Розвиток технології вакуумного іонно-плазмового напилення та напрями її вдосконалення

THE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF VACUUM ION-PLASMA EVAPORATION AND THE WAYS OF ITS IMPROVEMENT

The methods of surface hardening are considered to be an effective means of improving the reliability and durability of details of machines and mechanisms, cutting tools, and technological equipment. Among the most promising of them are electrophysical coating methods, especially the method of vacuum ion-plasma deposition of coatings under ion bombardment method (CIB). The advantages of this method consist in simplicity of technological process, low energy consumption, high degree of ionization of the metal vapour, the wide capabilities of the coating deposition of various types of carbides, nitrides, oxides, pure metals, composite structures, multicomponent and multi-layered condensates by sputtering simultaneously or alternately from multiple evaporators. The evaporation of the cathode material comes from cathode spots, which are divided into three types depending on the speed of movement and erosion. To decrease fraction of droplet phase and macro-casting, use magnetic filters of different designs in the plasma flow. The filter type selection is performed depending on the part shape, the cathode material and other operating parameters of the process. Evaporators are divided according to the way of keeping cathode spot in the surface evaporation of the cathode and the effect on cathode spot with the aim of giving it a certain speed on a certain trajectory. Therefore, there are different designs of evaporators of the first type such as with insulated screens, magnetic confinement of cathode spot, focus the plasma flow, with autostability of cathode spot, combined with the contents of cathode spot on the surface of long cathodes in areas with minimal voltage, and for multi-component coatings. The most versatile coatings are the TiC-TiCN-TiN with a gradual transition in TiCN from TiC to TiN, coating TiC-Al2O3-TiN, TiN-Al2O3, and TiC-Ti (CNO)-Al2O3-Cr2O3 etc. Molybdenum coatings are considered to be promising. High hardness and low coefficient of Mo2N friction determines its high tribological properties. Studies have shown that the wear of the Mo2N coatings 10 times less than that of similar steels after nitrocarburizing. Mo2S has a very low coefficient of friction of 0.002, because the molybdenum atom is surrounded by sulfur atoms, the relationship between them is carried out only by weak van-der-Waals forces, but it has low hardness and wear resistance. Introduction to crystal lattice Mo2S Ti, Cr, Zr, W improves these properties. The value of the coefficient of friction is increased from 0.02 to 0.12, but is acceptable to use such coatings in friction pairs. Recently intense research is being conducted to create nanostructured coatings that provide a significant increase in hardness and wear resistance for maximum crystallite grinding. The main methods that control the size and orientation of crystallites are the ion bombardment and modification. Thus, we may conclude that it is necessary to pay attention to the study of the properties of coatings, working in conditions of simultaneous exposure to mechanical loads and technological fluids in the future.

Keywords: cathode spot; coefficient of erosion; nanostructured coatings; evaporator; tribological characteristics; technological fluids.

Вступ. З усіх існуючих на сьогодні підходів до вирішення проблеми щодо підвищення надійності та довговічності деталей машин і механізмів, різального інструменту, технологічного оснащення чільне місце відводиться технологічним методам поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів.

Викладення основного матеріалу. Початок ХХІ ст. характерний наявністю величезного арсеналу технологічних засобів поверхневого зміцнення металів і сплавів (Holubets, 2000). Одними з найбільш перспективними з них є електрофізичні методи нанесення покриттів, зокрема осадження конденсатів металів і хімічних сполук у вакуумі. Вони мають певні переваги - екологічна чистота, висока ефективність витрат осаджуваних матеріалів, можливість широкого регулювання режимів осадження і властивостей конденсатів, високі металофізич- ні властивості (адгезія, суцільність тощо). Залежно від способів випаровування напилюваного матеріалу і транспортування його до підкладки (виробу), ступеня іонізації, а також від енергії осаджуваних частинок, існують такі вакуумні методи напилення (Morozov, 1973): термічне напилення; катодне напилення; магнетронне напилення; реактивне електронно-променеве плазмове напилення (РЕП); активоване реактивне напилення (ARE); Sputtering; йонно-плазмове напилення в умовах іонного бомбардування (метод КІБ).

Метод термічного напилення є найбільш давнім і поширеним для нанесення декоративних, спеціальнихбагатошарових і захисних покриттів на метали і неметалеві матеріали (Ponomarenko, 1974; Maisel & Gleng, 1977). Сутність методу полягає в термічному випаровуванні у вакуумній камері напилюваного матеріалу способом електричного високочастотного або електронно-променевого нагрівання і осадження парів на близько розміщену поверхню підкладки. Технічна простота цього методу дає змогу отримувати суцільні конденсати різної товщини одночасно або послідовно з декількох матеріалів. Висока продуктивність такого процесу повністю визначається потужністю вузла, що випаровує. Одначе, недоліком цього методу є низька енергія осадження потоків (« 0,1 еВ), їхня некерованість, що призводить до погіршення адгезії конденсатів і низької ефективності витрат напилюваного матеріалу.

Достатньо високою енергетичною ефективністю володіє катодне (йонне) розпилювання (Roikh & Koltuno- va, 1971; Maisel, 1968). Сутність цього методу полягає в тому, що у вакуумній камері за залишкового тиску 0,1...1 Па робочого газу (азоту, аргону) прикладанням постійної (або високочастотної змінної) напруги запалюється тліючий розряд. У цьому випадку електрод із матеріалу, що випаровується, є катодом. Розпилені іонами газорозрядної плазми пари матеріалу катоду осаджуються на поверхню підкладки. Відомо декілька різних модифікацій установок такого типу розпилювання. За електричною схемою підпалювання розряду і розпилювання, установки поділяють на діодні, тріодні і тетроїдні; за типом робочої напруги - на постійні та високочастотні. Застосуванням відповідної модифікації установки можна отримати покриття будь-якого складу, осаджуючи захисні плівки на різноманітні матеріали і вироби, зокрема внутрішні поверхні малих за довжиною труб.

Порівняно з термічним напиленням, катодне (йонне) розпилювання забезпечує значно більшу енергію частинок (до 2...20 еВ), що істотно підвищує міцність зчеплення покриття з основою. Одначе, адгезія отриманих покриттів є недостатньою для зміцнення металорізального інструменту і поверхонь тертя деталей машин.

Сьогодні значно поширено набув магнетронний метод осадження покриттів, який є вдосконаленим методом йонного розпилювання (Danilin & Syrchan, 1978). У цій системі, на відміну від попередньої, під розпилюваною мішенню встановлено потужні електромагніти. Внаслідок цього над поверхнею мішені утворюється кільцеподібна замкнута зона у схрещених електричних і магнітних полях, що локалізує розрядку плазми в при- катодній ділянці. Завдяки складному рухові електронів сильно підвищується ступінь іонізації плазми, і, відповідно, різко зростає густина, в декілька разів перевищуючи таку в традиційних катодних розпилювачах, наближаючись до швидкості термічного випаровування. На порядок знижується робочий тиск, що різко зменшує забрудненість плівок газовими домішками. Окрім цього, в магнетронних системах усувається бомбардування підкладки високоенергетичними електронами, що запобігає її неконтрольованому нагріванню. Це дає змогу здійснювати "холодне" напилення, що вкрай потрібно для покриття пластмас і тонких деталей, зокрема складного профілю. Енергетичні характеристики речовин, що напилюються, у магнетронних системах такі ж, як і в системах з катодним розпиленням. Тому адгезія одержаних покриттів також є недостатньою для зміцнення інструменту і технологічного оснащення.

Метод реактивного електронно-променевого плазмового напилення (РЕП) є вдосконаленим різновидом термічного напилення. Випаровування матеріалу в цьому випадку здійснюється високовольтною електронною гарматою (Movchan, Malashenko & Papa, 1978). Під час такого електронного бомбардування у приповерхневому просторі над розплавленим анодом відбувається часткова іонізація парів, що сприяє активному протіканню плазмохімічної реакції з легуючим газом (азотом та ін.), напуск якого здійснюється спеціальним натікачем.

Метод активованого реактивного напилення (ARE) (Bunchah & Raghuram, 1972) відрізняється від РЕП тим, що в робочому просторі між випаровувачем і підкладкою розташована сітка з великим додатнім потенціалом (100.250 В). За рахунок цього відбувається додаткова іонізація парів речовини, що напилюється, та легуючого газу вторинними електронами, що призводить до активного утворення хімічних сполук.

Обидва методи забезпечують високий ступінь активації парів металів, порівняно з термічним напиленням або катодним розпиленням, однак володіють невеликою енергією потоку частинок (10.20 еВ). Це не дає змоги одержати покриття з доброю адгезією, що стримує часте застосування цих методів для захисту та зміцнення деталей машин та інструментального оснащення.

Метод реактивного іонізаційного напилення в умовах йонного бомбар-дування (Sputtering) (Dzhelomanova, 1979) полягає у випаровуванні матеріалу, що напилюється, з розплавленого тигля електронним променем із подальшою іонізацією парів та прискоренням іонів у напрямку підкладки під дією електростатичного поля, прикладеного між тиглем та підкладкою. Зміною величини прискорюючого потенціалу можна регулювати енергію потоку, а отже, і тепловий режим підкладки. Окрім парів металу, в процесі напилення іонізуються атоми легуючих газів, іони яких також бомбардують підкладку. Внаслідок цього під час плазмохімічних реакцій відбувається додаткове утворення хімічних сполук. Порівняно з усіма попередніми методами, цей спосіб має найбільші можливості. Він допомагає здійснювати послідовне йонне бомбардування, а також у широких межах регулювати енергію потоку в процесі напилення.

Метод електронно-йонного напилення об'єднує в собі методи ARE і Sputtering. Випаровування матеріалу, що напилюється, починається електронним променем. Потім між сіткою, розташованою над тиглем випаровувача і металом, що випаровується, запалюється дуговий розряд. Пари металу, що випаровуються з гарячого катоду, іонізуються в розрядному проміжку і прискорюються в напрямку підкладки, яка має більш від'ємний потенціал, ніж метал, що випаровується. Внаслідок цього конденсація покриттів відбувається в умовах інтенсивного бомбардування поверхні прискореними іонами. Причому інтенсивність випаровування у цьому випадку є значно вищою порівняно з методами ARE і Sputtering, завдяки одночасному нагріванню електронним променем і дугою. Способом зміни потенціалів на додатковому електроді та на підкладці, а також зміною тиску реакційного газу можна в широких межах регулювати швидкість випаровування, температурно-енергетичні умови осадження конденсатів та стехіометрію хімічних сполук у покритті.

Загальною перевагою термічного напилення та методів, що базуються на електронно-променевому випаровуванні, є можливість порівняно легко керувати пр о- дуктивністю процесу: швидкість випаровування способом зміни режимів нагріву можна довести до 1000 А /с.

Однак усі ці технології, окрім Sputtering та елек- тронно-йонного напилення, є низькоенергетичними і тому не можуть забезпечувати добру адгезію і температурні режими напилення. На відміну від них, методи катодного розпилення (зокрема магнетронні), володіючи більшою енергією іонів (до 30.40 еВ), є порівняно низькопродуктивними (швидкість осадження - близько 30 А /с). Електронно-йонні установки, а також установки Sputtering, не мають перелічених недоліків: володіючи продуктивністю процесу, характерною для електронно-променевого випаровування, вони водночас мають широкі можливості регулювання енергії піро- плазмового потоку, а отже, теплового режиму підкладки та адгезії. Але все ж електронно-променеві установки не набули частого застосування у промисловій практиці. Основною причиною цього є складність виконання таких систем, спричинена переважно наявністю складних електронних гармат та застосуванням високих (до 5 кВ) напруг.

Більшості цих недоліків позбавлений метод вакуумного йонно-плазмового напилення покриттів в умовах йонного бомбардування (метод КІБ), який зокрема реалізується на установках типу "Булат" (Tolok & Padalka, 1979). Принциповою відмінністю цього методу є осадження на підкладку матеріалу катода під дією електростатичного поля та високоенергетичного потоку плазми, що генерується у вакуумній дузі. Ця дуга є розрядом, що поширюється в парах електродів, які еродують. Порівняно з іншими вакуумними способами нанесення покриттів, метод КІБ має істотні переваги, а саме:

• простота технологічного процесу; на відміну від складних систем з електронно-променевими гарматами, установки, що працюють за методом КІБ, оснащені простими і компактними випаровувачами;

• низькі енергозатрати (електрична потужність одного випаровувача становить 2...5 кВт);

• висока ефективність процесу, що викликана високим рівнем іонізації парів металів під час електродугового випаровування; частка іонізації парів становить 20.90 %, залежно від типу металу; чим вища температура плавлення металу, тим вища частка іонізації, а отже краща керованість процесом напилення;

• широкі можливості осадження покриттів різного типу - карбідів, нітридів, оксидів, чистих металів, композиційних структур, багатокомпонентних і багатошарових конденсатів шляхом напилення одночасно або почергово з кількох випаровувачів;

• осадження покриттів із сильно іонізованого плазмового потоку високої густини з керованою енергією іонів, що дає змогу одержувати тонкі конденсати високої однорідності, з доброю адгезією з основою, низькою пористістю за заданого температурного режиму;

• завдяки можливості регулювання основними технологічними параметрами процесу можна легко керувати структурою і властивостями отриманих покриттів.

До недоліків цього методу варто віднести складність і нерівномірність генерування парів із сплавів і легкоплавких металів, а також утворення у разі горіння дугового розряду, поряд із паровою та йонною складовими мікрокраплин металу, які практично хімічно не реагують із легуючими газами і внаслідок потрапляння на поверхню металу створюють дефекти покриттів.

Фізичні основи процесу напилення. Випаровування матеріалу катоду відбувається з катодних плям (КП), що хаотично переміщуються по поверхні холодного катоду зі швидкістю декілька метрів на секунду. КП є трьох типів. КП 1-го типу утворюються в низькому вакуумі та за наявності на катоді діелектричних плівок і забруднень. Їм властиві висока швидкість переміщення (100.500 м/с) та низька ерозія. Діаметр цих плям становить 400.500 мкм (Zimin, Ivanov & Iuttner, 2001). Їхня внутрішня структура складається з фрагментів діаметром 5.10 мкм, які поділяються на ще менші комірки. КП 2-го типу мають швидкість переміщення у 100 разів меншу ерозію у 100 разів більшу, ніж КП 1-го типу. Їхній діаметр становить 10.50 мкм. КП 3-го типу є малорухливими, існують переважно на легкоплавких металах і мають велика частка крапельної фази.

Після руйнування однієї КП, навколо неї утворюються інші, тому пляма переміщується стрибками на відстань до 300 мкм, а її швидкість визначаємо довжиною цих стрибків. Струм розряду, за якого починається поділ КП, змінюється від 5 до 300 залежно від матеріалу катода і зростає в такій послідовності: Pb - Zn - In - Al - Cr - Ag - Fe - Ti - Cu - Mo - W (Andreev et all., 2005).

Плазмові струмені, що витікають із КП, містять електрони, іони, нейтральні атоми і краплі матеріалу катода. Кількість матеріалу, що випаровується, пропорційна величині заряду, що пройшов крізь КП, і характеризується коефіцієнтом ерозії. Цей коефіцієнт залежить від властивостей матеріалу катода, його температури, струму дуги, хімічного складу реактивного газу та його тиску, величини зовнішнього магнітного поля тощо. Величини коефіцієнтів ерозії змінюються від 47 до 320 мкг/Кл залежно від матеріалу катода і зростає в такій послідовності: Mo - Ti - Ni - W - Fe - Al - Cu - Ag - Zn (Pliutto et all., 1964; Kimblin, 1973). Логічно, що цей ряд є оберненим до ряду відповідно до зростання струму розряду.

Напруга горіння розряду становить 10.30 В (Kasa- ev, 1968), а густина струму в плямі розряду досягає 103.104 А/мм2. За своєю структурою дуга складається з двох областей - прикатодної та об'ємної. Перша область притиснута до поверхні катоду і є локалізованим розрядом у вигляді катодних плям. На прикатодну область припадає основна частина падіння напруги. Інша область займає простір між анодом і катодом. Вона утворюється високошвидкісними струменями металевої плазми і є електричним провідником між катодними плямами та анодом. Падіння напруги в цій області становить и 1В/м.

Висока локалізація розряду катода зумовлює виділення великої потужності в КП (104.105 Вт/мм2). У разі такого локального нагріву відбувається інтенсивне випаровування металів з мікроплям. Висока густина теплового потоку допомагає випаровувати різноманітні метали, зокрема тугоплавкі (хром, титан, ніобій, вольфрам, молібден та ін.). Швидкісні потоки продуктів ерозії катода іонізуються у прикатодній області розряду і під дією електростатичного поля між корпусом камери та деталлю, що напилюється, прискорюються та осаджуються на поверхні підкладки. Ступінь іонізації плазми є достатньо високим і становить від 20 до 100 % залежно від матеріалу, що випаровується. Чим вища температура плавлення, тим вища частка іонізації. Спектрометричним аналізом установлено (Lunev, Ovcharenko & Khoroshikh, 1977), що в плазмі існують різнозаряджені іони. Вміст плазми переважно залежить від типу матеріалів та мало залежить від струму дуги. Неіонізована частина продуктів ерозії є паровою фазою та рідинною фазою у вигляді крапель (Lunev, Padalka & Khoroshikh, 1977). Енергія частинок парової фази становить 0,4.1 еВ, швидкість мікрочастинок - до сотень метрів за секунду. Вміст мікрокраплин у потоці зростає зі збільшенням струму дуги. Вміст у потоці низькоенер- гетичних частинок (парів та крапель) призводить до зниження адгезії в місцях, де вони осаджуються. Парова та рідинна фази, окрім цього, є некерованими й осаджуються по всій поверхні вакуумної камери, що знижує ККД процесу. Однак найбільш негативно впливає на якість покриття потрапляння на його поверхню мік- рокраплин розмірами до декількох десятків мікрон, що призводить до підвищення шорсткості, порушення однорідності та суцільності конденсатів.

Зменшення струму дуги обмежується переходом у зону її нестабільного горіння. Для зменшення у плазмовому потоці частки крапельної фази та макрочастинок використовують магнітні фільтри різноманітних конструкцій: тороїдальний фільтр, фільтр колінного типу, фільтр сегментного типу, двохкатодне джерело плазми з двома L-подібними фільтрами, прямокутний фільтр, S-подібний фільтр, його різновид - спіральний фільтр, криволінійний фільтр відкритої архітектури, джерело з фільтром куполоподібного типу, фільтр у вигляді жалюзі, фільтр типу "магнітний острів", фільтр із пасивною засувкою (Aksenov, 2005). Вибір типу фільтра здійснюють відповідно до форми деталі, матеріалу катода та інших режимних параметрів процесу. Способом накладання поздовжнього магнітного поля (Dorodnov & Petrosov, 1978), яке інтенсифікує іонізацію плазми, досягають зменшення крапельної фази до 1 % (для титану за струму дуги Ід = 100 А вміст крапельної фази становить до 15 %). Сепарація крапельної фази здійснюється зміною напрямку руху потоку плазми від випаровувача (Aksenov et all., 1978). Цей спосіб можна застосовувати для установок будь-яких систем і є найбільш надійним, хоча й значно знижує ККД випаровувача.

Застосування у способі КІБ електродугового випаровування є запорукою частого використання різноманітних матеріалів: катодами системи можуть бути практично будь-які електропровідні матеріали. Однак, на відміну від катодного розпилення, де випаровування відбувається локалізованими потоками, випаровування розрядних металів із дугового розряду відбувається нерівномірно - швидше випаровуються ті матеріали, що мають меншу електричну міцність, яка пропорційна модулю пружності (Kasaev, 1968). Візуально це проявляється в яскраво вираженій лункоподібній структурі поверхні випаровування катода. Тому для кожного конкретного випадку нанесення покриттів із сплавів та композиційних матеріалів необхідно вибирати індивідуальні режими горіння дуги та досліджувати особливості процесу випаровування.

Конструкція випаровувача повинна задовольняти таким вимогам (Andreev et all., 2005):

• надійний запуск і підтримування дугового розряду у широкому діапазоні струмів;

• локалізація КП на поверхні, що випаровується;

• оптимальна скерованість плазмових потоків;

• мінімальні кількість і розміри краплин в плазмовому потоці;

• максимальний коефіцієнт використання матеріалу катода;

• достатній запас матеріалу, що випаровується;

• можливість зручної та швидкої заміни катодів.

Існуючі випаровувачі поділяються за способом утримання КП на поверхні випаровування катода та за впливом на КП з метою надання їй певної швидкості руху по визначеній траєкторії. З огляду на це, існують різноманітні конструкції випаровувачів першого типу: з ізольованими екранами, з магнітним утримуванням КП, з фокусуванням плазмового потоку, з автостабілізацією КП, комбіновані, з утримуванням КП на поверхні довгих катодів на ділянках із мінімальною міжелектродною напругою, для багатокомпонентних покриттів.

Випаровувачі другого типу є таких видів: з незам- кненою траєкторією руху КП, дугові, зі щілинними катодами, з радіальним потоком парів металу, з регульованою областю переміщення КП, зі замкненою траєкторією руху КП. У серійних установках живлення випаровувача здійснюється від зварювальних випрямлячів ВД- 305 (напруга - 60 В, струм дуги - до 300 А).

Використання високоенергетичних іонних потоків великої густини, одержаних способом прискорення плазми випаровувача, дає змогу ефективно обробляти поверхні підкладки. Під час бомбардування іонами з енергією 1...2 кеВ відбувається її інтенсивне розпилювання, за якого руйнуються та видаляються поверхневі плівки оксидів та інших забруднень. При цьому відбувається швидкий нагрів підкладки.

За наявності на оброблюваній поверхні великих забруднень (сліди жирів, інородні включення та ін.) під час нагрівання не може виникнути анодний дуговий розряд, продуктами горіння якого можуть стати складні сполуки, що погано розпилюються в іонному потоці та погіршують адгезію. Тому в установках передбачено можливість попереднього іонного травлення поверхні локалізованими високоенергетичними потоками, які виникають у тліючому розряді. Для цього у вакуумній камері за відключеного випаровувала способом прикладання до підкладки високої напруги (близько 2кВ) і напуску до камери невеликої кількості (0,3.0,6 Па) робочого газу запалюється тліючий розряд, у якому і відбувається "холодне" бомбардування поверхні деталі іонами газу. При цьому з поверхні розпилюються найбільші та летючі забруднення. Також проводять дослідження з очищення поверхні іншими способами, зокрема ультразвуком (Patent, 2017a).

У процесі наступного йонного бомбардування відбувається не тільки розпилення та нагрівання підкладки, але й часткова імплантація іонів напилюваної речовини, що сприяє покращенню адгезії. Режим осадження покриттів задається встановленням опорної напруги на підкладці в інтервалі 0.300 В і обирається, виходячи з енергетичних умов синтезу сполук та з метою підтримання необхідних температурних режимів технологічного процесу.

Заслуговує на увагу спосіб комбінованої вакуумної йонно-плазмової обробки інструмента з твердого сплаву, що полягає в обробці деталей у газорозрядній плазмі, що містить іони аргону, з одночасним очищенням іонами аргону та дифузійним насиченням поверхні деталі з використанням генератора плазми (Patent, 2017b), а також катод із механізмом його регулювання у вакуумній камері (Patent, 2017c). Для економії катодів із дефіцитних металів запропоновано використовувати зварні або спаяні катоди з корпусом із менш дорогого матеріалу, наприклад міді, яка має високу теплопровідність і забезпечує підтримку катода в інтегрально холодному стані, та матеріалу, що напилюється (Kvasnytskyi, Yer- molaiev & Kolesar, 2011).

Для економії електроенергії і води під час роботи установки запропоновано використати акумульоване тепло теплоносія, нагрітого джерелом плазми, для нагріву вакуумної камери (Patent, 2015).

Властивості вакуумних йонно-плазмових покриттів. Розвиток досліджень в області нанесення покриттів на металорізальний інструмент має відлік із створення наприкінці 60-х років минулого століття на інструментальних підприємствах ФРН і Швеції захисних шарів на твердосплавному інструменті. На початковому етапі такого розвитку було представлено звичайний твердий сплав із покриттям ТіС товщиною 5.6 мкм, нанесеним методом газофазного осадження, а надалі катодним розпиленням або електронним напиленням. За таких напилень безпосередньо під покриттям утворювалась крихка ц-фаза, що обмежувала застосування зміцненого інструмента. Надалі основним напрямом розвитку досліджень у цій галузі знань було отримання покриттів без бідної на вуглець фази за товщини покриття TiC 7.8 мкм. До цієї ж групи належать покриття Ti(CN), а також покриття на підставі HfN та Al2O3 (Schwider, 1982; Nones, 1976). На третьому етапі розвитку розпочато розробку багатошарових композицій. У таких покриттях кожен шар вже виконував окремі функції. Безпосередньо на підкладку осаджувався шар із температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР), близьким до коефіцієнта основи (TiC), поверхневі шари мали найбільшу зносостійкість (TiN, Al2O3) (Lens, Pnuell & Rozeanu, 1979). Найбільш універсальними з багатошарових композицій стали покриття TiC-TiCN-TiN з поступовим переходом у TiCN від TiC до TiN (Patent, 1979a), покриття TiC- Al2O3-TiN (Rolex, 1981), TiN-Al2O3 (Patent, 1980), TiC-Ti(CNO)-Al2O3-Cr2O3 (Patent, 1979b) та ін. Саме такі композиційні шари дають можливість найкраще поєднувати оптимальні властивості різних сполук - міцність зчеплення з основою TiC, стійкість до лункоутворення TiN та малий коефіцієнт тертя Al2O3.

Принцип використання окремих шарів у покритті для забезпечення конкретних властивостей реалізовано застосуванням п'ятьох шарів, кожний з яких має своє призначення: І - дифузійний, II - адгезійний, III - проміжний, IV - зносостійкий, V - фінішний. В такий спосіб одержали покриття, що складається з CrTiN, проміжного шару з неперіодичною структурою почерговим розпиленням двох різнорідних металів IV, V або VI груп Періодичної таблиці елементів, а також Al, Si та Y, зносостійкого шару на підставі Al і одного або кількох металів IV, V або VI груп, а також Si та Y та фінішного шару із TiN, CrN, CrTiN або TiCN (Patent, 2017d).

Ефект захисної дії покриттів на твердосплавних пластинках досягли завдяки як створенню бар'єрного шару між стружкою та основою інструмента, що запобігав зневуглецюванню поверхні, так і зменшенню зусиль різання за умови зменшення коефіцієнта тертя зі стружкою (Anikeev, 1977).

Із виникненням вакуумних технологій напилення зносостійкі покриття почали широко застосовувати для зміцнення інструментів зі швидкорізальних сталей. На відміну від твердосплавних пластинок, основним принципом підвищення працездатності покриттів на інструментальній сталі є максимальне зниження температури ріжучого клину, яке досягається як завдяки зменшенню тепловиділення в зоні різання (зменшенню сили тертя), так і перерозподілу теплових потоків між стружкою та інструментом. Утворене покриття під час різання створює екрануючий ефект, викликаний як низькою теплопровідністю захисного шару (Matcevityi et al., 1987), так і зміною локалізації температурного поля в зоні фрикційного контакту (Sinopalnikov & Gurin, 1983). Значне поширення для зміцнення швидкорізального інструменту разом з TiN і ZrN отримали багатошарові TiC-TiCN- TiN, ZrN-ZrN-TiN-TiN, TiN-Mo2N та інші покриття.

Якщо всі названі вище покриття істотно підвищують стійкість твердосплавних пластин, то такі самі композиції, осаджені на швидкорізальну сталь, характеризуються більшим розкидом показників стійкості під час оброблення різних матеріалів. Інструменти зі швидкорізальних сталей, на відміну від твердих сплавів, зазнають переважно адгезійно-втомне зношування. Тому застосування покриттів, що забезпечують високу стійкість на твердих сплавах, необов'язково дасть аналогічний ефект на швидкорізальних сталях. На них необхідно осаджувати покриття, що мають не тільки добрі фрикційні та теплові властивості, а й узгоджуються з матеріалом підкладки за ТКЛР та величиною залишкових напружень.

Рентгеноструктурні дослідження покриттів із TiN вказують на наявність у напилених шарах великих напружень стиску, величину яких знаходимо в інтервалі 2,0...3,25 ГПа (Boiko, Belova & Alekseeva, 1986). Під час нагрівання системи "сталь Р6М5 - покриття TiN" до температури 500 °С за рахунок різниці ТКЛР напруження зменшується на 0,13 ГПа.

Перспективними є покриття на підставі молібдену. Висока твердість і низький коефіцієнт тертя нітридів молібдену визначає їхні високі трибологічні властивості. Під час тертя на поверхнях контакту виникають температури вище 1000 °С. За цих умов Mo2N перетворюється в ОЦК-молібден, він окислюється киснем повітря. Оксиди молібдена відіграють роль мастильної речовини, також утворюються вторинні структури, стійкі до абразивного та адгезійного зношування, що в комплексі впливає на зменшення коефіцієнта тертя. Дослідження засвідчили, що знос покриттів із Mo2N в 10 разів менше, ніж у аналогічних сталей після нітроцемен- тації (Iskhakov et al., 1978).

Дисульфід молібдену має дуже низький коефіцієнт тертя - 0,002 (Donnet, Le Mogne & Martin, 1993), зумовлений його структурою. Атом молібдену з усіх боків оточений атомами сірки, зв'язок між якими здійснюється тільки за рахунок слабих сил Ван-дер-Ва- альса, але при цьому має низьку твердість і зносостійкість. Тому введення у кристалічну ґратку Mo2S таких металів, як: Ti, Cr, Zr I W, призводить до її викривлення, що покращує значні властивості. Величина коефіцієнта тертя хоч і збільшується до 0,02.0,12, але є прийнятною для використання таких покриттів у парах тертя (Renevier et al., 2000).

Останнім часом інтенсивно проводять дослідження щодо створення наноструктурних покриттів, які забезпечують істотне підвищення твердості та зносостійкості за рахунок максимального подрібнення зерен. Основними способами керування розмірами та орієнтуванням зерен є йонне бомбардування та модифікування (Andreev et all., 2005).

Йонним бомбардуванням можна керувати механізмом утворення покриттів під час їхнього росту за рахунок енергії, що надходить до конденсату разом з іонами. Кінетична енергія іонів перетворюється у теплову у на- нолокальних об'ємах, які згодом охолоджуються з дуже високою швидкістю близько 1014 К/с (Musil, 2000). В оброблених у такий спосіб покриттях TiCrN розміри кристалітів зменшились від 200 нм до 10 нм, а в покриттях CrN - від 45 нм до 8 нм (Gautier & Magnet, 1997).

Висновки

Технологія модифікування ґрунтується на додаванні одного або декількох елементів до основного матеріалу покриття, причому ці елементи не повинні розчинятись в основі. Елементи, що додаються, утворюють сегрегацію на границях зерен основного елемента у вигляді субмікрозернистого або аморфного шару. В утворених у такий спосіб покриттях TiN несте- хіометричного складу з вмістом азоту 38.40 % розміри кристалітів зменшуються до 9 нм (Sue, 1993).

Напрями подальших досліджень з розроблення йонно-плазмових вакуумних покриттів. Технологію вакуумного йонно-плазмового напилення часто використовують для підвищення стійкості різального інструменту, деталей машин і технологічного оснащення, чому істотно сприяє наявність вітчизняних установок типу "Булат". На сьогодні докладно вивчено вплив параметрів процесу КІБ на властивості покриттів і основи, а також працездатність інструментів із покриттями на підставі Ті, Zr, Mo, Al, Cr, W тощо.

Водночас варто відзначити, що розроблений арсенал вакуумних йонно-плазмових покриттів, що одержуються методом КІБ, застосовано переважно для інструментальних сталей і твердих сплавів.

Є потреба в дослідженні будови, фазового складу і властивостей йонно-плазмових вакуумних покриттів із чистих металів, залізовуглецевих та інших сплавів, а також у вивченні фізико-хімічних процесів, які відбуваються у системі покриття-основа, де як основу було б використано конструкційні сталі звичайної якості та якісні, а також леговані сталі. Актуальним залишається проведення досліджень впливу технологічних параметрів процесу КІБ і конструктивних особливостей деталей на геометричні характеристики покриттів, такі як: товщина, шорсткість, суцільність. Важливим чинником перед початком технологічного процесу нанесення покриттів є розроблення технології попереднього очищення і знежирення виробу. Недостатньо досліджено властивості йонно-плазмових покриттів із позиції фізико-хі- мічної механіки матеріалів - наукового напряму, що враховує під час оцінювання довговічності матеріалів вплив зовнішнього середовища, або одночасної дії механічних навантажень і робочих середовищ. Це стосується, зокрема, вивчення корозійної стійкості покриттів, стійкості проти корозійно-механічного, кавітаційно-ерозійного та інших видів зношування, корозійно-втомної міцності тощо.

Очевидно, що одним із напрямів підбору покриттів для різального інструменту зі швидкорізальних сталей повинна стати пластифікація конденсатів і зменшення величини залишкових напружень у системі основа - покриття.

вакуумних покриття плазмовий катод

Перелік використаних джерел