Вакуумная установка – применение и виды вакуумных установок. Установки вакуумного напыления, ионное и магнетронное напыление

Вакуумные системы, это комплекс взаимосвязанных элементов, обеспечивающих создание и поддержание заданного разрежения в определенном объеме. Все вакуумные системы разделяются по степени разрежения на системы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума.

Навигация:

Кроме того, вакуумные системы

Основные компоненты вакуумных систем:

вакуумный насос или установка, обеспечивающие откачку газовой среды;

трубопроводы, связывающие между собой компоненты вакуумных систем;

емкость, сосуд или другой замкнутый объем, в котором создается разрежение;

различная запорная арматура и предохранительные устройства;

система датчиков, осуществляющих передачу данных о состоянии системы;

контролер, обеспечивающий управление всей системой на основании полученной от датчиков информации.

Некоторые элементы из перечисленных выше могут отсутствовать, все зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Кроме того, могут дублироваться некоторые или даже все элементы, обеспечивая непрерывное поддержание заданного разрежения. Полностью автоматическая вакуумная система способна самостоятельно подключать дополнительные модули в работу, управлять запорной арматурой и постоянно поддерживать необходимую степень разрежения в заданных объемах.

Чертежи вакуумных систем в каждом конкретном случае разрабатываются с учетом требований заказчиков и должны соответствовать требованиям НТД. Они являются неотъемлемой частью любого проекта, учитывают все переменные факторы и разрабатываются обученными специалистами.

В качестве примера можно привести медицинские вакуумные системы, отключение которых может оказаться фатальным во время хирургической операции. Каждый датчик вакуумной системы такого типа обязательно дублируется, часто применяется полное дублирование системы и автономное питание. Автоматическая вакуумная система поддерживает необходимое разрежение, включая и выключая насосы, откачивающие воздух согласно показаний датчиков.

Основное применение вакуумные системы получили для:

создания условий химических реакций в химической, нефтяной промышленности и исследовательских лабораториях;

производства линз в оптике;

вакуумной упаковки продуктов в пищевой промышленности;

дегазации расплавов в металлургических плавильных печах;

обработки электротехнических плат в электронике;

обеспечения работы отсасывающих кровь устройств и производства некоторых препаратов в медицине;

напыления различных по структуре и несмешиваемых материалов в автомобильной промышленности;

создания вакуума в доильных аппаратах сельскохозяйственных предприятий.

Арматура для вакуумных систем различается на запорную, предохранительную и регулирующую. Некоторые виды регулирующей арматуры могут заменять запорную при необходимости. К запорной арматуре относится большинство вакуумных и обратных клапанов, имеющих 2 положения и обеспечивающих только отсекание (проход) рабочей среды, регулирующие и предохранительные устройства.

Рабочий макет вакуумной установки, применяемый для обучения студентов:

Вакуумная установка (напыление)

Вакуумные установки, применяемые для напыления, бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Для массовой и серийной обработки деталей, применяются вакуумные установки непрерывного действия. Установки периодического и полунепрерывного действия могут иметь несколько загружаемых рабочих камер или одну, загружаемую несколькими позициями. Процесс напыления можно разбить на несколько операций:

• загрузка деталей и герметизация рабочей камеры;
• создание необходимого разрежения;
• испарение или распыление напыляемого материала;
• термическая обработка напыления;

Вакуумное напыление получило применение при изготовлении различных электронных плат, нанесении тонировки на стекла автомобилей и металлизации некоторых пластиков. Обычно вакуумные установки для напыления имеют в своей конструкции следующие элементы:

• герметизируемое замкнутое пространство (рабочая камера);
• источник испарения или распыления напыляемых материалов;
• создающей разрежение системы, в которую входит насос и трубопроводы со всей запорной, регулирующей и предохранительной арматурой;
• датчики, соединенные с управляющей процессом системой;
• транспортера или другого подающего устройства;
• дополнительных устройств (фильтров, манипуляторов, приводов, фильтрующих установок).
• Вакуумное напыление может осуществляться с помощью:
• катодного распыления материалов (электрический ток подается на распыляющийся катод, а так как деталь выполняет роль анода, распыленный материал напыляется на него);
• магнетронного распыления;
• ионно-плазменного распыления катодов;

Так как при повышении температуры поверхности обрабатываемой детали происходит отторжение наносимых частиц, поэтому очень важным является правильно организованное охлаждение. В зависимости от применяемого для создания разрежения оборудования, получает название вся установка. Например, вакуумная установка водокольцевая означает применение водокольцевых насосов при откачке газов из рабочей камеры.

Существует множество вакуумных установок, отличающихся принципом нанесения напыления, применяемым типом вакуумных насосов, степенью автоматизации, объемом и другими элементами. В качестве примера можно привести вакуумные установки УВ-24С, УВ-947, Булат-3Т, УВН-15, Магна 2М, Оратория-9 и множество других на их основе.

Схема вакуумной установки для магнетронного напыления металлов:

Оборудование вакуумных систем (арматура, фланцы, датчики)

Наиболее распространенной ошибкой при конструировании вакуумных систем является усложнение проекта и наличие множества лишних элементов. Это могут быть как лишние задвижки, повлекшие дополнительные места для герметизации, датчики, расположенные в неудобных местах и постоянно разрушаемые, фланцы, установленные там, где можно было обойтись цельной конструкцией.

Производители вакуумного оборудования в большинстве случаев изготавливают оборудование, отвечающее требованиям заказчика по производительности, максимально возможному разрежению и скорости откачки. На высокопроизводительных системах установка лишних элементов может вызвать их разгерметизацию и не обеспечить срабатывание предохранительных устройств. Поэтому, следует учесть, что вакуумная система, сконструированная непрофессионально, может быть не только неудовлетворяющей условиям эксплуатации, но и опасной для обслуживающего персонала.

Вся арматура, используемая при монтаже вакуумных систем, должна полностью соответствовать условиям эксплуатации и изготавливаться с применением соответствующих технологий. Производство вакуумного оборудования должно быть основным направлением работы предприятия, поставляющего все элементы системы.

Датчик для работы в глубоком вакууме:

Вакуумная техника (техника создания и поддержания вакуума)

Вакуумная и компрессорная техника имеют во многом сходные свойства. Довольно часто производители компрессорного оборудования изготавливают вакуумные системы и их элементы. Производство вакуумной техники основано на дополнительных методах обработки оборудования, достижению максимальной герметизации систем.

Технологии создания и поддержания вакуума совершенствовались с течением времени. На данный момент вакуумная наука и техника позволяют создавать разрежение, соответствующее глубокому космическому вакууму.

Вертикальные и горизонтальные вакуумные насосы:

Вакуумные насосы (виды и применение)

Существует несколько применяющихся видов вакуумных насосов. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, что обеспечивает свою сферу применения.

Водокольцевой насос получил свое название из-за того, что разрежение в вакуумной системе создается при помощи постоянного кольца воды в рабочей плоски. Вал насоса расположен со смещением, благодаря чему с одной стороны насоса лопасти проходят вплотную к корпусу (не задевая его), а с противоположной стороны имеется значительное расстояние до стенки.

При вращении лопасти рабочего колеса захватывают жидкость(воду), закручивая ее в виде кольца. Действующие при этом силы трения вызывают нагрев жидкости, поэтому вода в кольце постоянно подменяется свежей. Так как отсос газа происходит с помощью водяного кольца, то большинство абразивных загрязнений откачиваемой среды отфильтровывается и выходит чистый газ.

Такие насосы очень просты в обслуживании, производят быструю откачку газов, нетребовательны к их составу, но не могут создавать глубокое разрежение, что ограничивает их применение в промышленности.

Схема работы водокольцевого насоса:

Где точка Н показывает место наивысшего сжатия откачиваемого газа (подсоединение выпускного патрубка), В – вход в насос, К – водяное кольцо.

Пластинчато-роторный насос осуществляет откачку газов за счет эксцентрично расположенного по отношению к корпусу вала. На валу имеются специальные отверстия, в которые установлены пружины. Под действием пружин лопасти постоянно прижимаются к корпусу, образуя герметичные по отношению друг к другу камеры. При вращении ротора каждая камера меняет свой объем от минимального (при этом происходит максимальное сжатие находящихся в ней газов) до максимального (создавая при этом разрежение). Для того, чтобы уменьшить трение пластин о корпус, применяется специальное масло.

Сфера применения ограничена, так как требуется фильтрующее устройство, гарантирующее отсутствие абразивных частиц в откачиваемых газах и в исходящих газах присутствуют пары масел.

Схема работы пластинчато-роторных насосов:

Форвакуумный насос может быть различного типа, например, роторно-пластинчатым, водокольцевым, золотниковым. Главной задачей таких насосов является максимально быстрое создание форвакуума (предварительного разрежения) для обеспечения работы насосов, обеспечивающих высокое разрежение. Это связано с тем, что некоторые модели насосов имеют незначительную скорость откачки при нормальном атмосферном давлении и им требуется максимально возможное разрежение для создания глубокого вакуума.

В качестве второй ступени в форвакуумных насосах применяются турбомолекулярные, паромасляные диффузные и другие виды насосов.

Насосы Рутса осуществляют откачку газовых смесей благодаря наличию двух, вращающихся синхронно, роторов. Один из роторов получает вращательное движение от двигателя, а другой приводится в действие шестеренчатой передачей, обеспечивающей синхронность вращения. Конструкция позволяет создавать даже высокое разрежение, но требует обязательной очистки поступающего в рабочую камеру газа.

Схема работы 2-хкулачкового (поз «а») и 3-хкулачкового (поз «б») насосов Рутса.

Напыление вакуумное является переносом вещества (его частиц), которое напыляют, на твердую поверхность. Оно осуществляется способом конвективного перемещения с давлением около 1 Па. При напылении каждая частица ведет себя совершенно по-разному. Некоторые способны отразиться от напыляемой поверхности, другие - приспособиться, но через какое-то время вовсе покинуть поверхность. И только небольшая часть сможет прижиться в теле опыляемого вещества, поэтому установка вакуумного напыления представляет собой достаточно сложное оборудование. Если использовать большую энергию вместе с высокой температурой, но при этом иметь маленькое химсродство материала, то большинство частиц будет отражено поверхностью.

Особенности установки вакуумного напыления

Температура, выше которой отражается весь объем частиц напыления, а также частицы, не способные взаимодействовать с веществом, именуется критической температурной точкой напыления вакуумом. Нужно внимательно следить во время осуществления напыления, чтобы отметка температуры не достигла максимально недопустимой величины.

Данная величина полностью зависима от происхождения материала, характеристики рабочей поверхности, ее состояния. Поэтому, чтобы было возможно использовать наибольшую величину температуры, когда происходит установка вакуумного напыления, необходимо хорошее состояние рабочей плоскости, тогда пленка вещества будет сделана достаточно профессионально и прочно.

Использование пленок в установке вакуумного напыления

Также существует понятие критической плотности давления. Критическая плотность давления - это минимальная величина плотности, при которой пленка адсорбируется и становится не способной принимать частицы напыления. Главная задача напыления - не достигнуть величины такой плотности, при какой вещество на которое наносят опыляемые частицы, не принимает их из-за своих плохих технических свойств.

Пленки по своей структуре разделяют по качеству напыления, техническим характеристикам и происхождению материала. Пленки бывают:

Аморфными;
- монокристаллическими;
- поликристаллическими.

Аморфные - это те пленки, которые имеют стеклообразное напыление. Монокристаллические пленки имеют более твердую поверхность и по своим функциям практически являются полупроводниками. К поликристаллическим пленкам относят сплавы, металлы и Si. Когда происходит установка вакуумного напыления, то преимущественно используются монокристаллические пленки, так как они имеют наилучшие технические характеристики и способны переносить достаточно большие нагрузки при эксплуатации.

Принцип работы установок вакуумного напыления

Для сохранения технических свойств, характеристик напыления вакуумом, после процедуры напыления используют отжиг (не нарушая вакуум) при воздействии высокой температуры, потому как такая процедура достаточно хорошо помогает сохранить полезные свойства напыляемых материалов. Температура данного отжига в несколько раз превышает температуру, при какой происходило напыление вакуумом.

Когда происходит установка вакуумного напыления, специалисты пытаются создать поверхностную структуру из одного или нескольких материалов, которые способны сделать ее гораздо лучше и эффективнее. При вакуумном напылении, в зависимости от способа нанесении пленки, используют способы периодического, полунепрерывного и непрерывного воздействия. Наиболее удобным и эффективным является непрерывный способ воздействия.

Установки вакуумного напыления включают в себя много функций. Сначала создается вакуум, затем - распыляется и испаряется пленочный материал, осуществляется транспортировка деталей, подача электропитания и осуществление контроля режима вакуумного напыления, равно как и режима свойств пленок.

Устройство установки вакуумного напыления

Как правило, все оборудование этого типа имеет схожую конструкцию, состоящую из ряда элементов. Основным рабочим органом можно назвать горизонтальную камеру, в которой и происходит напыление, благодаря размещенному в ней технологическому устройству. Обеспечить требуемый вакуум призваны газораспределительная и откачная системы. К важным рабочим узлам оборудования относятся, в том числе, источники, обеспечивающие испарение или распыление обрабатываемых материалов.

Любая установка вакуумного напыления имеет систему электропитания и блокировки рабочих элементов, отвечающих за включение/отключение оборудования. Шкаф питания располагают в стороне от оборудования. Необходимую скорость нанесения напыления на пленки, их толщину, температуру деталей и рабочую температуру, и прочие показатели регулирует предустановленная система контроля и управления. Все датчики, относящиеся к этой системе, связаны между собой единым микропроцессором.

Установки снабжаются и специальными элементами транспортировки, с помощью которых осуществляется доставка деталей в камеру или вывод из неё. Различные вспомогательные устройства установок вакуумного напыления, включающие в себя экраны, манипуляторы, заслонки, установленные внутри рабочей камеры, устройства очистки газов и прочие элементы также являются неотъемлемой частью оборудования. Обрабатываемые материалы расположены на подложках, которые вращаются вокруг барабана на специальных держателях. За один оборот барабана каждая подложка проходит зону испарения разными сторонами.

 Вакуумное напыление основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул, кластеров) наносимого материала на поверхность изделий и их конденсации.
Процесс включает несколько стадий: переход напыляемого вещества или материала из конденсированной фазы в газовую, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, конденсацию их на поверхность, образование и рост зародышей, формирование пленки.
 Вакуумное напыление - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10 -2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10 -1 -10 -2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью.
 Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку.
 Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.
 Напыление вакуумное используют в планарной технологии полупроводниковых микросхем, в производстве тонкопленочных гибридных схем, изделий пъезотехники, акустоэлектроники и др. (нанесение проводящих, диэлектрических, защитных слоев, масок и др.), в оптике (нанесение просветляющих, отражающих и др. покрытий), ограниченно - при металлизации поверхности пластмассовых и стеклянных изделий, тонировании стекол автомобилей. Методом напыления вакуумного наносят металлы (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti и др.), сплавы (например, NiCr, CrNiSi), химические соединения (силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.).

 
Рис. П2.1.

 Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа. Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции:
 ·создание вакуума;
 ·испарение или распыление материала пленок;
 ·транспортировка и осаждение покрытия;
 ·контроль режимов вакуумного напыления и свойств пленок;
 ·электропитание.

 Установки вакуумного напыления

 Вакуумная установка резистивного напыления серии DV-502B (Рис. П2.2.) (данная установка является настольной)

Рис. П2.2.

 Установка ВАТТ1600-4ДК (Рис. П2.4.) предназначена для нанесения комбинированного покрытия, которое может состоять из слоя металла, слоя соединения этого металла (оксид, нитрид, карбид) и слоя SiOx.

Рис. П2.3.

 Применяя различные соединения титана возможно получать различные оттенки золотого, синего, зеленого, черного и некоторых других цветов (Рис. П2.4.). Покрытия можно наносить на листы нержавеющей стали с любой обработкой поверхности: зеркальной, шлифованной, декоративной текстурированной или обычной матовой. Габариты вакуумной установки позволяют напылять листы размером 1500х3000 мм. Листы после напыления могут быть покрыты самоклеющейся защитной пленкой. Стоимость напыления – от 700 руб./кв.м.

 

Рис. П2.4. Применение вакуумного напыления.

Нержавеющая сталь:

 Для вакуумного напыления нитридом титана используют подложку из нержавеющей стали.
 ·элегантность и изящество в отделке;
 ·коррозионная стойкость, устойчивость к воздействию атмосферных воздействий;
 ·соответствие самым строгим гигиеническим требованиям;
 ·легкость ухода и долговечность;
 ·термостойкость и пожаробезопасность;
 ·отличное сочетание с другими отделочными материалами (стекло, пластик, дерево, камень).

Технические характеристики:

 ·Материал подложки - сталь нержавеюшая, 08Х18Н10 (AISI 304);
 ·Толщина подложки 0,5мм – 1,5 мм;
 ·Покрытие нитрид титана, толщина 0,2-6 мкм;
 ·Цвет покрытия - различные оттенки золотого;
 ·Светорассеивание - от зеркального до матового;
 ·Механические свойства - допускает многократный изгиб и холодную штамповку;
 ·Атмосферостойкость - не менее 50 лет.

Метод получения материала

 Покрытие на нержавеющей стали TIN, TiO2 и TiON получено методом ионно-плазменного напыления в вакуумной камере.
 Листы нержавеющей стали, после предварительной обработки, которая обеспечивает высокую отражающую способность покрытия, помещаются в герметичную вакуумную камеру. Во время процесса напыления в камере создается глубокий вакуум, который обеспечивает заданный цвет и стойкость покрытий.
 При ионно - плазменном напылении ионы плазмы, обладающие высокой энергией, выбивают с поверхности титанового листа атомы титана, которые в свою очередь, проходя через высокоразреженное облако азота или кислорода, окисляясь, внедряются в материал подложки.
 Такой процесс обеспечивает хорошие адгезионные и декоративные свойства покрытия.
 Технологии вакуумного напыления являются чрезвычайно энергозатратными, и во многих странах превращаются в нишевой продукт. Многие компании заменяют вакуумное напыление на более производительное и менее затратное атмосферное плазменное напыление.
 Качества и свойства материала:
 Высокая атмосферная и антикоррозионная стойкость декоративного покрытия подтверждена сертификатом соответствия ГОСТ №СХ02.1.3,0040 от 18.09.96г. и составляет 50 лет в условиях городской атмосферы;
 Цвет может быть достигнут любой, но технологический процесс отлажен под три основных цвета: имитирующий цвет золота - покрытие TiN, синий - покрытие TiO2, имитирующий цвет свежей меди - покрытие TiON;
 Отражающая способность покрытия - 60-70%;

Области применения:

 ·Кровля куполов церквей и крыш зданий;
 ·Наружная реклама (таблички, объемные и плоские буквы из нержавеющей стали);
 ·Декоративное оформление зданий и интерьеров помещений;
 ·Реставрация памятников культуры;
 ·Изготовление фрагментов сувениров и фурнитуры.
 Вакуумное напыление применяется для изделий как из чёрного металла так и других металлов, используются различные напыления, в том числе и под золото, серебро (Рис. П2.5.).

 

Рис. П2.5. Применение вакуумного напыления.

 Материалы покрытий:
 TiN - нитрид титана (золотисто-бронзовый,повышенной износостойкости);
 TiOx1Cx2Nx3 - карбонид титана
 Gr - хром (белый);
 TiOx - оксид титана (голубой, многоцветный, перламутровый);
 NiGr - нихром (светло-серый);
 ZrN - нитрид циркония (светло-золотистый);
 также алюминий, медь и т.д., по желанию заказчика.
 Цвет, твердость и другие параметры покрытия могут варьироваться в широком диапазоне материалов и оттенков.
 Важными характеристиками микросхем является быстродействие, электрические контакты, формат матрицы и т.д. Для повышения одного из самого важного параметра – быстродействие – требуется повысить проводимость электрических контактов. Наиболее простым способом сделать это является вакуумное напыление элементов через свободные маски. Золото обладает очень хорошей проводимостью, что дает возможность повысить скорость прохождения информации.

Микросхема PRAM-памяти компании Intel (Рис. П2.6.)

 Материал: Золото(серебро).

 
Рис. П2.6. Микросхема PRAM-памяти компании Intel

Подшипники скольжения центробежных насосов (Рис. П2.6.)

 Самой главной характеристикой подшипника является его ресурс. Для его повышения у подшипников скольжения разработана специальная технология детонационного напыления с нанесением нанопорошков. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием монокарбида 62%. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка.
 Технологии: вакуумное напыление
 Отрасль: Электроника и Электротехника
 Материал: быстрозакаленные магнитные порошки БЗМП системы Nd-Fe-B.

Рис. П2.6. Подшипник скольжения

Высокоскоростное напыление

 Высокоскоростное газопламенное напыления по праву считается наиболее современной из технологий напыления. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия , процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным .
 В начале 80-х годов появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме ЖРД, со скоростью газового потока более 2000 м/с. Плотность покрытий достигает 99%. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0…1,5 МПа, а в конструкцию соплового аппарата вводят сопло Лаваля. На Рис. П2.7. представлена схема распылителя системы ВСН.

Рис. П2.6. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 - подача порошка (осевая); 2 - подача кислорода; 3 - подача топлива;
4 - подача порошка (радиальная); 5 - ствол.

Режущие инструменты, покрытые напылением

Вакуумное напыление - обработка поверхности, нанесение слоев материала на подложку.

Наносимые материалы:

металлы (например, кадмий, хром, медь, никель, титан)

неметаллы (например, керамические матричные композиты из углерода / углерода, карбид углерода / кремния и т. д.)

Технологии осаждения паров включают процессы, которые переводят материалы в парообразное состояние путем конденсации, химической реакции. Когда паровая фаза создается из жидкого или твердого источника, это называется физическим осаждением из паровой фазы (PVD). При получении химической реакции происходит известен как химическое осаждение из паровой фазы (CVD).Вакуумное напыление происходит с плазмой или без нее. Вакуумная среда имеет следующие преимущества:

Уменьшение плотности частиц

Уменьшение плотности частиц нежелательных атомов и молекул

Обеспечение появления плазмы

Возможность регулирования состава газов и паров

• Возможность управления массовым потоком в камере

Осаждение паров добавляет материал только на поверхность, оставляя большую часть объекта относительно неизменной. В результате свойства поверхности обычно изменяются без значительных изменений микроструктуры подложки.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD напыление)

Физическое осаждение из паровой фазы представляет собой тонкопленочный метод, при котором покрытие наносится поверх всего объекта, а не в определенные области. Всё вакуумное напыление PVD объединяют:

Нанесение металлов

Активный газ, такой как азот, кислород или метан

• Плазменная бомбардировка подложки для обеспечения плотного твердого покрытия

Основными методами вакуумного напыления PVD являются ионное нанесение, ионная имплантация, распыление и лазерное поверхностное легирование. Общий принцип один: газифицированный материал конденсируется на материале подложки для создания желаемого слоя. Таким образом, здесь не происходит химических реакций.

Ионное покрытие в вакууме

Плазменное ионное покрытие используется для осаждения металлов, таких как титан, алюминий, медь, золото и палладий на поверхности составной части. Толщина обычно составляют от 0,008 до 0,025 мм. Преимущества: адгезия, чистота поверхности, очистка поверхности подложки перед нанесением пленки и корректировка свойств пленки (например, морфология, плотность и остаточное напряжение пленки).

Недостатки: необходимость жестко контролировать параметры обработки, потенциальное загрязнение, активируемое в плазме, и возможное загрязнение частиц бомбардируемого газа.

Типичные области применения: рентгеновские трубки, трубопроводные резьбы, используемые в химических средах, лопасти турбины авиационных двигателей, стальные буровые долота, зубчатые колеса, высокоточные литьевые формы, алюминиевые вакуумно-уплотнительные фланцы, декоративные покрытия и антикоррозионная защита в ядерных реакторах.

Ионная имплантация

Ионная имплантация не создает дискретного покрытия, скорее, изменяет элементный химический состав существующей поверхности подложки путем легирования. Азот, например, используется для повышения износостойкости металлов. Чистота поверхности имеет важное значение для данной технологии. Предварительная обработка (например, обезжиривание, полоскание и ультразвуковая очистка) для удаления любых поверхностных загрязнений перед имплантацией очень важно. Время осаждения зависит от температурного сопротивления заготовки и требуемой дозы имплантации.

Ионная имплантация может использовать любой элемент, который может испаряться и ионизироваться в вакуумной камере. Преимущества этого процесса включают воспроизводимость, ликвидацию последующей обработки и минимальное образование отходов. Ионная имплантация не обеспечивает стабильной отделки, если покрытие подвергается воздействию высоких температур.

Ионная имплантация используется в качестве противоизносной обработки для компонентов с высокой стоимостью, таких как биомедицинские устройства (например, протезы), инструменты (например, пресс-формы, штампы, пуансоны, режущие инструменты и вставки). Другие промышленные применения включают нанесение золота, керамики и других материалов на подложки из арсенида пластика, керамики, кремния и галлия для полупроводниковой промышленности.

Распыление и вакуумное напыление

Распыление - нанесения, который изменяет физические свойства поверхности. Здесь газовый плазменный разряд устанавливается между двумя электродами: материалом катода и анодной подложкой. Пленки получаются очень тонкие, от 0,00005 до 0,01 мм. Данным способом часто наносятся хром, титан, алюминий, медь, молибден, вольфрам, золото и серебро.

Пленки с нанесенным слоем обычно используются в декоративных приложениях, таких как браслеты, очки и украшения. Электронная промышленность использует вакуумное напыление (например, проводка тонкой пленки на чипах и записывающих головах, а также магнитные и магнитооптические носители записи). Компании также используют осаждение вакуумным напылением для производства отражающих пленок для архитектурного стекла. В пищевой упаковочной промышленности используется распыление для производства тонких пластиковых пленок для упаковки. По сравнению с другими процессами осаждения напыление является относительно недорогим.

Поверхностное легирование

Поверхностное легирование с использованием лазеров: впрыскивание другого материала в расплав. Поверхностная обработка данным способом даёт высокотемпературные характеристики, износостойкость, улучшенную коррозионную стойкость, лучшие механические свойства и улучшенный внешний вид. Одним из многих методов лазерного легирования поверхности является лазерное плакирование. Общая цель лазерного плакирования - выборочно обработать определенную область. В лазерном плакировании тонкий слой металла (или порошкового металла) соединяется с основным металлом посредством обработки температурой и давлением. Перемещение подложки под пучком и перекрывающиеся дорожки осаждения могут охватывать большие площади. Предварительная обработка не является критичной, хотя поверхность может потребовать шероховатости перед осаждением. После выполняют шлифование или полировку.

Лазерное плакирование может использовать большинство тех же материалов, что и технологии термического напыления. Материалы, которые легко окисляются, трудно осаждать без использования инертного газа. Скорости осаждения зависят от мощности лазера и скорости перемещения. Толщина может варьироваться от нескольких сотен микрон до нескольких миллиметров. Однако, если плотность слишком высокая, возможно образование трещин и расслоение, как в случае алюминия и некоторых сталей. Эта технология также не способна покрывать области, которые находятся вне зоны видимости.

Химическое осаждение из паровой фазы (СVD напыление)

В процессах CVD химическая смесь реагентного газа контактирует с подложкой и затем осаждается в нее. Газы подаются в камеру при нормальных давлениях и температурах, в то время как твердые вещества и жидкости требуют высоких температур и / или низкого давления.

Процесс разложения может быть ускорен или ускорен с использованием тепла, плазмы или других процессов. Химическое осаждение из паровой фазы включает в себя распыление, ионное покрытие, CVD с повышением температуры, CVD с низким давлением, CVD с улучшенным лазерным излучением, активное реактивное испарение, ионный пучок, лазерное испарение и другие варианты. Эти процессы обычно отличаются способами, с помощью которых инициируются химические реакции и обычно классифицируются по рабочему давлению.

Основными шагами в процессах вакуумного напыления CVD являются:

Формирование реакционной газовой смеси

Массовый перенос газа-реагента через пограничный слой на подложку

Адсорбция реагентов на субстрате

• Реакция адсорбентов с образованием осадка

Предварительная обработка включает механическую и / или химическую очистку (например, ультразвуковую очистку и / или обезжиривание паром), а затем в некоторых случаях путем хонингования паром (для улучшения адгезии). Кроме того, камера осаждения должна быть чистой, герметичной и не содержать пыли и влаги.

Вакуумное напыление CVD используется для защиты от коррозии и износостойкости и применяется к материалам для получения конкретных свойств, которые трудно получить при других процессах. Наиболее часто используемыми металлами в CVD являются никель, вольфрам, хром и карбид титана.

Большинство приложений находятся в электронике оптической, оптоэлектрической, фотоэлектрической и химической промышленности. CVD используется для нанесения покрытий и формирования фольги, порошков, композиционных материалов, отдельно стоящих тел, сферических частиц, нитей и усов.

Вакуумное напыление нитрида титана и титанового карбонитрида

Основы процесса

Нитрид титана (TiN) может наноситься с использованием либо PVD, либо CVD-методов. Для высокоскоростных стальных применений обычно предпочтительны процессы PVD. Однако процессы PVD имеют определенные ограничения в отношении геометрии компонентов, необходимость вращения детали для достижения однородности и температуры

Температура обработки CVD обычно составляет от 850 до 1100°C. Основная химическая реакция (Уравнение 1) в CVD- для получения слоя TiN находится между тетрахлоридом титана (TiCl4), азотом (N) и водородом (H):

2TiC1 4 + N 2 + 4H 2 → 2TiN + 8HC1

В отличие от этого, процессы вакуумного напыления PVD работают при гораздо более низких температурах, в диапазоне от 400 до 600 C (750 - 1100ºF) или ниже. Процессы PVD полагаются на ионную бомбардировку вместо высоких температур (как в случае CVD) в качестве движущей силы. Покрываемую подложку помещают в вакуумную камеру и нагревают до температуры. Материал Ti, испаряется и химически активный газ, такой как N 2 вводится и ионизированный; Испаренные атомы титана затем взаимодействуют с ионизированным азотом с образованием соединения TiN, которое откладывается на подложке. Существует три основных процесса PVD для инструментов: испарение, вакуумное напыление и реактивное ионное покрытие, отличающееся главным образом тем, как испаряется реагирующий металл.

Покрытия из карбонитрида титана (TiCN) имеют немного более высокую твердость по сравнению с TiN и могут демонстрировать несколько меньший коэффициент трения во многих областях применения. Они в основном используются для достижения повышенной абразивной износостойкости.

Вакуумное напыление PVD широко используется для высокоскоростных и инструментальных сталей, поскольку температуры процесса CVD попадают в диапазон, в котором закаливаются некоторые инструментальные стали. Может потребоваться обработка после нанесения покрытия (повторное упрочнение и повторное закаливание). Эти обработки могут влиять на адгезию и размеры покрытия.

Здравствуйте, друзья.

Итак, история началась немного ранее, когда у нас появилась вакуумная камера. Путь её к нам был неблизок и может быть описан отдельным рассказом, но это, как говорится, «совсем другая история». Скажу только, что ещё раньше она приносила людям какую-то пользу в одной из лабораторий Гёттингенского университета.

Первое, на чём мы начали эксплуатировать вакуумную камеру, стало испробывание способа термического осаждения металлов на подложки. Способ прост и стар, как мир. В молибденовый тигель помещается мишень распыляемого металла, например, серебра. Вокруг него размещён нагревательный элемент. Мы использовали проволоку из вольфрамрениевого сплава, которую наматывали в виде спирали.

Полностью устройство для термического напыления выглядит следующим образом:

Оснастка для термического напыления металлов. а. В сборе (защитный экран и задвижка сняты). Обозначения: 1 – тигель, 2 – нагревательный элемент, 3 – паропровод, 4 – токоподвод, 5 – термопара, 6 – рамка для образца.

После пропускания тока (в вакуумную камеру идёт через гермовводы) спираль раскаляется, нагревает лодочку, в которой также нагревается материал мишени и испаряется. Облако металлического пара поднимается по паропроводу и окутывает тело, на которое необходимо осадить металлическую плёнку.

Сам по себе способ простой и хороший, однако есть и минусы: большое энергопотребление, трудно располагать в облаке пара поверхности (тела), на которые нужно осаждать плёнку. Адгезия тоже не самая лучшая. Наносили на разные материалы, в том числе на металлы, стекло, пластик и др. В основном - для исследовательских целей, поскольку мы только осваивали вакуумное оборудование.

Теперь настал черёд рассказать про вакуумную систему. Эксперименты мы проводили в вакуумной камере, оснащенной вакуумной системой, состоящей из роторного форвакуумного и турбомолекулярного насоса и обеспечивающей остаточное давление 9,5 10 -6 – 1,2 10 -5 мм.рт.ст.
Если на первый взгляд кажется, что она не сложная, то на самом деле это не так. Во-первых, сама камера должна иметь герметичность, необходимую для поддержания высокого вакуума. Это достигается применением герметизации всех функциональных фланцев и отверстий. Верхний и нижний фланцы-крышки имеют такие же, по-принципу, резиновые уплотнения, как и самые малые отверстия, предназначенные для установки окон, датчиков, устройств, гермовводов и др. фланцевых крышек, только диаметром гораздо большим. Например, для надежной герметизации такого отверстия

Требуется фланец, прокладка и крепеж, как на этой фотографии.

Вот этим датчиком производится измерение вакуума в камере, сигнал с него поступает на прибор, который показывает уровень высокого вакуума.

Вакуум необходимого уровня (например 10-5 мм.рт.ст.), достигается следующим образом. Вначале форвакуумным насосом откачивается низкий вакуум до уровня 10-2. По достижении этого уровня включается высоковакуумный насос (турбомолекулярный), ротор которого может вращаться со скоростью 40 000 об/мин. При этом форвакуумный насос продолжает работать - он откачивает давление из самого турбомолекулярного насоса. Последний является довольно капризным агрегатом и его «тонкое» устройство и сыграло определенную роль в этом повествовании. Мы используем японский турбомолекулярный насос фирмы Osaka vacuum.

Откачиваемый из камеры воздух с парами масла рекомендуется сбрасывать в атмосферу, поскольку мелкодисперсные капельки масла могут «забрызгать» все помещение.

Разобравшись с вакуумной системой и отработав термическое напыление мы решили опробовать другой способ нанесения пленок - магнетронный. У нас был длительный опыт общения с одной крупной лабораторией, которая нам наносила функциональные нанопокрытия для некоторых наших разработок как раз способом магнетронного напыления. Кроме того у нас имеются довольно тесные связи с некоторыми кафедрами МИФИ, МВТУ и других вузов, которые также помогали нам освоить эту технологию.

Но со временем мы захотели использовать побольше возможностей, которые предоставляет вакуумная камера.

В скором времени у нас появился небольшой магнетрон, который мы и решили приспособить для нанесения пленок.

Именно магнетронный вакуумный метод напыления тонких металлических и керамических пленок считается одним из самых производительных, экономичных и простых в эксплуатации среди всех физических методов напыления: термического испарения, магнетронного, ионного, лазерного, электронно-лучевого. Магнетрон устанавливается в один из фланцев, как удобно для использования. Однако для напыления этого еще недостаточно, поскольку он требует подведения определенного напряжения, охлаждающей воды, а также газов для обеспечения поджига плазмы.

Теоретический экскурс

Упрощённо, магнетрон устроен следующим образом. На основании, которое одновременно служит магнитопроводом, помещены сильные магниты, которые образуют сильное магнитное поле. С другой стороны магниты закрываются металлической пластиной, которая служит источником распыляемого материала и называется мишенью. На магнетрон подается потенциал, а на корпус вакуумной камеры - земля. Разница потенциалов, образуемая между магнетроном и корпусом камеры в условиях разряженной атмосферы и магнитного поля приводит к следующему. Атом плазмообразующего газа аргона попадает в действие силовых линий магнитного и электрического поля и ионизируется под их действием. Выбившийся электрон притягивается к корпусу камеры. Положительный ион притягивается к мишени магнетрона и, разогнавшись под действием силовых линий магнитного поля, ударяется о мишень, выбивая из нее частицу. Та вылетает под углом обратным тому углу, под которым в мишень попал ион атома аргона. Частица металла летит от мишени в сторону расположенной напротив нее подложки, которая может быть сделана из любого материала.

Наши вузовские друзья изготовили для этого магнетрона DC источник питания на мощность порядка 500 Вт.

Также мы соорудили систему газонапуска для плазмообразующего газа аргона.

Для размещения предметов, на которые будут напыляться плёнки, мы соорудили следующее приспособление. В крышке камеры имеются технологические отверстия, в которые можно устанавливать разные приспособления: гермовводы электроэнергии, гермовводы движения, прозрачные окошки, датчики и прочее. В одно из этих отверстий мы установили гермоввод вращающегося вала. Снаружи камеры на этот вал мы подвели вращение от небольшого электромоторчика. Установив скорость вращения барабана порядка 2-5 герц мы добились хорошей равномерности нанесения плёнок по окружности барабана.

Снизу, т.е. внутри камеры, мы укрепили на вал лёгкую металлическую корзину, на которую можно навешивать предметы. В канцелярском магазине такой стандартный барабан продаётся как корзина для мусора и стоит порядка 100 рублей.

Теперь у нас было в наличии практически всё необходимое для напыления плёнок. В качестве мишеней мы использовали следующие металлы: медь, титан, нержавейку, алюминий, сплав медь-хром.

И начали пылить. Через прозрачные окна в камеру можно было наблюдать свечение плазмы на поверхности мишени магнетрона. Так мы контролировали «на глазок» момент поджига плазмы и интенсивность напыления.

Способ контроля толщины напыления придумали достаточно простой. Размещали на барабане один и тот же кусочек фольги с замеренной площадью поверхности и измеряли его массу до и после сеанса напыления. Зная плотность напыляемого металла легко вычисляли толщину наносимого покрытия. Регулировали толщину покрытия либо изменением времени напыления, либо регулируя напряжение на источнике питания магнетрона. На этом фото видны прецизионные весы, позволяющие замерять массу образцов с точностью до десятитысячных долей грамма.

Наносили мы на различные материалы: дерево, металлы, фольга, пластики, бумага, полиэтиленовые плёнки, ткани, короче на всё, что можно было разместить в камере и прикрепить к барабану. В основном мы ориентировались на получение эффектов декоративного характера – изменение цвета или тактильного восприятия поверхности. На этих образцах органического и неорганического происхождения можно увидеть разницу в цвете до и после нанесения различных металлических плёнок.

Ещё более рельефно разница в цвете до и после напыления видна на тканях и плёнках. Здесь правый кусочек обычной полиэтиленовой плёнки – не напыленный, а левая покрыта слоем меди.

Ещё один эффект, который может быть использован для различных нужд – это проводимость тонких плёнок на подложках. На этом фото показано сопротивление кусочка бумаги (в омах), на который нанесена плёнка из титана толщиной чуть больше микрона.

Для дальнейшего развития мы выбрали несколько направлений. Один из них – улучшать эффективность напыления плёнок магнетронами. Собираемся «замахнуться» на собственную разработку и изготовление более мощного магнетрона высотой с камеру и мощностью в 2 раза больше, чем показанный в этом очерке. Также мы хотим опробовать технологию реактивного напыления, когда вместе с плазмообразующим газом аргоном в камеру подаются, например, кислород или азот и в ходе напыления плёнок на поверхности подложки образуются не чисто металлические плёнки, а оксиды или нитриды, которые имеют другой спектр свойств, нежели чистые металлические плёнки.