способ нанесения пленочного покрытия

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ, включающий предварительную ионную обработку поверхности подложки и осаждение материала покрытия на подложке с одновременной ионной обработкой, отличающийся тем, что для осаждения и обработки используют один источник компенсированного ионного пучка инертного и/или химически активного вещества, осаждение покрытия ведут путем ионно-лучевого распыления керамической мишени, располагая подложку и мишень в процессе осаждения так, что часть ионного пучка направляется на подложку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для упрочнения рабочих кромок режущего инструмента, увеличения износостойкости трущихся пар, особенно при больших скоростях относительного движения, защите от химически агрессивных сред, повышенных температур и в ряде иных случаев.

Известны способы нанесения керамических покрытий изделий с помощью плазменной струи, содержащей порошок керамики.

Однако полученные такими способами покрытия оказываются пористыми и хрупкими.

Известен способ нанесения пленочного керамического покрытия из нитрида титана, заключающийся в распылении в дуговом разряде катода из титана в присутствии азота и осаждении полученного нитрида титана на поверхности изделия.

Однако этот способ позволяет наносить на изделия керамические покрытия достаточно узкого класса веществ (нитридов), причем распыление титана происходит в форме разбрызгивания микрокапель и качество покрытия сильно зависит от размера капель и предварительной подготовки поверхности. На сцепление (адгезию) керамической пленки с поверхностью изделия влияют адсорбированные на поверхности влага, пары вакуумного масла и другие микрозагрязнения, которые практически невозможно удалить предварительной очисткой поверхности.

Цель изобретения расширение класса веществ, используемых в качестве покрытий, и улучшение качества покрытий.

Указанная цель достигается тем, что покрытие наносят на поверхность распылением керамической мишени компен- сированным ионным пучком, предварительно обработав ее ионным пучком инертного или химически активного вещества или комбинацией из этих веществ. Во время нанесения покрытия на поверхность изделия часть ионного пучка направляют на эту поверхность. Распыляемую керамическую мишень собирают из отдельных керамических деталей. При проведении процедуры обработки поверхности изделия вакуумные условия выбирают не хуже 3х10^-5 мм рт.ст. При нанесении покрытия не менее 1% полного тока пучка направляют непосредственно на обрабатываемую поверхность изделия.

Использование компенсированного ионного пучка позволяет производить распыление керамики практически любого состава вне зависимости от ее электропроводности. Предварительная обработка поверхности изделия ионным пучком позволяет удалить с нее следы влаги, масел, адсорбированные газы и прочие загрязнения, которые снижают сцепление покрытия с подложкой. Если для такой обработки использовать химически активное вещество (например, материал изделия титан, химически активное вещество для предварительной обработки азот), то одновременно с очисткой произойдет упрочнение поверхностного слоя и улучшение качества покрытия.

Постоянное направление не менее 1% полного тока ионного пучка на поверхность изделия во время напыления дает возможность постоянно удалять слабо связанные с поверхностью компоненты, в первую очередь продукты крекинга вакуумного масла, которые могут ухудшить качество (проч-ность) покрытия. Постоянная ионная бомбардировка поверхности обеспечивает мелкокристаллическую, почти аморфную структуру покрытия. Чтобы избежать растрескивания и разрушения мишени, связанного с неравномерным и быстрым прогревом ее ионным пучком, мишень необходимо собирать из отдельных, достаточно малых элементов. При ухудшении указанных вакуумных условий качество покрытия также ухудшается.

На чертеже изображена схема устройства для реализации указанного способа.

Устройство содержит ионный источник 1, керамическую мишень, состоящую из отдельных керамических деталей, обрабатываемое изделие 3. На выходе ионного источника 1 расположен компенсатор 4 объемного заряда ионного пучка. На мишень 2 поступает компенсированный ионный пучок 5, который распыляет ее и создает поток 6 молекул материала мишени, осаждающийся на изделии 3.

Способ реализуется следующим образом. После включения ионного источника с компенсатором и получения компенсированного ионного пучка 5 его направляют на изделие 3, поворачивая источник 1 или передвигая изделие 3 вместе с мишенью 2 поперек пучка, и производят обработку пучком 5 изделия 3, т.е. удаляют с его поверхности следы влаги, масел, адсорбированных газов и прочих загрязнений. Затем пучок 5 направляют на керамическую мишень 2 и производят напыление керамической пленки на изделие. Форму и размеры ионного пучка выбирают таким образом, чтобы часть его (обычно не превышающая 10% от полного тока) постоянно попадала на изделие, обеспечивая его постоянную очистку.

Во всех перечисленных ниже примерах реализации способа керамическая мишень представляла собой набор трубок из спеченной окиси алюминия наружным диаметром 6 мм; плотность ионного тока на изделии во время нанесения покрытия 1-10% от средней плотности ионного тока на мишень; вакуум во время проведения всех стадий процесса не хуже 3х10^-5 мм рт.ст. Расход рабочего тела в ионном источнике от 0,05 до 0,3 см³/с.

П р и м е р 1. Пластину из инструментальной стали обрабатывали пучком ионов Хе с энергией 2,5 кВ, плотностью тока 3 мА/см² в течение 10 мин. Затем энергию пучка поднимали до 5 кВ, а плотность тока до 8 мА/см². Пучок направляли на мишень и проводили напыление в течение 8 ч. Толщина покрытия при этом составляла около 10 мкм. Микротвердость поверхности возросла в 2 раза (с 5252 Н/мм² до примерно 10000 Н/мм²). Характер отпечатка соответствовал аморфной структуре покрытия.

П р и м е р 2. Сверла из стали Р18 обрабатывали пучком ионов Kr с энергией 3 кВ и плотностью тока 10 мА/см² в течение 5 мин. Затем энергию пучка увеличивали до 6 кВ, а плотность тока до 20 мА/см². Пучок направляли на мишень и проводили напыление в течение 2 ч. Толщина покрытия составила около 5 мкм. Износостойкость инструмента возросла примерно в два раза.

П р и м е р 3. Полированную пластину из меди обрабатывали пучком ионов Ar с энергией 3 кВ и плотностью тока 15 мА/см² в течение 3 мин, после чего энергию пучка поднимали до 6 кВ, а плотность тока до 25 мА/см². Пучок направляли на мишень и проводили напыление в течение 20 мин. Толщина покрытия примерно 0,7 мкм. После выдержки пластины в течение года следов окисления покрытий поверхности не обнаружено.

П р и м е р 4. Пластину из молибдена обрабатывали ионами N с энергией 1,5 кВ и плотностью тока 10 мА/см² в течение 15 мин или ионами N вместе с ионами Kr в различных сочетаниях при энергии ионов 1,5 кВ и плотности тока 7 мА/см². Затем энергию увеличивали до 6 кВ, а плотность тока до 20 мА/см² и проводили напыление в течение 1,5 ч. Толщина покрытия около 3 мкм. После нанесения покрытия пластину частично погружали в раствор азотной кислоты на 1 мин и ополаскивали водой. На необработанной стороне пластины были отчетливо видны следы травления молибдена. На покрытой стороне следов травления обнаружено не было.

Аналогичным образом проводили обработку изделий, нанося керамические покрытия из окиси кремния и окиси циркония. Результаты оказались близкими по сравнению с окисью алюминия.

Использование предлагаемого способа нанесения керамики позволяет получать пленочные покрытия практически из любых существующих в настоящее время видов керамики, причем наносить их можно не только на металлы, но и на любые другие материалы, выдерживающие вакуумные условия.