Повышение качества деталей машин нанесением покрытий

Покрытия, получаемые термовакуумным напылением. 
 

  Термовакуумный метод нанесения покрытий [45, 61] основан на конденсации на поверхностях деталей пленки металла или химического соединения, переведенного в парообразное состояние нагревом наносимого вещества (от нагревателя сопротивления, электронным лучом, индукционным методом, взрывом проволочки и, наконец, лазерным лучом). Энергия атомов или молекул в образующейся паровой фазе невелика, поэтому для образования качественного покрытия с хорошей адгезией к основе требуется нагревать ее до температур, обеспечивающих прохождение диффузионных процессов на границе покрытие — основа. Термовакуумные методы могут быть реализованы в высоком вакууме. Производительность этих методов может быть достаточно высокой. К их недостаткам относятся: изотропный разлет наносимых веществ при их испарении (что приводит к высоким непроизводительным потерям напыляемых материалов); невозможность нанесения недостаточно стабильных веществ; трудность нанесения сплавов заданного состава при различной упругости паров компонентов; необходимость нагрева деталей (подложки) до высоких температур.

  Вакуумные ионно-плазменные покрытия и модифицированные слои. Для образования качественного покрытия при более низких температурах деталей необходимо повысить энергию конденсирующихся на них частиц. При соударении с твердой поверхностью частиц с достаточно высокой энергией в микрообъемах создаются условия, при которых обеспечивается образование химических связей без объемного нагрева деталей (что лежит в основе всех вакуумных ионно-плазменных методов нанесения покрытий). В образовании покрытия при этих методах участвуют нейтральные и возбужденные частицы (атомы, молекулы и кластеры) с высокой энергией (превышающей в десятки и сотни раз энергию тепловых атомов и молекул) и ионы, энергию которых можно варьировать в широких пределах изменением ускоряющего напряжения.

  Вакуумные ионно-плазменные процессы нанесения покрытий характеризуются следующими основными этапами: генерацией атомарного или молекулярного потока вещества, его ионизацией, ускорением и фокусировкой и, наконец, конденсацией на поверхности деталей или подложки. Для генерации потока вещества используются разогрев потоком электронов и различные формы газовых разрядов (тлеющий, дуговой с нерасходуемым термоэмиссионным катодом, дуговой с термоавто-эмиссионным расходуемым катодом) [26, 45, 71].

  Применительно к нуждам машиностроения вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий и создания модифицированных поверхностных слоев можно условно разделить на четыре группы: а) ионно-диффузионные методы, осуществляемые в тлеющем разряде; б) методы, основанные на явлении катодного распыления в разряде постоянного тока и в высокочастотном разряде; в) ионное осаждение; г) ионное легирование и внедрение (имплантация).

  Примером методов первой группы является ионное азотирование 14, 42], которое может проводиться при более низких температурах и со значительно большей скоростью (табл. 20), чем традиционное {в результате радиационного стимулирования скорость диффузии азота многократно увеличивается). Ионно-диффузионные методы могут быть также применены для насыщения поверхностных слоев кремнием, углеродом и другими элементами, получения карбонитридных слоев и т. и.

  При использовании методов, основанных на явлении катодного распыления 161,71 ], покрытие образуется в результате конденсации главным образом нейтральных частиц, выбиваемых из мишени бомбардировкой ионами инертного газа (аргона, криптона), имеющими высокую энергию. Энергия частиц наносимого материала по крайней мере на порядок выше, чем энергия частиц, образующихся при испарении в термовакуумных методах. Методы позволяют наносить самые тугоплавкие и недостаточно стабильные соединения с сохранением их етехнометрического состава, нанесение которых термовакуумными методами невозможно. Находят применение системы с автономными ионными источниками. Системы распыления на постоянном токе используются для нанесения покрытий из проводящих электрический ток материалов, системы высокочастотного распыления — из диэлектриков.

  Наиболее полно преимущества методов, основанных на явлении катодного распыления, реализуются в системах магветронного распыления [25], в которых разряд осуществляется в скрещенных электрических и магнитных полях. Благодаря этому производительность магнетронных распылительных систем одного порядка с производительностью установок, работающих по методу КИБ (с электродуговым испарителем). К преимуществам их относится отсутствие капельной фазы, что позволяет наносить покрытия практически без искажения исходного качества поверхности.

  При использовании методов ионного осаждения [26, 71] частицы наносимого материала, переведенного тем или иным способом в газообразное или парообразное состояние, ионизируются и ускоряются в электрическом поле. Адгезия и служебные характеристики покрытий повышаются при увеличении энергии частиц, задаваемой ускоряющим напряжением. В нашей стране применяются методы КИБ (конденсация при ионной бомбардировке), РЭП (реактивное электронно-плазменное напыление) и др. В табл. 21 приведены сведения об износостойкости покрытий, нанесенных методом КИБ.

  Ионное легирование, или имплантация [33, 106], основано на том явлении, что при больших энергиях ионы проникают в кристаллическую решетку на большую глубину (легируя таким образом поверхностный слой детали). Этому способствует радиационно-стимулированная диффузия, благодаря которой легируется слой, толщина которого во много раз превышает глубину начального проникновения ионов. Механические свойства и износостойкость модифицированных таким способом поверхностных слоев повышаются также и в результате искажений кристаллической решетки, возникающих при «вбивании» в нее ионов легирующего компонента.