Главная
Случайная страница
Категории:
ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Типы нанопокрытий в машиностроении
Цель работы: изучить типы нанопокрытий, использующихся в машиностроении
Отчет должен содержать:
1. Классификацию нанопокрытий, краткое описание их свойств и областей применения
2. Анализ способов получения покрытий и схемы процессов
3. Таблицу заданных преподавателем покрытий с указанием типа, вида и класса покрытия
Краткая теоретическая часть
Классификация нанопокрытий
По назначению
| По типу и методу получения
| По химическому составу
| По композиции
| По структуре
| Декоративные
Защитно-декоративные
Упрочняющие
Износостойкие
Оптические
Антикоррозионные
Антифрикционные
Функциональные:
оптические электропроводные
резистивные
диэлектрические
магнитные
барьерные
теплозащитные
уплотнительные
каталитические
Многофункциональные
| Лако-красочные
Гальванические
Диффузионные
Газотермические:
§ газопламенные
§ детонационные
§ плазменные
Вакуумные:
§ CVD
§ PECVD
§ PVD
| Металлические
Керамические:
· нитриды
· карбиды
· бориды
· оксиды
· карбонитриды
· оксикарбонитриды
Металлокерамические
Углеродные (DLC):
· a-C (а-C:H)
· ta-C
· Me-C:H
· CNx
| Однослойные
Многослойные
Монофазные
Многофазные
Градиентные
| Аморфные
Монокристаллические
Поликристаллические
Макрокристаллические
Микрокристаллические
Субмикронные
Нанокристаллические
Нанокомпозитные (2D и 3D)
|
Способы получения нанопокрытий
Наименование метода
| Условия реализации метода
| Основные виды покрытий
| Преимущества метода
| Недостатки метода
|
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):
HT-CVD
MT-CVD
PE-CVD
| Рабочие газы: Ar, N2 (NH4), CH4, CO2, пары MeCln (Me=Ti, Zr, Al)
Р, Па Т, 0С
8·103-1·105 950 – 1100
8·103-5·104 780 – 850
8·101-5·102 550 – 650
| Керамические покрытия: TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, ZrO2 на твердосплавный инструмент
| Простота и высокая плотность загрузки изделий (отсутствие вращения). Пониженные требования к подготовке изделий. Высокая адгезия. Возможность получения толстых покрытий. Простота получения оксидных покрытий.
| Температурные ограничения по материалам изделий. Низкая скорость осаждения. Пониженные механические свойства покрытий. Специальные меры по экологической безопасности.
| Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
| Резистивное испарение
| Рабочая среда: вакуум 10-2 – 10-3 Па
Испарение металлов резистивным нагреванием
| Металлические покрытия: Al, Ag, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, Co, Si
| Высокая скорость осаждения.
Возможность получения толстых покрытий.
| Недостаточно плотная структура покрытий.
Невысокие механические свойства.
| Электронно-лучевое испарение
| Рабочая среда: вакуум 10-4 – 10-3 Па реактив. газы N2, O2, CH4.
Испарение металлов сфокусированным электронным пучком с дополнительной ионизацией
| Металлические покрытия: Al, Ag, Cu,Ti, Cr, Ni, Co, Si
Керамические покрытия: TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, ZrO2/Y2O3
| Высокая скорость осаждения.
Возможность получения толстых покрытий (до 200 мкм).
Высокая чистота покрытий (min примесей)
| Трудно обеспечить равномерность толщины и стехиометрии на изделиях сложной конфигурации.Низкая степень загрузки изделиями объема рабочей камеры
| Лазерное испарение
| Рабочая среда: вакуум 10-5 – 10-3 Па Испарение материалов различного состава лазерным импульсом длительностью от мкс до фс
| Покрытия для микроэлектроники:
Sb2S3, As2S3, SrTiO3, BaTiO3, GaAs
Покрытия DLC с высокими характеристиками.
| Получение покрытий сложных соединений
Высокая чистота покрытий (min примесей)
| Сложность технической реализации.
| Вакуумно-дуговое испарение
| Рабочая среда: вакуум 10-3 – 10-2 Па реактив. газы N2, O2, CH4.
Р = 0,01 – 1 Па Т = 300 – 6000С
Испарение металлов в катодном пятне дугового разряда. Осаждение покрытий с высокой степенью ионного воздействия.
| Металлические покрытия: Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY (M=Ni, Co)
Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrCN, TiAlN, AlCrN, TiO2, ZrO2
Нанокомпозиты: TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4
Покрытия DLC
| Высокая скорость осаждения.
Относительная простота технической реализации.
Эффективная ионная очистка изделий перед нанесением покрытий.
Высокие свойства керамических покрытий.
| Наличие в структуре покрытий микро капельной металлической фазы.
Относительно высокие температуры осаждения покрытий.
|
Магнетронное распыление:
MS (CM)
MSIP (HM)
HIS (ДМ)
HIPIMS
| Рабочая среда: газы Ar, N2, O2, CH4.
Р = 0,05 – 1 Па Т = 60 – 6000С
Ионное распыление металлов в магнетронном разряде
Осаждение покрытий с различной степенью ионного воздействия:
слабое ν < 0,1
умерен.-высокое ν = 0,1-8
высокое ν = 8-12
сверхвысокое ν > 12
| Полный спектр металлических покрытий: Al, Ag, Au,Cu, Zn, Sn, Cd Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY (M=Ni, Co) и др.
Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrОN, TiAlN, AlCrN, TiBN CrAlTiYN, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2.
Нанокомпозиты: 3D: TiAlN/Si3N4, TiN/BN AlCrN/Si3N4, ZrN/Cu ZrO2/Al2O3. 2D: TiN/NbN, TiN/CrN, TiN/AlN, CrN/AlN, TiN/CN.
Покрытия DLC ν =
| Плотная микро (нано) кристаллическая структура металлических и керамических покрытий при полном отсутствии капельной фазы.
Возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах.
Наиболее широкий спектр покрытий различного назначения.
Высокая скорость осаждения.
Высокие свойства металлических и керамических покрытий.
| Относительная сложность технической реализации метода при получении реактивных (керамических) покрытий.
Относительно высокая стоимость оборудования.
| Обозначения и сокращения:
CVD – Chemical Vapour Deposition – физическое осаждение из паровой фазы
PVD – Physical Vapour Deposition – химическое осаждение из паровой фазы
PECVD – Plasma Enhancement CVD – усиленное плазмой химическое осаждение из паровой фазы
DLC – Dimond Like Carbon – алмазоподобный углерод
СМ – сбалансированный магнетрон. НМ – несбалансированный магнетрон. ДМ– дуальный магнетрон.
MS – осаждение магнетронным распылением без ионного воздействия с использованием СМ.
MSIP – ионное осаждение магнетронным распылением с использованием НМ.
НIS – осаждение магнетронным распылением с высокой ионизацией с использованием ДМ.
HIPIMS – магнетронное распылением импульсами высокой мощности.
ν = ni /nat – число ионов приходящихся на один осажденный атом при нанесении покрытий.
Пример заполнения таблицы
Покрытие
| Структура
| Брутто-формула
| Адгезионный слой
| Переходный слой
| | TiN
| Монофазная
| TiN
| Ti
| ─
| CrN
| Монофазная
| CrxN, x=0.5-1
| Cr
| ─
| TiCN
| Двухфазная
| TiCxN1-x, x=0.5-0.7
| Ti
| TiN
| TiN→TiCN
| Градиентная
| TiCxN1-x, x=0.4→0.7
| Ti
| TiN
| TiAlN
| Градиентная
| TixAl1-xN, x=0.7→0.5
| Ti
| TiN
| AlCrN
| Двухфазная
| AlxCr1-xN, x=0.75-0.65
| Cr
| CrN
| AlTiN
| Нанокомпозитная TiN-nc/AlN-nc
| AlxTi1-xN, x=0.65-0.55
| Ti
| TiN
| AlSiTiN
| Нанокомпозитная TiAlN-nc/Si3N4-a
| Al0.4Si0.05Ti0.55N
| Ti
| TiN
| AlSiCrN
| Нанокомпозитная AlCrN-nc/Si3N4-a
| Al0.82Si0.10Cr0.08N
| Cr
| CrN
| | | | | | | | | | |
Лабораторная работа 4.
|