Араа бүрэх технологи

PVD хуримтлуулах технологи нь гадаргууг өөрчлөх шинэ технологи, ялангуяа вакуум ион бүрэх технологи хэлбэрээр олон жилийн турш хэрэглэгдэж ирсэн бөгөөд сүүлийн жилүүдэд ихээхэн 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, цооролтыг эсэргүүцэх чадвартай 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, ил задгай халдаах.Өнгөт металлууд нь турбин эсвэл араа үйлдвэрлэхэд ихэвчлэн хэрэглэгддэг цагаан тугалга хүрэл, хөнгөн цагаан-төмөр хүрэл, цутгамал хөнгөн цагаан хайлш юм, гэхдээ гулсах болон үрэлтийн эсрэг шинж чанар муу, зөвхөн хөнгөн, дунд ачаалал, бага хурдтай байдаг. араа.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 хэрэгжүүлж эхэлсэн бөгөөд зорилго нь PVD технологийг ашиглан эд ангиудын гадаргуу дээр тохирох хальсыг нэгтгэн хүрээлэн буй орчин, хүний ​​биед хортой тосолгооны материалыг орлуулах явдал юм.Герман дахь PW Gold болон бусад компаниуд SFB442-ын санхүүжилтийг ашиглан PVD технологийг ашиглан гулсмал холхивчийн гадаргуу дээр нимгэн хальсыг буулгаж, гулсмал холхивчийн элэгдэлээс хамгаалах үйл ажиллагаа мэдэгдэхүйц сайжирч, гадаргуу дээр хуримтлагдсан хальс нь хавтанг бүрэн орлуулах боломжтой болохыг олж мэдэв. хэт даралтын элэгдлийн эсрэг нэмэлтүүдийн үүрэг.Йоахим, Франц нар.Германд PVD технологийг ашиглан EP нэмэлт агуулсан тосолгооны материалаас өндөр, ядаргааны эсрэг маш сайн шинж чанарыг харуулсан WC/C хальс бэлтгэсэн нь хортой нэмэлтийг бүрээсээр солих боломжийг олгодог.E. Lugscheider et al.ХБНГУ-ын Аахений Техникийн Их Сургуулийн Материалын Шинжлэх Ухааны Хүрээлэнгийн DFG (Германы Судалгааны Комисс)-ийн санхүүжилтээр PVD технологийг ашиглан 100Cr6 ган дээр зохих хальсыг буулгасны дараа ядаргаа эсэргүүцэх чадвар мэдэгдэхүйц нэмэгдсэнийг харуулсан.Нэмж дурдахад, АНУ-ын Женерал Моторс нь ядаргаа үүсэх эсэргүүцлийг сайжруулахын тулд VolvoS80Turbo төрлийн автомашины арааны гадаргуугийн хальсыг бүтээж эхэлсэн;алдартай Timken компани ES200 арааны гадаргуугийн хальсыг үйлдвэрлэсэн;бүртгэгдсэн худалдааны тэмдэг MAXIT араа бүрэх Германд гарч ирэв;Бүртгэгдсэн худалдааны тэмдэг Graphit-iC ба Dymon-iC тус бүр Их Британид бүртгэгдсэн Graphit-iC болон Dymon-iC барааны тэмдэг бүхий Gear бүрхүүлүүд байдаг.

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 ихтэй тул бүрээс болон субстратын хослол муу, бүрээс нь бүрээсийг дэмжихэд хангалтгүй, хийх Ашиглалтын явцад бүрэх нь амархан унах тул керамик бүрээсийн давуу талыг харуулахгүй, харин унасан керамик бүрэх хэсгүүд нь араа дээр зүлгүүрийн элэгдэл үүсгэж, арааны элэгдэл алдагдлыг хурдасгадаг.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 ашиглах физик уурын бүрээс болон бусад гадаргууг боловсруулах процесс эсвэл 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 зэрэг хоёртын TiN бүрээс дээр тулгуурлан олон бүрэлдэхүүн хэсэг, олон давхаргат бүрээсийг боловсруулж байна. /Al2O3 гэх мэт. TiN бүрээсэнд Al, Si зэрэг элементүүдийг нэмснээр өндөр температурт исэлдэлтэнд тэсвэртэй, бүрээсний хатуулгийг сайжруулж, харин В зэрэг элементүүдийг нэмбэл бүрээсний хатуулаг, наалдамхай чанарыг сайжруулдаг.

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 бүрэх 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 бүрхүүл дэх Ti атомыг шууд орлох Cr атомын тоо хязгаарлагдмал, үлдсэн Cr нь сингл төлөвт оршдог буюу N-тэй нэгдлүүд үүсгэдэг. Туршилтын үр дүнгээс харахад Cr нэмсэн нь бүрэх нь гадаргуугийн ширхэгийн хэмжээг багасгаж, хатуулгийг ихэсгэх ба Cr-ийн массын хувь 3л% хүрэхэд бүрээсний хатуулаг хамгийн дээд утгад хүрдэг боловч бүрхүүлийн дотоод стресс нь мөн хамгийн их утгад 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 олж авахын тулд карбюржуулж, өнгөлсөн ба керамик бүрээсийг титан карбидын химийн уурын хуримтлал (CVD) болон физик уурын (PVD) аргаар бэлтгэсэн. титан нитрид, керамик хальсны зузаан нь ойролцоогоор 2 мкм.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 ашиглалтын хугацаа нь ердийн унтрах болон нунтагласан араатай харьцуулахад 3 дахин их байсан. үнэгүй тосолгооны нөхцөл.Franz J et al.PVD технологийг ашиглан FEZ-A болон FEZ-C арааны гадаргуу дээр WC/C болон B4C нимгэн хальсыг буулгаж, туршилтаар PVD бүрээс нь араагийн үрэлтийг мэдэгдэхүйц бууруулж, араа нь халуун наалт, наалтанд өртөмтгий биш болохыг харуулсан. мөн арааны даацыг сайжруулсан.

(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 хальс бэлтгэсэн бөгөөд хэрэв хоёр давхаргын хоорондох мултралын энергийн зөрүү их байвал мултрах онолыг олон давхаргат хальсны онолыг санал болгосон. Нэг давхаргад түүний интерфэйсийг нөгөө давхарга руу гатлахад хэцүү байх болно, ингэснээр интерфэйс дээр мултрах давхаргыг үүсгэж, материалыг бэхжүүлэх үүрэг гүйцэтгэдэг.Zhong Bin нар CrNx хальсны фазын бүтэц, үрэлтийн элэгдлийн шинж чанарт азотын агууламжийн нөлөөг судалсан бөгөөд судалгаагаар хальсан дахь Cr2N (211) дифракцийн оргил аажмаар суларч, CrN (220) оргил нь ихсэх тусам аажмаар нэмэгдэж байгааг харуулсан. N2 агууламжтай, хальсан гадаргуу дээрх том хэсгүүд аажмаар буурч, гадаргуу нь тэгш байх хандлагатай байв.N2 агааржуулалт нь 25 мл/мин байхад (зорилтот эх үүсвэрийн нумын гүйдэл 75 А, хуримтлагдсан CrN хальс нь гадаргуугийн чанар сайтай, хатуулаг, элэгдэлд тэсвэртэй N2 агааржуулалт 25 мл/мин байхад (зорилтот эх үүсвэрийн нумын гүйдэл 75 А, сөрөг) даралт 100 В).

(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 гэх мэт алмаазтай төстэй олон шинж чанартай байдаг. бага үрэлтийн коэффициент.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 нэгдлүүдтэй 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 холболтын энергитэй, тогтвортой механик бүтэцтэй, дор хаяж нэг дэд тогтвортой төлөвтэй, уян хатан модуль нь алмазтай харьцуулах боломжтой гэдгийг баталсан. сайн шинж чанартай бөгөөд энэ нь материалын гадаргуугийн хатуулаг, элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг үр дүнтэй сайжруулж, үрэлтийн коэффициентийг бууруулдаг.

(6) Бусад хайлш элэгдэлд тэсвэртэй бүрэх давхарга
Зарим хайлшны элэгдэлд тэсвэртэй бүрээсийг араанд түрхэхийг оролдсон, жишээлбэл, 45# ган арааны шүдний гадаргуу дээр Ni-P-Co хайлшны давхарга хуримтлагдах нь хэт нарийн ширхэгтэй бүтэцтэй хайлшийн давхарга юм. Энэ нь 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.