Инженеры и другие технические специалисты отлично знают, что каждой из деталей, составляющих машины и механизмы, должны быть присущи строго определенные эксплуатационные свойства. К важнейшим из них относятся долговечность, износостойкость, прочность, а также некоторые другие параметры. Они зависят не только от материала изготовления детали, но и от множества других факторов. Одним из них является шероховатость поверхности.
Для того чтобы достичь нужного состояния шероховатости, детали проходят чистовую и отделочную обработку. Следует заметить, что в результате этого технологического процесса поверхностный слой, помимо всего прочего, приобретает также и требуемые физические и механические свойства.
Шлифование
В технике под шлифованием подразумевается такой способ обработки поверхности металла, при котором используется абразивный материал. Его режущими частями являются абразивные зерна.
Финишные операции
В зависимости от того, какой именно характер имеют обрабатываемые поверхности, различают наружное, внутреннее и плоское шлифование.
С точки зрения технологических этапов обработки поверхностей деталей, шлифование используется как для отделочной и чистовой, так и для черновой обработки.
Притирка и доводка
В технике эти операции являются отделочными, и используются для механической обработки деталей различных машин, механизмов, приборов. Их использование позволяет одновременно достичь и высокой точности, и требуемой шероховатости поверхности. В качестве основного инструмента при притирке и доводке служит так называемый притир. Одной из его основных характеристик является то, что он изготавливается из гораздо более мягкого материала, чем тот, для обработки которого он предназначается. В его качестве чаще всего используется чугун таких марок, как СЧ 20 и СЧ 15, различные марки меди, другие сплавы, и даже твердые сорта древесины. Для повышения эффективности обработки на поверхность деталей перед ней наносят специальные пасты или же смешанный с маслом абразивный порошок.
Сам процесс, в ходе которого поверхность притира насыщается абразивным материалом, называется шаржированием. С помощью притирки чаще всего осуществляются такие операции, как доводка разверток, измерительных плиток, гладких, круглых и резьбовых калибров.
Выбор способов обработки поверхностей
Различные поверхности могут быть обработаны несколькими способами, выбор которых зависит от требований к этим поверхностям. Одни способы высокопроизводительны, но не обеспечивают требований точности, другие обеспечивают требования точности, но малопроизводительны.
Рациональный способ обработки в конкретных условиях выбирается на основе общего принципа наибольшей экономичности, который гласит: из всех возможных способов обработки следует выбирать наиболее экономичный
. Если наиболее экономичный способ не может обеспечить необходимые технические требования, то предварительную обработку выполняют способом наиболее экономичным, а окончательную – тем способом, который обеспечивает технические требования.
Примеры выбора способов обработки.
1. Высокопроизводительным способом обработки цилиндрических поверхностей является работа с большими подачами. Если шероховатость поверхности высокая и ее нельзя обеспечить при работе с большими подачами, то нужно возможно большую часть припуска снимать с большими подачами, а чистовую обработку вести с малой подачей, обеспечивающей нужную шероховатость поверхности.
2. Обработка проходным резцом более производительная, чем подрезным, так как у первого стойкость больше, поэтому при обтачивании наружных цилиндрических поверхностей гладких валов и открытых торцов стремятся использовать проходные резцы. Поверхности с прямоугольным уступом выгодно обрабатывать проходным упорным резцом, менее стойким, но обеспечивающим образование прямоугольного уступа.
3. Наиболее производительным способом обработки отверстий на токарном станке в сплошном материале является сверление. Однако сверление не обеспечивает высокой точности, шероховатости и точного центрирования оси отверстия, и применяется при невысоких технических требованиях к отверстию. Отверстия значительного диаметра (более 25 мм) могут быть обработаны сверлением с последующим рассверливанием до окончательного размера.
4. Для получения более точных отверстий, кроме сверления и рассверливания, применяют обработку резцом, зенкером, а иногда и разверткой. Отверстие зенкеруют до окончательного размера после сверления, когда оно должно иметь точный размер без особых требований к точности центрирования и шероховатости поверхности.
5. Если по техническим условиям на изготовление детали отверстие должно быть строго центрировано, то после сверления отверстие окончательно обрабатывают способом менее производительным, но обеспечивающим строгое центрирование отверстия. Например, нужно обработать отверстие с точностью до 0,05 мм, шероховатостью Ra 1,6, причем ось отверстия должна строго совпадать с осью наружной поверхности. Чтобы обеспечить точное центрирование отверстия (0,02 мм), после сверления его следует окончательно обработать резцом, т.е. способом, обеспечивающим строгое центрирование.
6. Нарезание крепежных резьб с треугольным профилем более производительно выполняется плашками и метчиками. Если же к этим резьбам предъявляются высокие требования точности по размерам и соосности по отношению к другим поверхностям детали, их приходится нарезать более точным, но менее производительным способом – резцами.
Выбор установочных баз
При разработке технологических процессов механической обработки деталей важным является правильная установка и закрепление деталей на станках. От того, каким образом устанавливается и закрепляется деталь на станке, в большинстве случаев зависит точность размеров и взаимного расположения поверхностей детали. Поверхности детали, которыми она устанавливается для обработки на станке называются установочными базами.
Необработанные поверхности заготовки называются черновыми базами, а обработанные – чистовыми. Черновые базы используются только для первой установки. Заготовку со станка обычно не снимают до тех пор, пока не подготовлена чистовая база для следующей установки. Чистовые базы различают основные и вспомогательные.
Основной называется база, принадлежащая данной детали и используемая для определения ее положения в изделии (поверхность отверстия зубчатого колеса, шкива и др. Если отверстие зубчатого колеса, шкива и др. используется как база для установки заготовки при ее обработке на токарном станке, то точность расположения обрабатываемых поверхностей будет значительно точнее).
Некоторые поверхности заготовки часто приходится обрабатывать специально только для установки ее на станке (центровые отверстия, предварительно обработанные поверхности детали, поверхность пробных проточек и т.д.). Такие поверхности называются вспомогательными базами.
Выбор черновой базы
При выборе черновой базы следует руководствоваться следующими соображениями:
1. Для деталей, у которых обрабатываются не все поверхности, в качестве черновой базы необходимо принимать поверхности, не подлежащие обработке, чтобы обработанные поверхности располагались правильно относительно необработанных. Например, у литых зубчатых колес, шкивов, тормозных дисков и т.п. за черновую базу принимаются внутренние поверхности обода и торцовые поверхности.
2. Если обрабатываются все поверхности детали, то за черновую базу следует принять поверхность, имеющую наименьший припуск на обработку. Тогда этот припуск расположится симметрично или параллельно обработанным поверхностям, что исключит возможность появления черноты при обработке поверхности с наименьшим припуском.
После выполнения первой операции черновые базы должны быть заменены чистовыми – обработанными базами. Повторная установка заготовки на черновые базы, как правило, недопустима, так как не будет обеспечено одинаковое положение заготовки относительно режущего инструмента при обеих установках. Поверхности, принимаемые за черновые базы, должны быть по возможности ровными и чистыми.
Выбор чистовой базы
При выборе чистовой базы рекомендуется учитывать следующее:
1. Принимать за чистовую базу такие поверхности, которые могут быть использованы при возможно большем количестве операций, так как при перемене установочных баз точность обработки детали будет уменьшаться.
2. Выбирать такие поверхности, при которых было бы удобнее устанавливать и закреплять заготовку, обеспечивая наименьшие деформации ее от усилий резания и зажима.
При выборе установочных баз исходят из общего принципа «единства баз». Этот принцип формулируется так: общее число установочных баз в процессе обработки должно быть возможно меньшим
. Чем меньше поверхностей используется на протяжении технологического процесса в качестве установочных баз, тем точнее будет взаимное расположение поверхностей.
Правила выбора установочных баз для изготовления деталей поштучно и партиями разные, хотя они построены на основе общего принципа «единства баз».
При поштучном изготовлении деталей за черновую (первичную) базу принимают поверхность, которая может служить базой для обработки всех поверхностей, расположенных с одной стороны.
При поштучном изготовлении деталей за чистовую (последующую) базу принимают обработанную поверхность, которая позволяет надежно закрепить заготовку и обработать все поверхности, расположенные с другой стороны.
При изготовлении деталей партиями установочные базы выбирают также, исходя из общего принципа «единство баз», но при этом сначала выбирают последующую базу, а затем первичную. За чистовую (последующую) установочную базу принимают поверхность, которая может служить базой для обработки возможно большего числа поверхностей, либо поверхность, которая позволяет подготовить такую базу.
За черновую (первичную) базу принимают поверхность, которая может служить базой для подготовки последующей базы.
Алмазное выглаживание
В технике под алмазным выглаживанием понимается такой способ отделочной обработки при котором происходит пластическая деформация обработанной ранее поверхности, осуществляемая с помощью специального скользящего по ней инструмента.
Данная отделочная обработка используется для того, чтобы или же полностью ликвидировать, или же существенно уменьшить те неровности, которые появились на них в процессе предшествующей обработки.
Одной из основных особенностей этого способа обработки является то, что в его процессе твердость поверхностного слоя детали повышается. При этом обрабатываемая деталь вращается, и после каждого ее оборота инструмент перемещается на подаче в осевом направлении на определенную величину. За счет того, что подача меньше, чем ширина канавки, образуемая инструментом, то те следы, которые от него образуются, перекрываются многократно.
Инструмент выглаживает поверхность своей сферической рабочей частью. Сам он представляет собой металлическую оправку, в которой закреплен наконечник, изготовленный из синтетического или природного алмаза. Стойкость этих кристаллов к механическим воздействиям приблизительно одна и та же.
Какие инструменты используются при той или иной технологии механической обработки деталей
Существуют различные варианты классификации металлорежущих станков с ЧПУ. В зависимости от того, для выполнения каких основных видов обработки они предназначены, станки с ЧПУ относятся к одной из следующих технологических групп – токарным, фрезерным, сверлильным, координатно-расточным, сверлильно-фрезерным (фрезерно-расточным), сверлильно-фрезерно-расточным, шлифовальным, многоцелевым (многооперационным), обрабатывающим центрам, предназначенным для электрообработки и пр.
В зависимости от принципа управления движением, определяемого системой ЧПУ, станки принадлежат к одной из трех групп – первая представлена оборудованием с позиционными системами ЧПУ, вторая – с контурными системами ЧПУ, в третью входят станки с комбинированными системами ЧПУ.
В зависимости от количества используемого инструмента станки могут быть одноинструментальными или многоинструментальными. Во многоинструментальном оборудовании используется до 12 станков. В тех, что способны обеспечить наиболее высокую концентрацию операций, имеется свыше 12 инструментов. Они снабжены специальным магазином для их размещения. Такое оборудование называется многоцелевым.
При помощи многоцелевых станков с ЧПУ выполняется большое количество операций с одной установкой детали на станке, что приобретает особую актуальность при значительном числе переходов.
Целесообразнее использовать бесконсольную компоновку станков средних размеров, оснащенных крестовым столом и горизонтальным либо вертикальным шпинделем (в первом случае часто используется встроенный поворотный стол).
Такая компоновка более жесткая в сравнении с консольным размещением стола, благодаря чему повышается точность обработки, а за счет постоянной высоты стола оборудование оснащается устройствами, позволяющими автоматически менять заготовки. С помощью одно- или двухстоечных многоцелевых станков с ЧПУ и продольным перемещением стола можно обрабатывать детали, имеющие большую длину. Такая компоновка оборудования также более жесткая в сравнении со станками, оборудованными крестовым столом.
Технологии механической обработки деталей предполагают, что режущие инструменты испытывают значительные нагрузки, высокие температуры, трение и износ, поэтому для них важны особые эксплуатационные требования. Рабочая часть инструментов должна изготавливаться из материалов большой твердости, выдерживающих повышенное напряжение на изгиб, растяжение, сжатие, кручение.
Также материалы, из которых изготавливаются инструменты, должны оставаться твердыми под воздействием высокой температуры нагрева (иметь высокую красностойкость). Очень важна такая характеристика инструментального материала, как износостойкость. Чем она выше, тем медленнее будет происходить износ инструмента и тем выше будет его размерная стойкость, т. е. разброс в размере деталей, последовательно обработанных одним и тем же инструментом, должен быть минимальным.
Успешная технология механической обработки деталей требует как можно меньшего содержания в материалах, из которых изготавливаются режущие инструменты, дефицитных элементов.
- Углеродистые инструментальные стали
содержат 0,9–1,3 % углерода. Инструменты выполняют из качественных сталей У10А, У11А, У12А. В результате термической обработки стали (HRC3 60-62) их красностойкость составляет +200…+250 °С. При такой температуре твердость стали значительно снижается, инструменты становятся непригодными для резки. Применение подобных сталей ограничено, поскольку допустимая скорость резания не может быть больше 15–18 м/мин. Они используются для производства метчиков, плашек, ножовочных полотен и др. - Легированные инструментальные стали.
В их основе лежат углеродистые стали, легированные хромом X, вольфрамом В, ванадием Ф, кремнием С и пр. Красностойкость таких сталей (HRC3 62-64) после термообработки составляет +250…+300 °С.Легированные стали отличаются от углеродистых повышенной вязкостью в закаленном состоянии, более высокой прокаливаемостью, меньшей склонностью к деформациям и появлению трещин в процессе закалки. Допустимая скорость резания варьируется от 15 до 25 м/мин. Из сталей 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС 9ХС и др. изготавливают протяжки, сверла, метчики, плашки, развертки.
- Быстрорежущие стали
с содержанием 8,9–19 % W, 3,8–4,4 % Cz, 2–10 % Со и V. Режущие инструменты изготавливают из сталей Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2, Р10К5Ф5. Красностойкость термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали (HRC3 62-65) составляет +600…+630 °С.Для инструмента характерна повышенная износостойкость и возможность работы со скоростями до 100 м/мин. Из стали Р9 изготавливают инструменты простой формы (резцы, фрезы, зенкеры). Фасонные и сложные инструменты (для нарезания резьбы и зубьев), которые должны отличаться высокой износостойкостью, изготавливаются из стали Р18.
- Кобальтовые быстрорежущие стали
(Р9К5, Р18К5Ф2, Р9К10) подходят для технологии механической обработки деталей, при изготовлении которых использовались труднообрабатываемые коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы – их рекомендуется использовать при работе в сложных условиях (при тяжелом прерывистом резании, вибрациях, плохих условиях охлаждения). - Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4)
используют для производства инструментов, с помощью которых выполняют чистовую обработку (протяжку, развертку, цековку). Они подходят для работы с деталями, изготовленными из труднообрабатываемых материалов при срезании стружек с небольшим поперечным сечением. - Вольфрамо-молибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ)
рекомендуются для производства инструментов, используемых для черновой обработки, из них также изготавливают протяжки, фрезы и др. инструменты. Экономия быстрорежущих сталей достигается за счет изготовления сборного и сварного инструмента. Для рабочей части инструмента применяется быстрорежущая сталь, свариваемая из углеродистой стали 45,50,40Х и т. п. с хвостовиком. Зачастую применяются пластинки из быстрорежущей стали, приваренные к державкам или корпусам инструментов. - Металлокерамические сплавы
представляют собой твердый раствор, в состав которого входит карбид вольфрама, титана и тантала (WC, Ti С, Та С) в металлическом кобальте (Со).Твердые сплавы используются в виде изготовленных порошковой металлургией пластинок, которые имеют определенную форму и размер. Пластинки прессуются, после чего спекаются при температуре от +1500 °С до +1900 °С. Существует деление твердых сплавов на несколько групп – вольфрамовая представлена сплавами ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титановольфрамовая включает в себя сплавы Т30К4Д15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титанотанталовольфрамовая – ТТ17К12, ТТ10К8Б.
Для пластинок твердого сплава (HRC3 86-92) характерны такие качества, как высокая износо- и красностойкость (+800…+1000 °С), благодаря чему скорость обработки может составлять 800 м/мин. Пластинки припаиваются к державкам или корпусам инструментов при помощи медных (латунных) припоев или крепятся механическими способами.
- Минералокерамика
является синтетическим материалом, основу которого составляет спеченный при температуре +1720…+1750 °С глинозем (А12 Оз). Красностойкость минералокерамики марки ЦМ-332 (HRC 91-93) составляет +1200 °С. Этот материал отличается высокой износостойкостью и используется для производства инструментов, требующих высокой размерной стойкости. Благодаря небольшому родству с металлами материал не слипается с обрабатываемыми деталями.Инструменты, в которых используются пластинки из минералокерамики, подходят для получистовой обработки деталей, выполненных из сталей и цветных металлов, при безударной нагрузке.
Чтобы увеличить эксплуатационные характеристики таких инструментов, в пластинки из минералокерамики добавляются такие элементы, как W, Мо, В, Ti, Ni. Подобные материалы носят название керметов. Особое значение керметы приобретают в технологии механической обработки деталей из труднообрабатываемых сталей и сплавов.
- Алмазы
входят в особую группу материалов. В промышленности находят применением как природные (А), так и синтетические алмазы марок АСО, АСР, АСБ, АСК, ACC, ACM, АСН. Это самый твердый материал с повышенной красно- и износостойкостью.Алмазные резцы широко применяются в таких технологиях механической обработки деталей, как тонкое точение или растачивание элементов, состоящих из сплавов алюминия, бронз, латуней и неметаллических материалов.
С помощью алмазного инструмента работают с деталями, изготовленными из твердых и полупроводниковых материалов, германия, кремния, керамики, жаропрочных сталей и сплавов. При использовании такого инструмента качество обработанных поверхностей существенно возрастает. Скорость обработки составляет свыше 100 м/мин. Для поверхностей заготовок, обработанных таким образом, характерны низкая шероховатость и высокая точность размеров, поскольку алмазы характеризуются значительной размерной стойкостью.
Хонингование
В технике под хонингованием понимается такая процедура, как окончательная довода прошлифованного, расточенного или развернутого отверстия с помощью хона – специальной раздвижной головки, которая состоит из нескольких раздвижных абразивных брусков.
Хону (хонинговальной головке) сообщается два движения: возвратно-поступательное, вдоль оси, а также вращательное, вокруг оси обрабатываемого отверстия (оно является сравнительно медленным).
Хонингование используется для того, чтобы повысить размерную точность, снизить отклонения формы, уменьшить шероховатость поверхности, сохранить структуру и микротвердость поверхностного слоя материала.
Суперфиниширование
В технике под суперфинишированием понимается такой метод доводки поверхностей, при котором достигается их особая чистота. Осуществляется оно при помощи колеблющихся абразивных брусков.
Суперфинишированем обрабатываются в основном наружные поверхности различных тел вращения. Суть этого метода состоит в таком принципе, как «неповторяющийся след». Его суть состоит в том, что одно и то же абразивное зерно не проходит по одному и тому же пути два раза.
При суперфинишировании главным рабочим движением является колебание головки, которая вместе с брусками продвигается вдоль оси. Ход брусков составляет от 2 до 6 миллиметров, в минуту они совершают от 200 до 1000 двойных ходов. При этом обрабатываемой детали придается вращательное движение.
Методы с использованием технологий обработки поверхности
Технологии обработки поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, т. к. позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий. Всех их объединяет общая схема: газы, пары или их смеси подают в камеру осаждения, где находится подложка, на которой необходимо получить покрытие в виде пленки с требуемыми свойствами. По пути к подложке газы активируют различными способами для получения активных частиц, молекул или радикалов, из которых и образуется требуемое покрытие. Активация может происходить с использованием электрических разрядов различных типов, каталитического воздействия на молекулы газа, повышения температуры до уровня необходимого для инициирования необходимой реакции в газовой фазе или на поверхности подложки.
Химическое парофазное осаждение.
Одним из распространенных методов формирования твердых покрытий на поверхности подложек или обрабатываемых деталей является химическое парофазное осаждение (Chemical Vapor Deposition – CVD). Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке или какой-либо детали в результате взаимодействия газообразных веществ-прекурсоров или пиролиза пара вещества-прекурсора. При этом вещества-прекурсоры при нормальных условиях могут представлять собой не только газы, но и твердые вещества или жидкости, в этом случае их возгоняют или испаряют в специальной зоне реактора, а затем транспортируют к подложке-мишени с помощью газа-носителя, который может быть как инертным, так и участвовать в синтезе. Если в результате реакции образуются газообразные побочные продукты, они удаляются из реактора потоком газа-носителя или вакуумной откачкой.
Наиболее часто в качестве веществ-прекурсоров используют карбонилы, галогены, металлоорганические соединения. Например, галогениды металлов восстанавливаются водородом до металла с образованием соединения галогенов с водородом, а карбонилы с помощью реакции пиролиза разлагают на металл и окись углерода. Примеры реакций:
2MeG + H2 → 2Me + 2HG реакция восстановления водородом (G – галоген);
Mex(CO)y → xMe + yCO пиролиз карбонилов;
MeCl + CH4 → MeC + HCl взаимодействие с промежуточными компонентами.
Наиболее оптимальное протекание химических реакций происходит чаще всего при температурах от 500 до 1500 ºС. Поэтому обрабатываемые детали нагревают до этих температур, что обеспечивает локализацию химической реакции у поверхности деталей, а также оптимальное протекание процесса, получение покрытий с заданными свойствами и хорошей адгезией. Образование покрытий происходит путем последовательного наслоения осаждающегося материала. Метод обеспечивает получение покрытий толщиной 1 – 20 мкм со скоростью 0,01 – 0,1 мкм/мин.
Метод CVD можно использовать для нанесения покрытия на внутренние поверхности трубок и отверстий. С его помощью можно получать самые разные материалы: кремний, углеродное волокно, углеродные нанотрубки, оксид кремния, вольфрам, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид титана, различные диэлектрики, а также синтетические алмазы. Процесс CVD часто используется в индустрии полупроводников для создания тонких эпитаксиальных слоев.
Основным недостатком CVD-метода является необходимость нагрева деталей до высоких температур. С одной стороны это оказывает отрицательное влияние на механические свойства и структуру подложки, а с другой стороны вызывает дополнительные проблемы в случае необходимости получения наноструктурного состояния самого покрытия.
Процесс химического парофазного осаждения можно проводить с использованием плазмы тлеющего разряда. Существуют две разновидности данного метода. В первой разновидности – реактивном распылении – материал мишени в виде ионов взаимодействует в плазме тлеющего разряда с ионами активной газовой среды. На поверхность обрабатываемых деталей осаждается покрытие в виде соединения. Типичным примером может служить получение покрытия из нитрида титана, когда в плазме тлеющего разряда происходит взаимодействие ионов титана и азота. Вторая разновидность часто носит название «ионноактивированное химическое осаждение из паровой фазы». В этом случае используются аналогичные CVD-методу химические реакции, но из-за их активации плазмой тлеющего разряда необходимые для их протекания температуры снижаются до 200 – 300 ºС. Однако, при этом практически невозможно получение покрытий с очень высокой чистотой химического состава, т. к. из-за недостаточной десорбции при низкой температуре подложки в формирующееся покрытие могут проникать примеси реакционных газов.
Существует большое разнообразие методов, основанных на физических процессах, происходящих на поверхности подложки или обрабатываемой детали. Среди них можно выделить группу методов физического напыления из паровой фазы PVD (Physical Vapour Deposition). Эта группа методов объединена общей схемой нанесения покрытия и использованием вакуума. В них сначала материал для покрытия переводится из конденсированного состояния в состояние пара, затем проводится его транспортировка к подложке или изделию, на которое наносится покрытие. Там происходит осаждение материала покрытия из паровой фазы и формирование покрытия.
Классификация метода внутри группы определяется используемым сочетанием способов испарения, транспортировки и осаждения. К этой группе относят термовакуумное испарение, ионно-плазменное распыление, ионную имплантацию, обработку лазерным излучением.
Термовакуумное испарение
осуществляют в вакууме при давлении порядка 10-3 – 10-5 Па. При таком давлении длина свободного пробега атомов или молекул составляет порядка нескольких метров. Полученная в результате нагрева паровая фаза напыляемого вещества свободно осаждается на подложку, имеющую температуру намного ниже, чем температура паровой фазы. В зависимости от источника нагрева получили распространение следующие варианты метода: электротермический нагрев (прямое пропускание электрического тока через образец в виде спирали или нагрев вещества в тигле), нагрев с помощью ВЧ-индуктора, испарение за счет электродугового разряда, нагрев электронным или лазерным лучом. Большинство из этих методов рассчитано на испарение металлических материалов. Нагрев в тигле и использование лазерного излучения позволяют испарять широкую гамму материалов. Нагрев в тигле можно использовать для испарения материалов с относительно невысокой температурой испарения. При этом необходимо учитывать температурную и химическую стойкостью материала тигля, в качестве которого используют графит, оксид алюминия, нитрид бора, молибден и др. Важным условием выбора материала для тигля является отсутствие химического взаимодействия между ним и испаряемым веществом при высоких температурах.
Для создания покрытий из сплавов и химических соединений требуется проводить испарение каждой компоненты из отдельного источника. Это связано с тем, что при испарении сложного вещества его компоненты могут иметь сильно различающиеся значения давления паров. В этом случае состав паровой фазы и, как следствие, состав покрытия будет отличаться от состава испаряемого вещества. Кроме того, испарение соединений часто сопровождается процессами диссоциации и/или ассоциации, что также препятствует получению заданного состава покрытия.
Для обеспечения лучших условий испарения и преодоления ряда других недостатков испарения из тиглей используется электронно-лучевое испарение. В этом случае электропроводящий испаряемый материал помещают в водоохлаждаемый тигель и нагревают электронным лучом. Пятно фокусировки электронного луча на поверхности испаряемого материала может достигать 1 мм, поэтому зона расплавления будет значительно меньше всего объема материала и, следовательно, не будет контактировать с тиглем. Недостатком электронно-лучевого испарения, как и испарения из тиглей, является сложность испарения материала, состоящего из компонент с разными упругостями паров при одной и той же температуре, что усложняет получение покрытий из металлических сплавов заданного состава. Использование лазерного излучения (импульсного или непрерывного) позволяет избежать большинства температурных и химических ограничений и устраняет потребность в тиглях. Практически мгновенное испарение вещества позволяет сохранить соотношение химических компонентов в осаждаемой пленке таким же, как и у испаряемого материала.
К достоинствам метода термовакуумного испарения относится относительная простота оборудования и контроля процесса, а к недостаткам – низкая адгезия покрытия вследствие малой энергии осаждающихся на подложку атомов или молекул и высокая чувствительность к наличию на поверхности подложки посторонних пленок и загрязнений. Влияние этих недостатков можно несколько снизить за счет использования специальных методов подготовки поверхности (ультразвуковая, химическая или электрохимическая очистка, ионное травление).
Ионно-плазменное распыление
основано на распылении мишеней из нужного вещества ускоренными ионами, образующимися в газоразрядной плазме. Наиболее простым является катодное распыление. В этом случае процесс проводят в специальной газоразрядной камере при давлении рабочего газа (аргона) порядка 1 – 10 Па. Между катодом-мишенью из распыляемого материала и анодом, на котором закреплена подложка, прикладывается постоянное напряжение порядка 1 – 5 кВ. Это создает условия для возникновения самостоятельного газового разряда. Образующиеся при этом ионы инертного газа бомбардируют мишень-катод и выбивают с ее поверхности атомы, которые осаждаются на расположенную вблизи подложку. Скорость осаждения при данном методе относительно низкая – на уровне 0,1 мкм/мин.
Более широкими возможностями обладает трехэлектродная схема распыления. В ней разрядный ток и напряжение на мишени регулируются независимо друг от друга. В отличие от двухэлектроной схемы катодного распыления, в которой электроны из катода испускаются за счет вторичной электронной эмиссии, в трехэлектродной схеме используется термоэлектронная эмиссия. Это позволяет существенно облегчить образование плазмы и проводить процесс при более высоком вакууме (на уровне 0,1 Па), что, в свою очередь, обеспечивает более высокую чистоту напыляемого материала. Скорость осаждения составляет порядка 1 мкм/мин. Недостатком этого варианта является заметный нагрев подложки, достигающий в ряде случаев 300 – 500ºС.
Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к созданию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, в результате чего давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет величину порядка 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.
Разновидностью катодного распыления является высокочастотное распыление. Общая схема в целом аналогична двухэлектродной схеме, только вместо постоянного напряжения между анодом и катодом-мишенью прикладывается высокочастотное напряжение амплитудой 0,3 – 2 кВ и частотой свыше 10 МГц. Данный способ позволяет распылять мишени как из электропроводящего, так и из диэлектрического материала, причем эффективность распыления выше, чем у двухэлектродной схемы, использующей постоянное напряжение.
В методе магнетронного распыления для формирования газоразрядной плазмы используются взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Это позволяет значительно снизить давление рабочего газа в камере и локализовать плазму вблизи мишени, в результате чего скорость распыления мишени значительно повышается. Метод позволяет обеспечить скорость осаждения до 1 – 2 мкм/мин и снизить нагрев подложки до 100 –250 ºС.
Ионная имплантация
представляет собойпроцесс внедрения (имплантации) ионов высоких энергий в поверхностный слой материала мишени. Процесс проводят в вакууме при давлении порядка 10-4 – 10-3 Па с помощью ионно-лучевых ускорителей (имплантеров). Попадая на модифицируемый материал, ионы внедряются в него на глубину 5 – 500 нм в зависимости от их энергии. Условно выделяют низкоэнергетическую ионную имплантацию с энергией ионов 2 – 10 кэВ и высокоэнергетическую имплантацию с энергией ионов до 400 кэВ. В зависимости от конструкции имплантера диаметр пятна ионного луча на поверхности обрабатываемого материала может составлять от 10 до 200 мм, а значение среднего тока в ионном пучке может находиться в диапазоне от 1 до 20 мА. Величина дозы ионного облучения обычно составляет 1014 – 1018 см-2.
При взаимодействии бомбардирующих мишень ионов с поверхностными атомами модифицируемого материала протекает целый комплекс сложных процессов. Кроме собственно самой имплантации ионов в поверхностный слой материала, протекают такие процессы, как распыление поверхности, развитие каскадов столкновений с образованием радиационных дефектов, каскадное (баллистическое) перемешивание атомов материала в поверхностном слое, радиационно-стимулированная диффузия, образование метастабильных фаз, радиационно-стимулированная сегрегация (перераспределение атомов материала в поверхностном слое) и др. Соотношение между этими процессами зависит от типа имплантируемых ионов, модифицируемого материала и технологического режима обработки.
Основными достоинствами ионной имплантации как метода создания модифицированных поверхностных нанослоев являются: возможность получать практически любые сочетания материалов в поверхностном нанослое, независимость от пределов растворимости компонентов в твердой фазе (т.е. можно получать такие сплавы, которые невозможны в обычных условиях из-за термодинамических ограничений), низкие температуры модифицируемого материала и отсутствие заметных изменений размеров, структуры и свойств основного материала, отсутствие проблемы адгезии, контролируемость глубины обработки, хорошая воспроизводимость и стабильность процесса, высокая чистота процесса в вакууме, возможность за счет высокоточного сканирования ионного луча по обрабатываемой поверхности создавать сложные поверхностные наноструктуры, возможность одновременной или последовательной имплантации ионов различных материалов.
К недостаткам метода относятся: малая глубина проникновения ионов в материал (особенно при низких энергиях), протекание процессов распыления поверхности, высокая стоимость и сложность оборудования, недостаточная изученность и трудность контролирования всего комплекса протекающих при ионной имплантации процессов.
Лазерная группа методов
основана на обработке поверхности лазерным излучением. Наноструктурное состояние при данных методах достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Используется импульсное лазерное излучение с плотностью энергии 103 – 1010 Вт/см2 и временем импульса 10-2 – 10-9 с. В ряде случаев применяется и непрерывное излучение СО2-лазеров с плотностью энергии 105 – 107 Вт/см2 со скоростями сканирования луча, обеспечивающими время взаимодействия материала с излучением 10-3 – 10-8 с. Под действием лазерного облучения поверхностный слой материала толщиной 0,1 – 100 мкм очень быстро расплавляется и затем затвердевает со скоростями охлаждения 104 – 108 К/с. При этом основная масса металлического материала вследствие кратковременности термического воздействия не нагревается и обеспечивает высокие скорости теплоотвода. Высокие скорости охлаждения позволяют достигать получения нанокристаллической или даже аморфной структуры. В этом случае нанокристаллическое состояние получают с помощью проведения дополнительной контролируемой кристаллизации при термообработке.
Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в расплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели: во-первых, создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и свойствами, отличающимся от основного металла; во-вторых, облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании расплавленного поверхностного слоя.
Полирование
В технике под полированием подразумевается отделочная операция, необходимая для получения гладкой и чистой поверхности детали. Оно производится специальными кругами, на которые нанесен смешанный со смазкой специальный абразивный порошок. Полирование также осуществляется мягкими кругами, пропитанными графитовым наполнителем.
Как правило, перед полированием осуществляется шлифование деталей упругими лентами или кругами. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить требуемую чистоту поверхности.
