Араа бүрэх технологи

PVD тунадасжуулалтын технологи нь олон жилийн турш гадаргуугийн өөрчлөлтийн шинэ технологи, ялангуяа вакуум ион бүрхүүлийн технологи болгон хэрэглэгдэж ирсэн бөгөөд сүүлийн жилүүдэд маш их хөгжиж, багаж хэрэгсэл, хэв, поршений цагираг, араа болон бусад эд ангиудыг боловсруулахад өргөн хэрэглэгдэж байна. Вакуум ион бүрхүүлийн технологиор бэлтгэсэн бүрсэн араа нь үрэлтийн коэффициентийг мэдэгдэхүйц бууруулж, элэгдэлд тэсвэртэй байдал болон зэврэлтээс хамгаалах чадварыг сайжруулж, арааны гадаргууг бэхжүүлэх технологийн салбарын судалгааны гол анхаарал, халуун цэг болсон.

Араа хийхэд ашигладаг нийтлэг материалууд нь голчлон цутгамал ган, цутгамал ган, цутгамал төмөр, өнгөт бус металл (зэс, хөнгөн цагаан) болон хуванцар юм. Ган нь голчлон 45 ган, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl юм. Бага нүүрстөрөгчийн ган нь голчлон 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo-д ашиглагддаг. Цутгамал ган нь илүү сайн гүйцэтгэлтэй тул араанд илүү өргөн хэрэглэгддэг бол цутгамал ган нь ихэвчлэн 400 мм-ээс дээш диаметртэй, нарийн бүтэцтэй араа үйлдвэрлэхэд ашиглагддаг. Цутгамал төмөр араа нь цавуу болон хонхорхой үүсэхээс хамгаалдаг боловч цохилт, элэгдэлд тэсвэртэй биш тул голчлон тогтвортой ажиллахад тохиромжтой, хүч нь бага хурдтай эсвэл том хэмжээтэй, нарийн төвөгтэй хэлбэртэй байдаггүй тул тосолгооны материалгүй нөхцөлд ажиллах боломжтой бөгөөд нээлттэй дамжуулалтад тохиромжтой. Түгээмэл хэрэглэгддэг төмөрлөг бус металлуудад цагаан тугалган хүрэл, хөнгөн цагаан-төмөр хүрэл, цутгамал хөнгөн цагаан хайлш зэрэг нь турбин эсвэл араа үйлдвэрлэхэд түгээмэл хэрэглэгддэг боловч гулсах болон үрэлтийн эсрэг шинж чанар муутай бөгөөд зөвхөн хөнгөн, дунд ачаалалтай, бага хурдтай араанд зориулагдсан байдаг. Металл бус материалаар хийсэн арааг голчлон тосгүй тослох, өндөр найдвартай байдал зэрэг тусгай шаардлага бүхий зарим салбарт ашигладаг. Гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл, эмнэлгийн хэрэгсэл, хүнсний машин механизм, нэхмэлийн машин механизм зэрэг бохирдол багатай нөхцөлд ашигладаг.

Араа бүрэх материал

Инженерийн керамик материалууд нь өндөр бат бэх, хатуулаг, ялангуяа маш сайн дулаан тэсвэрлэлт, бага дулаан дамжуулалт ба дулааны тэлэлт, өндөр элэгдэлд тэсвэртэй, исэлдэлтийн эсэргүүцэлтэй маш ирээдүйтэй материалууд юм. Олон тооны судалгаагаар керамик материалууд нь халуунд тэсвэртэй бөгөөд металлын элэгдэл багатай болохыг харуулсан. Тиймээс элэгдэлд тэсвэртэй эд ангиудад металл материалын оронд керамик материал ашиглах нь үрэлтийн дэд хэсгийн ашиглалтын хугацааг сайжруулж, өндөр температур, өндөр элэгдэлд тэсвэртэй материалын заримыг хангаж, олон үйлдэлт болон бусад хатуу шаардлагыг хангаж чадна. Одоогийн байдлаар инженерийн керамик материалыг хөдөлгүүрийн халуунд тэсвэртэй эд анги, элэгдэлд тэсвэртэй эд ангиудад механик дамжуулалт, зэврэлтэд тэсвэртэй эд ангиудад химийн тоног төхөөрөмж, битүүмжлэлийн эд анги үйлдвэрлэхэд ашиглаж байгаа нь керамик материалын өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвийг улам бүр харуулж байна.

Герман, Япон, АНУ, Их Британи зэрэг хөгжингүй орнууд инженерийн керамик материалыг хөгжүүлэх, хэрэглэхэд ихээхэн ач холбогдол өгч, инженерийн керамик боловсруулах онол, технологийг хөгжүүлэхэд их хэмжээний мөнгө, хүн хүч зарцуулдаг. Герман улс "SFB442" нэртэй хөтөлбөрийг эхлүүлсэн бөгөөд түүний зорилго нь PVD технологийг ашиглан эд ангийн гадаргуу дээр тохиромжтой хальсыг нийлэгжүүлж, хүрээлэн буй орчин болон хүний ​​биед хортой тосолгооны материалыг орлуулах явдал юм. Германы PW Gold болон бусад компаниуд SFB442-ийн санхүүжилтийг ашиглан гулсмал холхивчийн гадаргуу дээр нимгэн хальс түрхэхэд PVD технологийг ашиглаж, гулсмал холхивчийн элэгдлийн эсрэг гүйцэтгэл мэдэгдэхүйц сайжирч, гадаргуу дээр түрхсэн хальс нь хэт даралтын элэгдлийн эсрэг нэмэлтүүдийн үүргийг бүрэн орлож чадна гэдгийг тогтоожээ. Германы Йоахим, Франц нар PVD технологийг ашиглан WC/C хальс бэлтгэсэн бөгөөд энэ нь EP нэмэлт агуулсан тослох материалаас өндөр ядрахын эсрэг маш сайн шинж чанарыг харуулсан бөгөөд энэ нь хортой нэмэлтийг бүрхүүлээр солих боломжийг олгож байна. Германы Аахены Техникийн Их Сургуулийн Материалын Шинжлэх Ухааны Хүрээлэнгийн Э. Лугшайдер нар DFG (Германы Судалгааны Комисс)-ийн санхүүжилтээр 100Cr6 ган дээр PVD технологийг ашиглан зохих хальсыг түрхсэний дараа ядрахын эсэргүүцэл мэдэгдэхүйц нэмэгдсэнийг харуулсан. Үүнээс гадна, АНУ Женерал Моторс компани VolvoS80Turbo төрлийн автомашины арааны гадаргуугийн наалдамхай хальсыг ядралын нүх сүвний эсэргүүцлийг сайжруулах зорилгоор үйлдвэрлэж эхэлсэн; алдарт Тимкен компани ES200 арааны гадаргуугийн хальс нэртэйг худалдаанд гаргасан; MAXIT бүртгэлтэй худалдааны тэмдэгт арааны бүрхүүл Германд гарч ирсэн; Graphit-iC болон Dymon-iC бүртгэлтэй худалдааны тэмдэгтүүд тус тус Их Британид худалдаалагдаж байна.

Механик хурдны хайрцгийн чухал сэлбэг хэрэгслийн хувьд араа нь үйлдвэрлэлд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг тул араанд керамик материалыг хэрэглэхийг судлах нь маш чухал практик ач холбогдолтой юм. Одоогийн байдлаар араанд ашигласан инженерийн керамикууд нь голчлон дараах байдалтай байна.

1, TiN бүрэх давхарга
1, TiN

Ионы бүрхүүлтэй TiN керамик давхарга нь өндөр хатуулаг, өндөр наалдамхай бат бэх, бага үрэлтийн коэффициент, сайн зэврэлтэнд тэсвэртэй гэх мэт хамгийн өргөн хэрэглэгддэг гадаргуугийн өөрчлөгдсөн бүрхүүлүүдийн нэг юм. Энэ нь янз бүрийн салбарт, ялангуяа багаж хэрэгсэл, хэвний үйлдвэрлэлд өргөн хэрэглэгдэж ирсэн. Араа дээр керамик бүрхүүл хэрэглэхэд нөлөөлж буй гол шалтгаан нь керамик бүрхүүл ба суурь хоорондын холболтын асуудал юм. Арааны ажиллах нөхцөл, нөлөөлөх хүчин зүйлс нь багаж хэрэгсэл, хэвнийхээс хамаагүй илүү төвөгтэй тул арааны гадаргуугийн боловсруулалтад ганц TiN бүрхүүл хэрэглэх нь маш хязгаарлагдмал байдаг. Керамик бүрхүүл нь өндөр хатуулаг, бага үрэлтийн коэффициент, зэврэлтэд тэсвэртэй байх давуу талтай боловч хэврэг бөгөөд илүү зузаан бүрхүүл авахад хэцүү тул бүрхүүлийг дэмжих өндөр хатуулаг, өндөр бат бэх суурь шаардлагатай байдаг. Тиймээс керамик бүрхүүлийг ихэвчлэн карбид болон өндөр хурдтай ган гадаргуу дээр ашигладаг. Араа материал нь керамик материалтай харьцуулахад зөөлөн бөгөөд суурь болон бүрхүүлийн шинж чанарын ялгаа их байдаг тул бүрхүүл болон суурь материалын хослол муу, бүрхүүл нь бүрхүүлийг дэмжихэд хангалтгүй тул бүрхүүл нь ашиглалтын явцад унахад хялбар болгодог бөгөөд энэ нь керамик бүрхүүлийн давуу талыг ашиглахаас гадна унасан керамик бүрхүүлийн хэсгүүд нь араанд зүлгүүрийн элэгдэл үүсгэж, арааны элэгдлийг хурдасгадаг. Одоогийн шийдэл нь керамик болон суурь материалын хоорондох холбоог сайжруулахын тулд нийлмэл гадаргуугийн боловсруулалтын технологийг ашиглах явдал юм. Нийлмэл гадаргуугийн боловсруулалтын технологи нь физик ууршилтын бүрхүүл болон бусад гадаргуугийн боловсруулалтын процесс буюу бүрхүүлийг хослуулан хэрэглэхийг хэлдэг бөгөөд хоёр тусдаа гадаргуу/доод гадаргууг ашиглан суурь материалын гадаргууг өөрчлөх замаар нэг гадаргуугийн боловсруулалтын процессоор олж авах боломжгүй нийлмэл механик шинж чанарыг олж авдаг. Ионы азотжуулалт болон PVD-ээр хуримтлагдсан TiN нийлмэл бүрхүүл нь хамгийн их судлагдсан нийлмэл бүрхүүлүүдийн нэг юм. Плазмын азотжуулалтын суурь болон TiN керамик нийлмэл бүрхүүл нь хүчтэй холбоотой бөгөөд элэгдэлд тэсвэртэй байдал мэдэгдэхүйц сайжирсан.

Элэгдэлд тэсвэртэй, хальсан суурьтай маш сайн наалддаг TiN хальсан давхаргын оновчтой зузаан нь ойролцоогоор 3~4μm байдаг. Хэрэв хальсан давхаргын зузаан 2μм-ээс бага байвал элэгдэлд тэсвэртэй байдал мэдэгдэхүйц сайжрахгүй. Хэрэв хальсан давхаргын зузаан 5μм-ээс их байвал хальсан суурьтай наалдалт буурна.

2, Олон давхаргат, олон бүрэлдэхүүнтэй TiN бүрхүүл

TiN бүрхүүлийг аажмаар, өргөн хүрээнд хэрэглэхийн хэрээр TiN бүрхүүлийг хэрхэн сайжруулах, сайжруулах талаар судалгаа улам бүр нэмэгдэж байна. Сүүлийн жилүүдэд Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 гэх мэт хоёртын TiN бүрхүүл дээр суурилсан олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй бүрхүүл болон олон давхаргат бүрхүүлийг боловсруулсан. TiN бүрхүүлд Al болон Si зэрэг элементүүдийг нэмснээр бүрхүүлийн өндөр температурын исэлдэлтэд тэсвэртэй байдал болон хатуулгийг сайжруулж болох бол B зэрэг элементүүдийг нэмснээр бүрхүүлийн хатуулаг болон наалдацын бат бөх чанарыг сайжруулж болно.

Олон бүрэлдэхүүн хэсгийн найрлагын нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан энэхүү судалгаанд олон маргаан гарч байна. (Tix,Cr1-x)N олон бүрэлдэхүүн хэсгийн бүрхүүлийн судалгаанд судалгааны үр дүнд томоохон маргаан гарч байна. Зарим хүмүүс (Tix,Cr1-x)N бүрхүүл нь TiN дээр суурилдаг бөгөөд Cr нь зөвхөн TiN цэгэн матрицад орлуулах хатуу уусмал хэлбэрээр оршиж болох боловч тусдаа CrN фаз хэлбэрээр оршиж чадахгүй гэж үздэг. Бусад судалгаагаар (Tix,Cr1-x)N бүрхүүлд Ti атомыг шууд орлодог Cr атомын тоо хязгаарлагдмал бөгөөд үлдсэн Cr нь синглет төлөвт оршдог эсвэл N-тэй нэгдлүүд үүсгэдэг болохыг харуулж байна. Туршилтын үр дүнгээс харахад бүрхүүлд Cr нэмэх нь гадаргуугийн ширхэгийн хэмжээг багасгаж, хатуулгийг нэмэгдүүлдэг бөгөөд Cr-ийн массын хувь 3л% хүрэхэд бүрхүүлийн хатуулаг хамгийн өндөр утгадаа хүрдэг боловч бүрхүүлийн дотоод стресс нь мөн хамгийн их утгадаа хүрдэг болохыг харуулж байна.

3, Бусад бүрэх давхарга

Түгээмэл хэрэглэгддэг TiN бүрхүүлээс гадна арааны гадаргууг бэхжүүлэхэд олон төрлийн инженерийн керамик ашигладаг.

(1) Японы Y. Terauchi нар уурын тунадасны аргаар тунгасан титан карбид эсвэл титан нитрид керамик арааны үрэлтийн элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг судалсан. Бүрэхээс өмнө арааг карбюржуулж, өнгөлж, гадаргуугийн хатуулаг HV720 орчим, гадаргуугийн барзгаржилт 2.4 мкм болсон бөгөөд керамик бүрхүүлийг титан карбидын химийн уурын тунадасжилт (CVD) болон титан нитридын физик уурын тунадасжилт (PVD) аргаар бэлтгэсэн бөгөөд керамик хальсны зузаан нь ойролцоогоор 2 мкм байв. Үрэлтийн элэгдлийн шинж чанарыг тос болон хуурай үрэлтийн үед тус тус судалсан. Керамикаар бүрсэний дараа арааны хөшүүргийн элэгдэлд тэсвэртэй байдал болон зурагдах эсэргүүцэл мэдэгдэхүйц нэмэгдсэн болохыг тогтоожээ.

(2) Химийн аргаар бүрсэн Ni-P болон TiN-ийн нийлмэл бүрхүүлийг Ni-P-ийг шилжилтийн давхарга болгон урьдчилан бүрж, дараа нь TiN-ийг хуримтлуулах замаар бэлтгэсэн. Судалгаагаар энэхүү нийлмэл бүрхүүлийн гадаргуугийн хатуулаг тодорхой хэмжээгээр сайжирсан бөгөөд бүрхүүл нь суурьтай илүү сайн наалдаж, элэгдэлд тэсвэртэй болсон байна.

(3) WC/C, B4C нимгэн хальс
Японы Технологийн Хүрээлэнгийн Механик Инженерийн Тэнхимийн М. Муракава нар PVD технологийг ашиглан арааны гадаргуу дээр WC/C нимгэн хальс хуримтлуулсан бөгөөд түүний ашиглалтын хугацаа нь тосгүй тосолгооны нөхцөлд ердийн унтраасан болон газардуулсан араанаас гурав дахин их байсан. Франц Ж нар PVD технологийг ашиглан FEZ-A болон FEZ-C арааны гадаргуу дээр WC/C болон B4C нимгэн хальс хуримтлуулсан бөгөөд туршилтаар PVD бүрхүүл нь арааны үрэлтийг мэдэгдэхүйц бууруулж, арааг халуун цавуу эсвэл наалтанд бага өртөмтгий болгож, арааны ачаалал даах чадварыг сайжруулсан болохыг харуулсан.

(4) CrN кинонууд
CrN хальснууд нь TiN хальстай төстэй, учир нь тэдгээр нь өндөр хатуулагтай бөгөөд CrN хальснууд нь TiN-ээс өндөр температурын исэлдэлтэд илүү тэсвэртэй, зэврэлтэнд тэсвэртэй, TiN хальснаас бага дотоод стресстэй, харьцангуй сайн бат бөх чанартай байдаг. Чен Лин нар HSS-ийн гадаргуу дээр маш сайн хальсан дээр суурилсан холбоо бүхий элэгдэлд тэсвэртэй TiAlCrN/CrN нийлмэл хальс бэлтгэсэн бөгөөд мөн олон давхаргат хальсны дислокацийн давхаргын онолыг санал болгосон бөгөөд хэрэв хоёр давхаргын хоорондох дислокацийн энергийн зөрүү их байвал нэг давхаргад үүссэн дислокаци нь түүний интерфэйсээр нөгөө давхарга руу нэвтрэхэд хэцүү байх бөгөөд ингэснээр интерфэйс дээр дислокацийн давхарга үүсч, материалыг бэхжүүлэх үүрэг гүйцэтгэдэг. Жонг Бин нар CrNx хальсны фазын бүтэц болон үрэлтийн элэгдлийн шинж чанарт азотын агууламжийн нөлөөллийг судалсан бөгөөд судалгаагаар хальсан дахь Cr2N (211) дифракцийн оргил аажмаар суларч, CrN (220) оргил аажмаар N2 агууламж нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгдэж, хальсан гадаргуу дээрх том хэсгүүд аажмаар буурч, гадаргуу нь тэгш байх хандлагатай байгааг харуулсан. N2 агааржуулалт 25 мл/мин байх үед (байрласан эх үүсвэрийн нуман гүйдэл 75 А байсан) тунадасжсан CrN хальс нь N2 агааржуулалт 25 мл/мин байх үед (байрласан эх үүсвэрийн нуман гүйдэл 75 А, сөрөг даралт 100 В) гадаргуугийн чанар сайн, хатуулаг сайтай, элэгдэлд тэсвэртэй маш сайн үзүүлэлттэй байв.

(5) Супер хатуу хальс
Хэт хатуу хальс нь 40GPa-аас дээш хатуулагтай, элэгдэлд тэсвэртэй, өндөр температурт тэсвэртэй, үрэлтийн коэффициент бага, дулааны тэлэлтийн коэффициент багатай хатуу хальс бөгөөд голчлон аморф алмазан хальс болон CN хальс юм. Аморф алмазан хальс нь аморф шинж чанартай, урт хугацааны дараалсан бүтэцгүй, олон тооны CC тетраэдр холбоо агуулдаг тул тэдгээрийг тетраэдр аморф нүүрстөрөгчийн хальс гэж нэрлэдэг. Аморф нүүрстөрөгчийн хальсны нэг төрөл болох алмазан төст бүрхүүл (DLC) нь өндөр дулаан дамжуулалт, өндөр хатуулаг, өндөр уян хатан модуль, дулааны тэлэлтийн коэффициент бага, химийн сайн тогтвортой байдал, элэгдэлд тэсвэртэй, үрэлтийн коэффициент бага зэрэг алмазантай төстэй олон маш сайн шинж чанартай байдаг. Арааны гадаргуу дээр алмазан төст хальс бүрэх нь ашиглалтын хугацааг 6 дахин уртасгаж, ядрах эсэргүүцлийг мэдэгдэхүйц сайжруулдаг болохыг харуулсан. CN хальс, мөн аморф нүүрстөрөгч-азотын хальс гэгддэг нь β-Si3N4 ковалент нэгдлүүдтэй төстэй талст бүтэцтэй бөгөөд β-C3N4 гэгддэг. Liu болон Cohen нар. Анхны шинж чанарын зарчмаас псевдопотенциал зурвасын тооцооллыг ашиглан онолын нарийн тооцоолол хийж, β-C3N4 нь өндөр холболтын энергитэй, тогтвортой механик бүтэцтэй, дор хаяж нэг тогтвортой бус төлөвтэй, уян хатан модуль нь алмаазтай харьцуулах боломжтой, сайн шинж чанартай бөгөөд энэ нь материалын гадаргуугийн хатуулаг, элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг үр дүнтэй сайжруулж, үрэлтийн коэффициентийг бууруулж чадна гэдгийг баталсан.

(6) Бусад хайлшин элэгдэлд тэсвэртэй бүрэх давхарга
Зарим хайлшин элэгдэлд тэсвэртэй бүрхүүлийг араанд түрхэхээр оролдсон, жишээлбэл, 45# ган арааны шүдний гадаргуу дээр Ni-P-Co хайлшин давхаргыг түрхэх нь хэт нарийн ширхэгтэй зохион байгуулалтыг бий болгох хайлшин давхарга бөгөөд энэ нь ашиглалтын хугацааг 1.144~1.533 дахин уртасгах боломжтой. Мөн Cu-Cr-P хайлшин цутгамал төмрийн арааны шүдний гадаргуу дээр Cu металл давхарга болон Ni-W хайлшин бүрхүүл түрхэж, бат бөх чанарыг нь сайжруулдаг болохыг судалсан; HT250 цутгамал төмрийн арааны шүдний гадаргуу дээр Ni-W болон Ni-Co хайлшин бүрхүүл түрхэж, бүрээгүй араатай харьцуулахад элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг 4~6 дахин нэмэгдүүлдэг болохыг судалсан.