Введение к работе
Актуальность темы
Основной задачей технологического, в частности, электронного машиностроения является производство изделий и материалов электронной техники с заданными структурой и свойствами, которые зависят, в основном, от химического состава, технологии производства, физико-технических характеристик. Рациональное использование материалов и обеспечение большой долговечности изделий из них возможно при условии их целевого использования и выбора материалов в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому, применение прогрессивных материалов, обеспечивает максимально возможную эксплутационную работоспособность инструментов различного назначения и изделий электронной техники за счет повышения их функциональных характеристик. Достижение данной цели возможно, в частности, при использовании прогрессивных методов модификации или защиты изделий, позволяющих противостоять воздействию циклических и статических напряжений, кратковременным перегрузкам и повышенным температурам.
Развитие современной техники характеризуется интенсификацией режимов работы различных устройств, увеличением эксплуатационных температур и давлений. Для удовлетворения соответствующих требований необходимо использовать новые материалы с заданными свойствами. Одним из способов создания подобных материалов является нанесение специальных (упрочняющих, защитных, термозащитных) покрытий, поскольку новые методы нанесения покрытий, в частности, основанные на использовании плазменных процессов, позволяют значительно расширить состав материалов покрытий и областей их применения. Технологические методы обеспечивают локальное упрочнение изделий и материалов электронной техники путем формирования покрытий с заданным фазовым составом и структурными особенностями. Технико-экономическая эффективность технологических локальньж методов поверхностной модификации предопределила поиски путей их реализации с целью создания изделий электронной техники и технологических инструментов, отличающихся высокими эксплутационными характеристиками.
В России и за рубежом работы в области получения, исследования и возможностей применения в машиностроении и в электронной технике защитных тонкопленочных покрытий на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы постоянно ведутся в Московском государственном институте стали и сплавов (Технологический университет); Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана; Scientific-Industrial Enterprise "Metal" (США); Scientific-Technical Association "Termosynthesis" (США); Scientific-Educational Center of SHS (США); ОАО Центральный научно-исследовательский технологический институт
"Техномаш" (Москва); Научно-иссле; о№лИЗДНОЙМАННМИ вакуумной техники
с о»
?2Ш
4 им. СА.Векшинского (Москва); Инновационно-технологическом центре "Новые материалы и химические технологии" (С.-Петербург); Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН (Апатиты); Харьковском физико-техническом институте (Украина), Институте физической химии РАН (Москва), Институте общей физики РАН (Москва) и других.
Получению, анализу свойств и применению защитных тонкопленочных покрытий на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы посвящены работы Левашова ЕА, Панфилова Ю.В., Штанского Д.В., Табакова В.П., Белоуса ВА., Герасимова Л.Г., КасиковаАГ., БелянинаАФ., СпицынаБ.В., ЕлинсонВ.М., БочкареваВ.Ф., Ральченко В.Г., Каменевой АЛ., КоллигонаЖ.С, ЛероуО., Гаммела Ф., ХайманаЛ. и других. Полученные результаты по разработке технологии получения и изучение свойств защитных покрытий даю г возможность оценить эффективность использования тонкопленочных материалов для повышения срока службы быстроизнашивающихся деталей машин, технологического инструмента и в устройствах электронной техники.
Таким образом, необходимость исследований в области разработки конструктивно-технологических решений по формированию упрочняющих, защитных, термозащитньж покрытий с заданными строением и свойствами и использованию в устройствах электронной техники с применением функциональных структур очевидна. Создание эффективных технологий и оборудования для формирования упрочняющих, защитных, термозащитньж покрытий пригодньж для создания изделий электронной техники и машиностроения с высокими эксплутационными характеристиками актуально, является приоритетным направлением развития науки, технологий и техники и неоднократно подчеркивалось в решениях международных и российских конференций и симпозиумов.
Цель работы
Целью настоящей работы являлась разработка технологии и оборудования для получения защитных упрочняющих и термозащитньж тонкопленочных покрытий с контролируемой структурой и их использование при производстве изделий электронной техники и инструмента (с улучшенными эксплуатационными характеристиками) в технологическом машиностроении. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие технологические и исследовательские задачи:
-Исследовать строение и некоторые функциональные свойства упрочняющих и термозащитньж тонкопленочных покрытий.
-Получить экспериментальные данные об особенностях формирования тонкопленочных покрытий в условиях ионно-плазменных процессов.
- Исследовать условия получения защитных тонкопленочных покрытий на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы (структурно совершенных и текстурированных) на подложках из использованных в работе материалов.
-Изучить особенности распыления многофазных мишеней сложного состава в условиях, когда образование равновесных твердых растворов не имеет места.
- Определить условия формирования покрытий на основе нитридов элементов III и
IV групп Периодической системы при ионно-плазменных процессах, позволяющие
получать необходимые величины адгезии и сплошности покрытия.
Создать принципиально новое и модернизировать существующее специальное технологическое оборудование:
Разработать и изготовить трехкамерную установку магнетронного распыления со шлюзовой загрузкой, позволяющую получать в одном цикле многослойные покрытия.
С целью получения тонкопленочных покрытий на основе A1N в Ar+N2 газовой смеси модернизировать промышленную установку магнетронного распыления КАТОД- Ш с использованием специально разработанных планарных магнетронов.
-Провести модернизацию конструкции вакуумной установки, укомплектованной тремя технологическими источниками (автономный источник ионов, дуговой источник и магнетрон на постоянном токе).
-Изучить влияние параметров процесса и конструктивных особенностей оборудования на функциональные свойства тонкопленочных покрытий и получить упрочняющие и термозащитные тонкопленочные покрытия с контролируемой структурой при использовании различных методов.
-Разработать технологические процессы формирования многослойных покрытий, содержащих не только слои различных материалов, но и одного материала различного строения с целью обеспечения комплекса необходимых свойств для устройств термопечати (направленность теплоотвода, износостойкость, электросопротивление, защита от окисления и других).
-Разработать процессы упрочнения инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава покрытиями сложного состава, а их выбор, на основании комплексньж исследований состава и технологии осаждения функциональных покрытий, позволит использовать технологический инструмент для обработки изделий из различных материалов, используемых в электронной технике и машиностроении.
Научная новизна
-
Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что формирование тонкопленочных покрытий в условиях ионно-плазменных процессов может быть охарактеризовано как происходящее при потере морфологической устойчивости плоских поверхностей роста.
-
Защитные и термозащитные тонкопленочные покрытия на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы можно получать структурно совершенные и текстурированные (столбчатая аксиальность) на подложках из использованных в работе материалов, при этом, взаимодействие ионов азота и металлов, образующихся в плазме, происходит в адсорбированном слое. Функциональные характеристики тонкопленочных покрытий улучшаются при определенных соотношениях концентраций кристаллической и ренгеноаморфной фаз, при этом
оптимальные результаты достигнуты при заданном ориентировании нанокристаллитов.
-
Распыление многофазных мишеней сложного состава происходит в условиях, когда образование равновесных твердьж растворов не имеет места, что обусловлено наличием различных механизмов формирования пленкообразующих частиц; последнее приводит к неоднозначной зависимости между расчетным (по составу мишени) и экспериментально наблюдаемым фазовым составом покрытия. Впервые показано, что в условиях воздействия пучков распыленных ионов наблюдается локальное плавление с перекристаллизацией вещества мишени и изменением его фазового состава.
-
Условия формирования покрытий на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы при ионно-плазменных процессах определяют величину адгезии и сплошности получаемого покрытия, при этом, наилучшие результаты, по эксплуатационным характеристикам, имеют место для наноструктурированньж (с частичным сохранением когерентности) тонкопленочных систем.
-
Защитные, в частности, упрочняющие тонкопленочные покрытия на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы характеризуются наличием рентгеноаморфньж и частично текстурированньж кристаллических фаз, соотношение содержания которьж зависит от условий формирования.
-
Для обеспечения комплекса необходимых свойств для устройств термопечати (направленность теплоотвода, износостойкость, электросопротивление, зашита от окисления и других) необходимо формировать многослойное покрытие, содержащее не только слои различных материалов, но и одного материала различного строения.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных по различным методикам; удовлетворительным согласием теоретических оценок и экспериментальных результатов; непротиворечивостью полученных экспериментальных данньж и выводов с результатами других исследователей; использованием современньж экспериментальных методик исследования модифицированной поверхности; систематическим характером экспериментальных исследований; практической реализацией научных положений и выводов при создании специального технологического оборудования и разработке технологий по формированию упрочняющих, защитных, термозащитньж покрытий с заданными строением и свойствами с последующим их использованием в устройствах электронной техники и в технологическом машиностроении.
На зашиту выносятся слелуюпще результаты:
1. Многослойные покрытия (экспериментальные данные) с оптимальными функциональными свойствами формируются в определенном интервале технологических параметров, определяющих относительное содержание кристаллической и ренгеноаморфньж фаз, при чем значительную роль играют температура и скорость осаждения покрытия, содержание азота в газовой смеси. В свою
7 очередь, целенаправленное изменение состава и свойств функциональньж покрытий позволяет использовать упрочненный технологический инструмент, как для обработки различных технологических материалов, так и при производстве устройств электронной техники.
-
Упрочняющие тонкопленочные покрытия на основе ZrN, TiZrN, TiBSiN, формирующиеся в условиях ионно-плазменных процессов, как правило, неравномерно распределены по поверхности подложек, лишь многослойные тонкопленочные покрытия при многократном повторении цикла осаждения позволяют получать необходимые эксплуатационные характеристики. Наноструктурированные тонкопленочные покрытия на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы, характеризующиеся малым размером кристаллитов и заданным соотношением рентгеноаморфньж и кристаллических фаз, формируются в условиях предварительной ионно-лучевой обработки с последующим магнегронным распылением.
-
Формирование многослойных тонкопленочных покрытий A1N, содержащих слои одного материала различного состава и заданное количество ориентированной (текстура) кристаллической фазы, позволяет на порядки повысить износостойкость элементов электронной техники (устройств термопечати) по сравнению с другими защитными материалами, включая имеющими большую твердость.
-
Детальное изучение процессов изнашивания технологического инструмента позволяет обоснованно проводить выбор составов разрабатываемых покрытий и методов упрочнения. С использованием различных механизмов упрочнения и материала покрытий получены термически устойчивые, износостойкие покрытия ZrN, TiZrN, TiBSiN, позволяющие в сложных технологических условиях обрабатывать такие сложные материалы, как нержавеющие стали и жаропрочные сплавы.
Практическая ценность работы
-
Экспериментальные результаты по исследованию влияния параметров формирования тонкопленочных покрытий и конструкционных особенностей оборудования на процессы наноструктурирования (влияющие на относительное содержание и строение кристаллической и ренгеноаморфных фаз в формируемых покрытиях) позволили разработать высокоэффективные технологические процессы.
-
Разработана и изготовлена трехкамерная установка магнетронного распыления со шлюзовой загрузкой, позволяющая получать в одном цикле многослойные покрытия. С целью получения тонкопленочных покрытий на основе A1N в Ar+N2 газовой смеси модернизирована промышленная установка магнетронного распыления КАТОД- ІМ с использованием специально разработанньж планарных магнетронов.
-
Проведена модернизация конструкции вакуумной установки, укомплектованной тремя технологическими источниками (автономный источник ионов, дуговой источник и магнетрон на постоянном токе) с целью получения наноструктурированньж тонкопленочных покрытий, в частности, на основе TiBSiN.
-
Использование тонкопленочных покрытий на основе A1N в составе многослойных структур в качестве термозащитных систем устройств электронной техники (устройств термопечати) позволяет значительно повысить от нескольких до 100 раз ресурс работы указанных устройств.
-
Защитные тонкопленочные покрытия на основе поликристаллического текстурированного по <0001> A1N с толщиной наносимого слоя, соответствующей рабочей длине волны оптического датчика, позволяют в несколько раз снизить воздействие истирающих нагрузок для элементов указанных устройств.
-
Применение многослойных тонкопленочных покрытий на основе элементов III и IV групп Периодической системы, получаемых в условиях ионно-плазменных процессов, позволяет повысить износостойкость технологического инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов на 30-40%, а для некоторых видов инструмента и условий эксплуатации до нескольких раз.
-
Разработанные технологические процессы упрочнения сверл, фрез и ножовочных полотен из быстрорежущей стати Р6М5 тонкопленочными покрытиями сложного состава, при производственных испытаниях показали повышение эксплуатационных свойств в среднем в 2-3 раза. Выбор, на основании комплексных исследований состава и технологии осаждения функциональных покрытий, позволяет использовать технологический инструмент для обработки изделий из различных материалов, используемых в электронной технике и в машиностроении.
Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО ЦНИТИ "Техномаш" в соответствии с Федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" на 2002-2006 годы по теме: ОКР "ФОТОН-А" "Разработка технологий промышленного производства поликристаллических алмазных пленок и создание на их основе многослойных и 3-х мерных структур для устройств связи, отображения и обработки информации", а также по договору на создание научно-технической продукции "НАНОСЛОЙ" "Разработка оптимальной технологии упрочнения инструмента и деталей, используемых в технологическом машиностроении".
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на Отраслевых научно-технических семинарах ОАО ЦНИТИ "Техномаш" "Перспективы применения новьж' материалов в электронной технике" (Москва, 2000-2002); Научном семинаре МПУ им. Н.Э.Баумана "Нанотехнология, нанотехника и микромеханика" (Москва, 2001); Школе-семинаре "Материалы, оборудование и технологии наноэлектроники и микрофотоники" (Улан-Удэ, 2003); I Межрегиональном семинаре "Нанотехнологии и фотонные кристаллы" (Йошкар-Ола, 2003); IX-X Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в промышленности России (материалы и
9 устройства функциональной электроники и микрофотоники)" (Москва, 2003, 2004); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Екатеринбург, 2003); II Межрегиональном семинаре "Нанотехнологии и фотонные кристаллы" (Калуга, 2004); Всероссийской научно-практической конференции "Технологическое обеспечение качества машин и приборов" (Пенза, 2004); Региональной научно-практической конференции "Высокие технологии в промышленности России и методические особенности преподавания в техническом вузе" (Березники, 2004).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 21 статье в различных отечественных изданиях, включая материалы всероссийских и международных конференций и симпозиумов. Результаты диссертационной работы отмечены Дипломом Международной конференции "Высокие технологии в промышленности России" (Москва, 2004) за разработку технологических основ получения термозащитных покрытий на основе нитрида алюминия.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 241 наименований и приложений. Приложения включают шесть актов использования результатов диссертационной работы и внедрения оборудования и технологии для получения упрочняющих и термозащитных тонкопленочных покрытий с контролируемой структурой при производстве изделий электронной техники и инструмента в технологическом машиностроении, четыре протокола испытаний разработанных покрытий и два комплекта технологической документации получения упрочняющих и защитньж покрытий при создании устройств электронной техники, а также инструмента различного назначения. Работа содержит 156 страниц основного текста, включающих 28 таблиц и 84 рисунка.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, определение основньж конструкционных решений при разработке технологических процессов, оборудования и методик исследований, проведение необходимых расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основньж публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
