RU2052540C1

RU2052540C1 - Film coating deposition method

Info

Publication number: RU2052540C1
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Мартынов; Алексей Петрович Белокуров; Оксана Михайловна Мартынова
Original assignee: Михаил Иванович Мартынов; Алексей Петрович Белокуров; Оксана Михайловна Мартынова
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method involves effectuating vacuum deposition of coating on product surface by spraying of ceramic target with compensated ion beam of inert or chemically active substance or combination of these substances, with product surface being preliminarily treated with this ion beam. In the process of deposition, part of ion beam is directed onto surface to be treated. EFFECT: improved quality by increased strength of product. 1 dwg

Description

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. The invention relates to mechanical engineering and can be used to harden the working edges of a cutting tool, increase the wear resistance of rubbing pairs, especially at high speeds of relative motion, protection against chemically aggressive environments, elevated temperatures, and in some other cases.

Известны способы нанесения керамических покрытий изделий с помощью плазменной струи, содержащей порошок керамики. Known methods for applying ceramic coatings of products using a plasma jet containing ceramic powder.

Однако полученные такими способами покрытия оказываются пористыми и хрупкими. However, the coatings obtained by such methods turn out to be porous and brittle.

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. A known method of applying a ceramic film coating of titanium nitride, which consists in atomizing a cathode of titanium in an arc discharge in the presence of nitrogen and depositing the resulting titanium nitride on the surface of the product.

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. However, this method allows ceramic coatings of a sufficiently narrow class of substances (nitrides) to be applied to the products, moreover, titanium is sprayed in the form of microdroplets and the quality of the coating strongly depends on the size of the droplets and preliminary surface preparation. Adhesion (adhesion) of the ceramic film to the surface of the product is affected by moisture adsorbed on the surface, vapors of vacuum oil and other microcontaminants, which are almost impossible to remove by preliminary cleaning of the surface.

Цель изобретения расширение класса веществ, используемых в качестве покрытий, и улучшение качества покрытий. The purpose of the invention is the expansion of the class of substances used as coatings, and improving the quality of coatings.

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.This goal is achieved by the fact that the coating is applied to the surface by spraying a ceramic target with a compensated ion beam, pre-treating it with an ion beam of an inert or chemically active substance, or a combination of these substances. During coating the surface of the product, part of the ion beam is directed to this surface. The sprayed ceramic target is assembled from individual ceramic parts. During the procedure for surface treatment of the product, the vacuum conditions are chosen no worse than 3x10 ^-5 mm Hg. When coating at least 1% of the total beam current is sent directly to the treated surface of the product.

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. The use of a compensated ion beam makes it possible to spray ceramics of almost any composition, regardless of its electrical conductivity. Pre-treatment of the surface of the product with an ion beam allows you to remove traces of moisture, oils, adsorbed gases and other contaminants that reduce the adhesion of the coating to the substrate. If a chemically active substance (for example, titanium material, a chemically active substance for nitrogen pretreatment) is used for such a treatment, then simultaneously with the cleaning, the surface layer will harden and the coating quality will improve.

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. A constant direction of at least 1% of the total ion beam current to the surface of the product during deposition makes it possible to constantly remove components weakly bonded to the surface, primarily vacuum oil cracking products, which can impair the quality (strength) of the coating. The constant ionic surface bombardment provides a finely crystalline, almost amorphous coating structure. In order to avoid cracking and destruction of the target associated with non-uniform and rapid heating of its ion beam, the target must be assembled from separate, fairly small elements. When these vacuum conditions deteriorate, the quality of the coating also deteriorates.

На чертеже изображена схема устройства для реализации указанного способа. The drawing shows a diagram of a device for implementing this method.

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. The device contains an ion source 1, a ceramic target, consisting of individual ceramic parts, the workpiece 3. At the output of the ion source 1 is a compensator 4 of the space charge of the ion beam. The target 2 receives a compensated ion beam 5, which sprays it and creates a stream of 6 molecules of the target material, deposited on the product 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. The method is implemented as follows. After turning on the ion source with the compensator and obtaining the compensated ion beam 5, it is sent to the product 3, turning the source 1 or moving the product 3 together with the target 2 across the beam, and the beam 5 of the product 3 is processed, i.e. remove traces of moisture, oils, adsorbed gases and other contaminants from its surface. Then, the beam 5 is directed to the ceramic target 2 and a ceramic film is sprayed onto the product. The shape and size of the ion beam is chosen in such a way that part of it (usually not exceeding 10% of the total current) constantly gets on the product, ensuring its constant cleaning.

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.In all of the following examples of the method, the ceramic target was a set of sintered alumina tubes with an outer diameter of 6 mm; the ion current density on the product during coating is 1-10% of the average ion current density on the target; vacuum during all stages of the process is not worse than 3x10 ^-5 mm Hg The flow rate of the working fluid in the ion source is from 0.05 to 0.3 cm ³ / s.

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.PRI me R 1. A plate of tool steel was treated with a beam of Xe ions with an energy of 2.5 kV, a current density of 3 mA / cm ² for 10 minutes Then the beam energy was raised to 5 kV, and the current density to 8 mA / cm ² . The beam was directed onto the target and sprayed for 8 hours. The coating thickness was about 10 μm. The surface microhardness increased by a factor of 2 (from 5252 N / mm ² to about 10,000 N / mm ² ). The nature of the imprint corresponded to the amorphous structure of the coating.

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.PRI me R 2. Drills made of steel P18 was treated with a beam of Kr ions with an energy of 3 kV and a current density of 10 mA / cm ² for 5 minutes Then the beam energy was increased to 6 kV, and the current density to 20 mA / cm ² . The beam was directed onto the target and sprayed for 2 hours. The coating thickness was about 5 μm. The wear resistance of the tool has increased approximately twice.

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.Example 3. A polished copper plate was treated with an Ar ion beam with an energy of 3 kV and a current density of 15 mA / cm ² for 3 min, after which the beam energy was raised to 6 kV and the current density to 25 mA / cm ² . The beam was directed onto the target and sprayed for 20 min. The coating thickness is approximately 0.7 μm. After holding the plate for a year, no traces of oxidation of the surface coatings were found.

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.Example 4. A molybdenum plate was treated with N ions with an energy of 1.5 kV and a current density of 10 mA / cm ² for 15 min or with N ions together with Kr ions in various combinations at an energy of 1.5 kV and current density 7 mA / cm ² . Then the energy was increased to 6 kV, and the current density was up to 20 mA / cm ² and spraying was carried out for 1.5 hours. The coating thickness was about 3 μm. After coating, the plate was partially immersed in a solution of nitric acid for 1 min and rinsed with water. On the untreated side of the plate, traces of molybdenum etching were clearly visible. No etching was found on the coated side.

Аналогичным образом проводили обработку изделий, нанося керамические покрытия из окиси кремния и окиси циркония. Результаты оказались близкими по сравнению с окисью алюминия. In a similar manner, products were processed by applying ceramic coatings of silicon oxide and zirconium oxide. The results were close compared with aluminum oxide.

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. Using the proposed method of applying ceramics, it is possible to obtain film coatings from virtually any types of ceramics that currently exist, and they can be applied not only to metals, but also to any other materials that can withstand vacuum conditions.

Claims

METHOD FOR APPLYING FILM COATING, including preliminary ionic treatment of the surface of the substrate and deposition of the coating material on the substrate with simultaneous ionic treatment, characterized in that for the deposition and processing using one source of a compensated ion beam of an inert and / or chemically active substance, the deposition of the coating is carried out by ion irradiating a ceramic target by positioning the substrate and the target during the deposition process so that part of the ion beam is directed onto the substrate.