Араа бүрэх технологи

PVD хуримтлуулах технологи нь гадаргууг өөрчлөх шинэ технологи, ялангуяа вакуум ион бүрэх технологи болгон олон жилийн турш хэрэглэгдэж ирсэн бөгөөд сүүлийн жилүүдэд маш их хөгжиж, одоо багаж хэрэгсэл, хэв, поршений цагираг, араа болон бусад эд ангиудыг боловсруулахад өргөн хэрэглэгддэг. Вакуум ион бүрэх технологиор бэлтгэсэн бүрсэн араа нь үрэлтийн коэффициентийг мэдэгдэхүйц бууруулж, элэгдэл, тодорхой зэврэлтээс хамгаалах чадварыг сайжруулж, арааны гадаргууг бэхжүүлэх технологийн чиглэлээр судалгааны гол цэг, халуун цэг болсон.

Араа үйлдвэрлэхэд ашигладаг нийтлэг материалууд нь ихэвчлэн хуурамч ган, цутгамал ган, цутгамал төмөр, өнгөт металл (зэс, хөнгөн цагаан), хуванцар юм. Ган нь голчлон 45 ган, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Нүүрстөрөгч багатай ган нь ихэвчлэн 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo-д ашиглагддаг. Хуурамч ган нь илүү сайн гүйцэтгэлтэй тул араанд илүү өргөн хэрэглэгддэг бол цутгамал ган нь ихэвчлэн 400 мм-ээс их диаметртэй, нарийн бүтэцтэй араа үйлдвэрлэхэд ашиглагддаг. Цутгамал төмрийн араа нь цавуу, хонхорхойд тэсвэртэй боловч цохилт, элэгдэлд тэсвэртэй, гол төлөв тогтвортой ажиллахад зориулагдсан, хүч нь бага хурдтай эсвэл том хэмжээтэй, нарийн төвөгтэй хэлбэртэй тул тосолгооны материал дутагдалтай нөхцөлд ажиллах боломжтой, нээлттэй дамжуулалтанд тохиромжтой. Өнгөт металлыг ихэвчлэн турбин эсвэл араа үйлдвэрлэхэд ашигладаг цагаан тугалга хүрэл, хөнгөн цагаан-төмөр хүрэл, цутгамал хөнгөн цагааны хайлш хэрэглэдэг боловч гулсах болон үрэлтийн эсрэг шинж чанар муу, зөвхөн хөнгөн, дунд ачаалалтай, бага хурдтай араагаар ажилладаг. Металл бус материалын араа нь тосгүй тосолгооны материал, өндөр найдвартай байдал зэрэг тусгай шаардлага бүхий зарим салбарт голчлон ашиглагддаг. Гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл, эмнэлгийн тоног төхөөрөмж, хүнсний машин, нэхмэлийн машин зэрэг бохирдол багатай нөхцөл байдлын талбар.

Араа бүрэх материал

Инженерийн керамик материалууд нь өндөр бат бэх, хатуулаг, ялангуяа маш сайн халуунд тэсвэртэй, бага дулаан дамжуулалт ба дулааны тэлэлт, элэгдэлд тэсвэртэй, исэлдэлтийн эсэргүүцэлтэй маш ирээдүйтэй материал юм. Олон тооны судалгаагаар керамик материал нь халуунд тэсвэртэй, металлын элэгдэл багатай байдаг. Тиймээс элэгдэлд тэсвэртэй эд ангиудын хувьд металл материалын оронд керамик материалыг ашиглах нь үрэлтийн доод хэсгийн ашиглалтын хугацааг сайжруулж, өндөр температур, элэгдэлд тэсвэртэй зарим материал, олон үйлдэлт болон бусад хатуу шаардлагыг хангаж чадна. Одоогийн байдлаар инженерийн керамик материалыг хөдөлгүүрийн халуунд тэсвэртэй эд анги, элэгдэлд тэсвэртэй эд ангиудын механик дамжуулалт, зэврэлтэнд тэсвэртэй эд анги, битүүмжлэлийн эд анги дахь химийн тоног төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд ашиглаж байгаа нь керамик материалын хэтийн төлөвийг улам бүр өргөжүүлж байгааг харуулж байна.

ХБНГУ, Япон, Америк, Англи зэрэг өндөр хөгжилтэй орнууд инженерийн керамик материалыг боловсруулах, хэрэглэхэд ихээхэн ач холбогдол өгч, инженерийн керамик эдлэлийн боловсруулах онол, технологийг хөгжүүлэхэд асар их хөрөнгө мөнгө, хүн хүч зарцуулдаг. Герман улс "SFB442" нэртэй хөтөлбөрийг эхлүүлсэн бөгөөд зорилго нь PVD технологийг ашиглан эд ангиудын гадаргуу дээр байгаль орчин, хүний ​​биед хор хөнөөл учруулж болзошгүй тосолгооны материалыг орлуулах зорилгоор нийлэг хальсыг нэгтгэх зорилготой юм. мэдэгдэхүйц сайжирч, гадаргуу дээр хуримтлагдсан хальснууд нь хэт даралтын эсрэг нэмэлтүүдийн функцийг бүрэн орлож, EP нэмэлт бодис агуулсан тосолгооны материалаас илүү өндөр WC/C хальс бэлтгэхийн тулд PVD технологийг ашигласан. Германы Аахен хотын Техникийн Их Сургуулийн Материалын Шинжлэх Ухааны Хүрээлэнгийн Лугшейдер нар PVD технологийг ашиглан 100Cr6 ган дээр зохих хальсыг буулгасны дараа ядаргаа эсэргүүцэх чадвар мэдэгдэхүйц нэмэгдсэнийг харуулсан. алдартай Timken компани ES200 брэндийн арааны гадаргуугийн хальсыг худалдаанд гаргалаа. Германд бүртгэгдсэн Graphit-iC болон Dymon-iC барааны тэмдэг бүхий Gear өнгөлгөөг мөн Их Британид авах боломжтой.

Механик дамжуулалтын чухал сэлбэг хэрэгслийн хувьд араа нь үйлдвэрлэлд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг тул керамик материалыг араа дээр хэрэглэхийг судлах нь маш чухал практик ач холбогдолтой юм. Одоогийн байдлаар араанд хэрэглэж буй инженерийн керамикууд нь ихэвчлэн дараах байдалтай байна.

1、TiN бүрэх давхарга
1、ТиН

Ион бүрэх TiN керамик давхарга нь өндөр хатуулагтай, өндөр наалдацтай, үрэлтийн коэффициент багатай, зэврэлтэнд сайн тэсвэртэй гэх мэт өргөн хэрэглэгддэг гадаргууг өөрчилсөн өнгөлгөөний нэг бөгөөд янз бүрийн салбарт, ялангуяа багаж хэрэгсэл, хэвний үйлдвэрт өргөн хэрэглэгддэг. Араа дээр керамик бүрээсийг хэрэглэхэд нөлөөлж буй гол шалтгаан нь керамик бүрээс ба субстрат хоорондын холболтын асуудал юм. Арааны ажиллах нөхцөл, нөлөөлөх хүчин зүйлүүд нь багаж хэрэгсэл, хэвнийхээс хамаагүй илүү төвөгтэй байдаг тул арааны гадаргуугийн боловсруулалтанд нэг TiN бүрээсийг хэрэглэх нь маш хязгаарлагдмал байдаг. Керамик бүрээс нь өндөр хатуулаг, үрэлтийн бага коэффициент, зэврэлтэнд тэсвэртэй зэрэг давуу талтай боловч хэврэг, зузаан бүрээс авахад хэцүү байдаг тул шинж чанараа гүйцэтгэхийн тулд бүрээсийг дэмжих өндөр хатуулаг, өндөр бат бэх субстрат хэрэгтэй. Тиймээс керамик бүрээсийг ихэвчлэн карбид болон өндөр хурдны ган гадаргууд ашигладаг. Араа материал нь керамик материалтай харьцуулахад зөөлөн бөгөөд дэвсгэр болон бүрээсийн шинж чанарын ялгаа их байдаг тул бүрээс болон субстратын хослол муу, бүрээс нь бүрээсийг дэмжихэд хангалтгүй тул ашиглах явцад бүрээс нь унахад хялбар, зөвхөн керамик бүрээсний давуу талыг тоглуулж чадахгүй төдийгүй керамик бүрээс нь элэгдэлд орох хурдыг нэмэгдүүлдэг. араагаа алдах. Одоогийн шийдэл бол керамик ба субстрат хоорондын холбоог сайжруулахын тулд гадаргуугийн нийлмэл боловсруулалтын технологийг ашиглах явдал юм. Гадаргууг нийлмэл боловсруулах технологи гэдэг нь нэг гадаргуугийн боловсруулалтын явцад хүрч чадахгүй нийлмэл механик шинж чанарыг олж авахын тулд субстратын материалын гадаргууг өөрчлөхийн тулд хоёр тусдаа гадаргуу/гадаргын гадаргууг ашиглан биет уурын өнгөлгөө болон бусад гадаргууг боловсруулах процесс буюу бүрээсийг хослуулахыг хэлнэ. Ион азотжуулалт ба PVD-ээр хуримтлагдсан TiN нийлмэл бүрээс нь хамгийн их судлагдсан нийлмэл бүрхүүлүүдийн нэг юм. Плазмын нитритийн субстрат ба TiN керамик нийлмэл бүрээс нь бат бөх холболттой бөгөөд элэгдэлд тэсвэртэй байдал мэдэгдэхүйц сайжирсан.

Маш сайн элэгдэлд тэсвэртэй, хальсан суурьтай наалддаг TiN хальсны давхаргын оновчтой зузаан нь ойролцоогоор 3~4μm байна. Хэрэв хальсны давхаргын зузаан нь 2μм-ээс бага байвал элэгдэлд тэсвэртэй байдал мэдэгдэхүйц нэмэгдэхгүй. Хэрэв хальсны давхаргын зузаан 5μм-ээс их байвал хальсны суурийн холболт багасна.

2、Олон давхаргат, олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй TiN бүрэх

TiN бүрээсийг аажмаар, өргөнөөр ашиглахын хэрээр TiN бүрээсийг хэрхэн сайжруулах, сайжруулах талаархи судалгаа улам бүр нэмэгдсээр байна. Сүүлийн жилүүдэд Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 гэх мэт хоёртын TiN бүрээс дээр тулгуурлан олон бүрэлдэхүүн хэсэг, олон давхаргат бүрээсийг бүтээж байна. TiN бүрхүүлд Al, Si зэрэг элементүүдийг нэмснээр координатын исэлдэлт, хатуулаг өндөртэй байдаг. сайжруулсан, харин B гэх мэт элементүүдийг нэмбэл бүрээсний хатуулаг, наалдамхай бат бэхийг сайжруулна.

Олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй найрлага нь нарийн төвөгтэй байдаг тул энэ судалгаанд олон маргаантай байдаг. (Tix,Cr1-x)N олон бүрэлдэхүүн хэсгийн бүрээсийг судлахад судалгааны үр дүнд томоохон маргаан гарч байна. Зарим хүмүүс (Tix,Cr1-x)N бүрээс нь TiN дээр суурилдаг бөгөөд Cr нь зөвхөн TiN цэгийн матриц дахь орлуулах хатуу уусмал хэлбэрээр оршин тогтнох боломжтой гэж үздэг, гэхдээ тусдаа CrN үе шат биш юм. Бусад судалгаанаас үзэхэд (Tix,Cr1-x)N бүрхүүлд Ti атомыг шууд орлох Cr атомын тоо хязгаарлагдмал, үлдсэн Cr нь дан төлөвт оршдог буюу N-тэй нэгдлүүд үүсгэдэг. Туршилтын үр дүнгээс харахад бүрхүүлд Cr нэмэх нь гадаргуугийн ширхэгийн хэмжээг багасгаж, хатуулгийг нэмэгдүүлж, бүрхүүлийн хатуулаг хамгийн их массын хувьд хүрч C%3 хүрдэг. бүрээсний дотоод стресс нь хамгийн дээд хэмжээндээ хүрдэг.

3、Бусад бүрэх давхарга

Түгээмэл хэрэглэгддэг TiN бүрээсээс гадна олон төрлийн инженерийн керамикуудыг арааны гадаргууг бэхжүүлэхэд ашигладаг.

(1) Y. Тераучи нар. Япон нь уурын аргаар хуримтлуулсан титан карбид эсвэл титан нитридын керамик арааны үрэлтийн элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг судалжээ. Арааг бүрэхийн өмнө HV720 орчим гадаргуугийн хатуулаг, 2.4 μм гадаргуугийн тэгш бус байдлыг хангахын тулд карбюржуулж, өнгөлсөн бөгөөд керамик бүрээсийг титан карбидын химийн уурын хуримтлал (CVD), титан нитридын физик уурын (PVD) аргаар бэлтгэсэн, керамик хальс нь 2 мкм орчим зузаантай. Үрэлтийн элэгдлийн шинж чанарыг газрын тос, хуурай үрэлтийн үед тус тус судалсан. Шаазан эдлэлээр бүрсэний дараа араа араагийн зэврэлт болон зураасны эсэргүүцэл мэдэгдэхүйц нэмэгдсэн нь тогтоогдсон.

(2) Химийн бодисоор бүрсэн Ni-P ба TiN-ийн нийлмэл бүрээсийг Ni-P-ийг шилжилтийн давхарга болгон түрхэж, дараа нь TiN-ийг тунаснаар бэлтгэсэн. Энэхүү нийлмэл бүрхүүлийн гадаргуугийн хатуулаг тодорхой хэмжээгээр сайжирч, бүрээс нь субстраттай илүү сайн наалдаж, элэгдэлд тэсвэртэй болсон нь судалгаагаар харагдаж байна.

(3) WC/C, B4C нимгэн хальс
Японы Технологийн Хүрээлэнгийн Механик инженерийн тэнхимийн М.Муракава нар PVD технологийг ашиглан WC/C нимгэн хальсыг арааны гадаргуу дээр буулгасан бөгөөд түүний ашиглалтын хугацаа нь тосгүй тосолгооны нөхцөлд энгийн унтрах болон нунтагласан араатай харьцуулахад 3 дахин их байсан. Franz J et al. PVD технологийг ашиглан FEZ-A, FEZ-C арааны гадаргуу дээр WC/C, B4C нимгэн хальсыг буулгасан ба туршилтаар PVD бүрээс нь араагийн үрэлтийг мэдэгдэхүйц бууруулж, араа нь халуун наалт, наалтанд өртөмтгий биш болж, арааны даацыг сайжруулсан байна.

(4) CrN хальс
CrN хальс нь TiN хальснаас илүү хатуулагтай, CrN хальс нь TiN-ээс илүү өндөр температурт исэлдэлтэнд тэсвэртэй, зэврэлтэнд тэсвэртэй, TiN хальстай харьцуулахад дотоод стресс багатай, харьцангуй сайн хатуулагтай байдаг. Чен Линг нар HSS-ийн гадаргуу дээр хальсан дээр суурилсан маш сайн наалддаг элэгдэлд тэсвэртэй TiAlCrN/CrN нийлмэл хальсыг бэлтгэж, олон давхаргат хальсны дислокацийн стекийн онолыг санал болгосон, хэрэв хоёр давхаргын хоорондох мултрах энергийн ялгаа их байвал нэг давхаргад үүссэн мултрал нь түүний интерфэйсийг нөгөө давхарга руу гатлахад хэцүү байх болно. материал. Zhong Bin нар азотын агууламж CrNx хальсны фазын бүтэц, үрэлтийн элэгдлийн шинж чанарт үзүүлэх нөлөөг судалж, хальсан дээрх Cr2N (211) дифракцийн оргил аажмаар суларч, гадаргуу дээрх N2 ширхэгийн агууламж нэмэгдэхийн хэрээр CrN (220) оргил аажмаар нэмэгдэж байгааг харуулсан. хавтгай байх хандлагатай байсан. N2 агааржуулалт нь 25 мл/мин байхад (зорилтот эх үүсвэрийн нумын гүйдэл 75 А, хуримтлагдсан CrN хальс нь гадаргуугийн чанар сайтай, сайн хатуулагтай, N2 агааржуулалт нь 25 мл/мин (зорилтот эх үүсвэрийн нумын гүйдэл 75А, сөрөг даралт 100 В) үед маш сайн элэгдэлд тэсвэртэй байдаг).

(5) Хэт хатуу кино
Супер хатуу хальс нь 40GPa-аас дээш хатуулагтай, элэгдэлд тэсвэртэй, өндөр температурт тэсвэртэй, үрэлтийн бага коэффициент, дулааны тэлэлтийн бага коэффициент, голчлон аморф алмазан хальс, CN хальстай хатуу хальс юм. Аморф алмазан хальс нь аморф шинж чанартай, урт хугацааны дараалсан бүтэцгүй, олон тооны CC тетраэдр холбоог агуулдаг тул тэдгээрийг тетраэдр аморф нүүрстөрөгчийн хальс гэж нэрлэдэг. Аморф нүүрстөрөгчийн хальсны нэг төрөл болох алмааз шиг бүрхүүл (DLC) нь өндөр дулаан дамжуулалт, өндөр хатуулаг, өндөр уян модуль, дулааны тэлэлтийн бага коэффициент, химийн тогтвортой байдал, элэгдэлд тэсвэртэй, үрэлтийн бага коэффициент зэрэг алмазтай төстэй олон гайхалтай шинж чанартай байдаг. Арааны гадаргуу дээр алмааз шиг хальсыг бүрэх нь ашиглалтын хугацааг 6 дахин уртасгаж, ядаргаа эсэргүүцэх чадварыг эрс сайжруулдаг болохыг харуулсан. Аморф нүүрстөрөгч-азотын хальс гэж нэрлэгддэг CN хальс нь β-Si3N4 ковалент нэгдлүүдийнхтэй төстэй талст бүтэцтэй бөгөөд β-C3N4 гэж нэрлэгддэг. Лю, Коэн нар. Эхний байгалийн зарчмын дагуу псевдопотенциал зурвасын тооцоог ашиглан онолын нарийн тооцоолол хийж, β-C3N4 нь их хэмжээний холбогч энергитэй, тогтвортой механик бүтэцтэй, дор хаяж нэг дэд тогтвортой төлөвтэй, уян хатан модуль нь алмаазтай харьцуулж болохуйц сайн шинж чанартай бөгөөд материалын хатуулгийг үр дүнтэй сайжруулж, эвдрэлийн эсэргүүцлийг бууруулдаг.

(6) Бусад хайлш элэгдэлд тэсвэртэй бүрэх давхарга
Зарим хайлшны элэгдэлд тэсвэртэй бүрээсийг араа дээр түрхэхийг оролдсон, жишээлбэл, 45# ган арааны шүдний гадаргуу дээр Ni-P-Co хайлшны давхарга хуримтлагдах нь хэт нарийн ширхэгтэй бүтэцтэй болгох хайлш давхарга бөгөөд ашиглалтын хугацааг 1.144 ~ 1.533 дахин уртасгах боломжтой. Мөн Cu-Cr-P хайлшны цутгамал төмрийн арааны шүдний гадаргуу дээр Cu металлын давхарга болон Ni-W хайлшны бүрээсийг түрхэж, бат бөх чанарыг нь сайжруулдаг болохыг судалсан; HT250 ширэм арааны шүдний гадаргуу дээр Ni-W, Ni-Co хайлш түрхэж, бүрээсгүй араатай харьцуулахад элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг 4-6 дахин сайжруулдаг.