Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Аэрокосмический институт

Кафедра материаловедения и технологии материалов

ОТЧЕТ

по практической работе

по дисциплине «Методы повышения надежности»

Химические методы осаждения покрытий

Руководитель

канд. техн. наук, доцент

_________ А.Г. Кравцов

Студент группы 19Маш(ба)ТПИ

_________ А.Ю. Климов

Оренбург 2021

Содержание

• 1. Общие закономерности формирования покрытий
• 2. Химическое осаждение покрытий из галогенидов
• 3. Покрытия из химических соединений
• 4. Осаждение покрытий из карбонильных соединений
• Заключение
• Список использованных источников

1. Общие закономерности формирования покрытий

Процесс нанесения покрытий из газовой фазы с использованием химических реакций состоит из следующих стадий: - испарение исходных материалов; - транспортировка газообразных компонент к поверхности детали; - адсорбция (разложение) газовой компоненты на поверхности и в приповерхностной зоне деталей; - десорбция газообразных продуктов реакции и их отвод из реакционной зоны. Наибольшее влияние на скорость осаждения оказывают процессы: - перенос реагентов к поверхности подложки; - химическая реакция на поверхности подложки; - перенос продуктов реакции от поверхности детали. Перенос продуктов химической реакции к поверхности подложки тормозится возникающим пограничным слоем. На рисунке 1.7 приводится схема пограничного слоя.

1 - парогазовая фаза;2 - подложка; 3 - покрытие; YА - поток газообразных реагентов к поверхности подложки; YR - поток продуктов реакции от поверхности.

Рисунок 1 - Схема переходной зоны

В пограничном слое Z (приведённая плёнка) накапливаются газообразные продукты реакции и изменяются условия подачи материала покрытия к поверхности подложки. Осаждение покрытия проходит по реакции:

(1)

Реагент AZ диффундирует из свободного газового потока через пограничный слой Z. Вследствие сопротивления пограничного слоя имеет место перепад его молярной доли, при этом выполняется условие: YA - YA1 > 0. При разложении компоненты AZ выделяется твёрдая фаза Мтв., формирующая покрытие. Образовавшиеся продукты реакции RZ. Таким образом, перенос реагентов к поверхности подложки является диффузионным фактором, химическая реакция на поверхности подложки - кинетический фактор, который определяет скорость формирования покрытия.

В зависимости от соотношения скоростей процессов переноса реагента через пограничный слой в зону реакции и скорости химической реакции осаждение покрытия может происходить в одной из трёх областей: кинетической, диффузионной, переходной.

Кинетическая область характеризуется значительно большей скоростью процесса переноса реагента в зону реакции по сравнению со скоростью химической реакции. Диффузионная область характеризуется скоростью переноса из объёма реактора к поверхности детали, на которой проходит химическая реакция, со скоростью значительно меньшей, чем скорость химической реакции. Переходная область отличается тем, что скорость диффузии в парогазовом потоке и химическая реакция примерно равны. В низкотемпературной области скорость осаждения покрытий не высокая из-за низкой скорости химической реакции, адсорбции материала покрытия и формирования центров кристаллизации. При повышении температуры испарителя фактором, ограничивающим скорость осаждения покрытий, является диффузионный перенос газообразных реагентов и отвод продуктов реакции. При равенстве скорости химической реакции и массопереноса достигается максимальная скорость осаждения покрытий, что соответствует промежуточной области.

1 - кинетическая область; 2 - переходная область; 3 - диффузионная область.

Рисунок 2 - Схема процесса осаждения покрытия

2. Химическое осаждение покрытий из галогенидов

Покрытия из галогенидов (MeCl) в основном получают по реакции восстановления водородом или парами металлов. Водородное восстановление в зависимости от состава галоидного соединения проводится в широком интервале температур.

Основное требование к галоидным соединениям - должны быть легко испаряемыми при температуре более низкой, чем по законам термодинамики для водородного восстановления по данной реакции. Если это условие не выполняется, то хлориды металлов предварительно испаряют и подают в реакционную камеру газами-носителями, в основном аргоном.

Пары металлов, например, цинк и магний являются более активными восстановителями по сравнению с водородом. Восстановление галоидных соединений парами металлов позволяет снизить температуру процесса, сохраняя достаточно высокую скорость осаждения покрытий.

Покрытия из металлов по реакции водородного восстановления наносят в соответствии с реакцией:

МеГл + Н2 > Ме (покрытие) + НГл (продукт реакции)

Наибольшее промышленное применение нашли газофазные покрытия из тугоплавких металлов (W, Mo, Ti, Ta), которые используются для повышения эрозионной и коррозионной стойкости и износостойкости деталей, например, в химическом машиностроении.

Водородным восстановлением хлоридов металлов можно получить многослойные покрытия типа: W - Mo; Mo - Nb; W - Ti - Mo и другие комбинации. Содержание металлов в покрытиях изменяется подпором парциальных давлений, участвующих в реакции восстановления.

Возможно получение металлических покрытий из фторидов тугоплавких металлов, но скорость осаждения покрытий ~ в 2,5 раз ниже, по сравнению с галогенидами, при этом используются более высокие температуры при водородном восстановлении. Например, при разложении гексахлорида вольфрама скорость осаждения покрытий 8 мкм/мин при температуре 1600С.

3. Покрытия из химических соединений

В качестве покрытий используются карбиды, нитриды, оксиды, бориды, силициды, которые получают водородным восстановлением из галогенидов металлов и соединений на их основе. Реакционные парогазовые смеси поступают в реакционную камеру с использованием второго элемента: N2, C; B, Si, О2 и другие элементы, которые являются одновременно восстановителями и газом-носителем.

Образование соединений на поверхности подложки проходят в соответствие с суммарными реакциями:

- карбиды: MeГл + Н2 + СnHm > MC + МГл + Н2;

- нитриды: МеГл + Н2 + N2 > MeN + HГл;

- бориды: МеГл + Н2 +ВГл > MenBm + НГл;

- силициды: МеГл + Н2 +SiГл > MenSim + НГл;

- оксиды: МеГл + Н2 + СО2 > MenOm + НГл + СО.

Осаждение покрытий проводится в герметических реакционных камерах, снабжённых системами газообеспечения с регулировкой соотношений газовых компонент. Осаждение может проводится при пониженном давлении с использованием вакуумных камер (давление 2 - 5·10-2 мм рт. ст.).

Скорость осаждения покрытий изменяется в зависимости от состава и структуры покрытий, его толщины, состава и геометрии деталей, температуры осаждения и некоторых других технологических факторов и может изменяться от 0,03 до 0,8 мкм/мин.

Существенным недостатком покрытий химическими соединениями является высокие температуры подложки, что намного ограничивает возможности метода. Покрытия, возможно, наносить только на твёрдые сплавы и тугоплавкие металлы, температура разупрочнения которых выше температуры нагрева перед осаждением покрытий.

Вторым существенным недостатком является высокая токсичность используемых соединений, что требует применения специальных затворов и системы утилизации продуктов химических реакций.

Производительность твёрдых сплавов ВК с покрытием HfN (от 5 до 7 мкм) увеличивает стойкость инструмента на 30 % при обработке коррозионной стойкой стали, на 100 % при резании среднеуглеродистых сталей и на 200 % при резании чугунов. Покрытия используются для повышения свойств тугоплавких металлов, работающих при повышенных температурах в агрессивных средах в условиях эрозионного износа.

4. Осаждение покрытий из карбонильных соединений

Преимуществом карбонильного парофазного метода осаждения покрытий является невысокие температуры нагрева подложки (от 100 оС до 200 оС) и высокая скорость осаждения от 5 до 10 мкм/мин. Для получения покрытий используются карбонилы металлов - Мех(СО)y.

При термической диссоциации карбомилов образуются металлы покрытия и окись углерода по реакции:

Mex(CO)y > Mex + (CO)y.

химический соединение покрытие

Наряду с основной реакцией термораспада карбонилов металлов могут проходить дополнительные реакции с образованием свободного углерода и углерода связанного в карбиды:

2СО < > СО2 + С

2,5Ме + СО < > 0,5МеО2 + МеС

3МеС + СО2 < > МеО2 + Ме2С

Влияние температуры на скорость осаждения покрытий подчиняется экспотенциальной (экстремальной) зависимости и связана с существованием трёх температурных областей: кинетической, диффузионной и областью разложения карбомила в объёме реактора - промежуточная область.

В области низких температур подложки от 130 оС до 190 оС для Fe(CO)5 и от 100 оС до 150 оС для Ni(CO)4 рост толщины покрытий определяется скоростью разложения карбомила - кинетическая область.

В области средних температур подложки от 200 оС до 240 оС - Fe(CO)5 и от 160 оС до 200 оС для Ni(CO)4 скорость роста толщины покрытий замедляется - диффузионная область.

Высокие температуры выше 250 оС - Fe(CO)5 и 210 оС - Ni(CO)4 формирование покрытий прекращается из-за разложения карбомила в объёме реактора.

Морфология и структура покрытий определяется технологическими параметрами осаждения.

В низкотемпературной области покрытие имеет горизонтальнослоистую структуру. При средней температуре формируется вертикально-столбчатая структура.

Карбонильные покрытия имеют высокую коррозионную стойкость, достаточно высокую адгезионную прочность. Свойства покрытий могут повышены термообработкой в среде водорода. Например, для никелевого покрытия проводится диффузионный отжиг при температуре от 150 оС до 300 оС.

Карбонильные покрытия используются для получения тугоплавких, антифрикционных, декаративных, зеркальных свойств, металлических плёнок для полупроводников, ферромагнитных плёнок для элементов памяти ЭВМ, металлизации волокон, ткани, бумаги, зёрен алмазов и для ряда других областей промышленности.

Рисунок 3 - Температура подложки для металлов с разным атомным номером

Заключение

Рассмотрены основные методы нанесения металлических покрытий химическим методом, механизмы процессов. Предложены различные способы подготовки металлических и неметаллических покрытий к нанесению металлических покрытий химическим способом. Проведен анализ и перечислены области применения различных типов металлических покрытий

Список использованных источников

1. Никандрова Л.И. Химические способы получения металлических покрытий / Л.И. Никандрова.: Машиностроение. 1971, 104 с.

2. Вишенков С.А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий / С.А. Вишенков. М.: Машиностроение, 1975, 312 с.

3. Авдеев Н.В. Металлирование / Н.В. Авдеев М.: Машиностроение. 1978, 184с.

Размещено на Allbest.ru