поверхность находилась перпендикулярно направлению плазменного потока;

– при ионной очистке установить на подложке напряжение 100–500В. По мере снижения частоты появления микродуг, необходимо плавно поднимать напряжение на подложке до 1000В. За изменением частоты появления микродуг наблюдают визуально и по показаниям амперметра. Об окончании процесса очистки судят по отсутствию микродуг. Давление в вакуумной камере при ионной очистке должно составлять 6.65·10–3 Па (5·10–5 мм рт. ст.). Ток стабилизирующей катушки ~1А, а ток фокусирующей катушки – 0.15–0.2А.

Продолжительность ионной очистки зависит от вида инструмента, его массы и величины температуры.

Перед загрузкой режущего инструмента (образца) в вакуумную камеру необходимо проделать следующие работы:

1. Очистить камеру: удалить остатки масла в камере и в трубопроводе; удалить пылинки с помощью пылесоса; протереть камеру бензином БР–1 («галоша»); проветрить.

2. Прогреть колпак камеры до температуры 60–70оС и одновременно откачать камеру до давления Р=10–4 мм рт. ст.

3. Откачать камеру до 5·10–5 мм рт. ст. В холостом режиме установить регулирующие параметры процесса напыления. Ток дуги и ток магнитной катушки. Необходимо проработать на холостом ходу, изменяя напряжение на подложке от 01.01.01 В. Эту операцию повторить для каждого источника плазмы и соответственно установить режимы процесса напыления с учетом материала катода (например, для титана, хрома, ванадия и др.).

Технологические параметры процесса КИБ при осаждении износостойких покрытий на сверла с Ø16 следующие:

1. При осаждении трехкомпонентного нитридного покрытия на основе хрома и титана: предварительное давление в вакуумной камере Р=6·10–5 мм рт. ст., ток дуги на хромовом катоде Iд(Cr)=125А, ток катушки Iк(Cr)=0.6А, ток дуги на титановом катоде Iд(Ti)=135А, ток катушки Iк(Ti)=0.5A, потенциал смещения Uc=70В, давление азота в вакуумной камере PN2=3·10–3 мм рт. ст.

2. При осаждении покрытий на основе нитридов хрома и ванадия: ток дуги на хромовом катоде Iд(Cr)=90A, ток катушки Iк(Cr)=0.2A, ток дуги на ванадиевом катоде Iд(V)=0.6A. Ионную очистку производили при Uc. и.б.=300В, продолжительность очистки τ=20 с, потенциал смещения при осаждении покрытия Uc=70–80В, давление азота PN2=2.2–3·10–3 мм рт. ст.

Технологические режимы при осаждении покрытий на метчиках (8х1.25) методом КИБ следующие: ток дуги на хромовом катоде Iд(Сr)=90 A, ток катушки Iк(Cr)=0.6 А, ток дуги на титановом катоде Iд(Ti)=120A, ток катушки Iк(Ti)=0.8 A, напряжение на подложке при ионной очистке Uиб=350 В., продолжительность очистки τиб=1' 15'', потенциал смещения при осаждении покрытий Uс=1000В, давление азота PN2=2.6–3.0·10–3 мм рт. ст.

Технологические параметры метода КИБ при осаждении покрытий на основе нитридов ванадия и хрома на концевых фрезах Ø30 из материала Р6М5К5 следующие: давление в камере при ионной очистке Р=5.2·10–5 мм. рт. ст., ток дуги на хромовом катоде Iд(Cr)=95 A, ток катушки Iк(Cr)=0.2 А, ток дуги на ванадиевом катоде Iд(V)=100 А, ток катушки Iк(V)=0.6 А, продолжительность ионной очистки τиб= 1' 20''; потенциал смещения Uс=150 В.

Микротвердость карбидов на основе титана, циркония и гафния изменяется в зависимости от состава – линейно. С увеличением количества углерода в карбидах, микротвердость их повышается, высокая микротвердость соответствует карбидам предельного состава ~ МеС1.0 (где Ме=Ti, Zr, Hf). Анализ концентрационных зависимостей микротвердости VCx и NbCx показывает, что кривая микротвердости для карбида ниобия имеет экстремальный характер, и высокой твердостью характеризуются карбиды ниобия в интервале NbC0.76– NbC0.82, а у карбидов ванадия – нестехиометрический карбид VC0.87.

На р–Т– диаграмме системы Ti–C (рис. 3.7), начиная с давления 0.02 Па, в интервале температур от 200 до ~ 400 oС фазовый состав покрытий TiC1.0+C. В пределах 0.02–0.04 Па количество углерода минимально. Отсюда следует, что процесс формирования покрытий на основе карбидов титана необходимо провести по следующим режимам: р=0.02–0.04 Па, t=200–400oС, при этом покрытие имеет предельно высокую твердость, Hm=31–32 ГПа.

Таким образом, можно определить области и назначить технологические параметры ионно–плазменного процесса для формирования покрытий на основе карбидов циркония, гафния, ванадия и ниобия и др. через давления реакционного газа (Па), температуру процесса (oС) и соотношение потоков газа и металла, а не через ток разряда (Iр), потенциал смещения (Uс) и др., поскольку неизвестно, на какой установке в производстве будет осуществляться осаждение покрытий. Последние же параметры (Iр, Uc), зависят от конструктивных особенностей установок, и поэтому их использование ограничивается типом установок.