Способ нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий

 

Изобретение относится к технологии нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий и может быть использовано в различных областях науки, техники и быта. Изобретение позволяет получать высококачественные покрытия, в особенности на диэлектриках, при низких температурах нанесения покрытия вплоть до комнатных и при высоких скоростях нанесения покрытия. Согласно способу нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий создают по меньшей мере один дополнительный поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа, путем бомбардировки положительными ионами плазмы по меньшей мере одной мишени, имеющей относительно плазмы отрицательный потенциал, и воздействуют созданными потоками на поверхность изделия. При этом потенциал мишени относительно плазмы поддерживают от -100В до -5 кВ. Бомбардировку мишени положительными ионами осуществляют при регулировании температуры мишени от комнатной до 900°С.

Изобретение относится к области нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий, используемых в различных областях науки, техники и быта. Создание таких покрытий на изделиях из дешевых материалов существенно улучшает их эксплуатационные и потребительские свойства. Однако многие материалы изделий не выдерживают температурных режимов нанесения покрытий по известным технологиям. Особую проблему составляет нанесение покрытий на диэлектрики.

Известен способ нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий активированным реактивным испарением (Коняшин И.Ю., Ягодкин Ю.П. Износостойкие покрытия. Новости науки и техники. Серия Новые материалы, технология их производства и обработки, вып. 6, 1990, с. 10, 11), включающий получение паров металла, подачу в вакуумную камеру дозированного количества активного газа и воздействие паровым и газовым потоками на поверхность изделия.

Недостатками данного способа являются необходимость поддержания высокой температуры изделия и взаимодействие активного газа с разогретыми элементами испарительного устройства и шихтой в испарителе.

Известен способ нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий магнетронным распылением (Масил Д. Кадик С. Получение реактивным распылением пленок TiN при больших расстояниях между подложкой и мишенью Vacuum, v. 40, N 5, 1990, p. 435), включающий подачу в вакуумную камеру рабочего газа, инициирование электрического разряда в газе в скрещенных электрическом и магнитном полях, распыление мишени ионами рабочего газа и воздействие потоком вещества, генерируемого мишенью, на поверхность изделия. При этом способе температура изделия может быть значительно снижена.

Недостатками указанного способа являются низкая скорость нанесения покрытий, особенно из материалов с низкими коэффициентами распыления, и жесткие требования к расстоянию мишень-изделие.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий (Коняшин И.Ю., Ягодкин Ю.Д. Износостойкие покрытия. Новости науки и техники. Серия Новые материалы, технология их производства и обработки, в. 6, 1990, с. 13), включающий создание потока вещества, содержащего нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода и дозированную подачу в вакуумную камеру активного газа. Частично ионизированный поток вещества направляется на изделие. К последнему прикладывается отрицательный потенциал смещения. На стадии перед осаждением покрытия прикладывается потенциал смещения 1 кВ, что обеспечивает ионную очистку и прогрев подложки. Во время нанесения покрытия значение потенциала смещения составляет 10-100 В. Данный способ позволяет получать высокие скорости роста покрытий и не накладывает жестких ограничений на расстояние катод-изделие.

Недостатком данного способа является необходимость поддержания достаточно высокой температуры на поверхности изделия. Для диэлектриков этот недостаток проявляется более резко, так как невозможность приложения отрицательного потенциала к поверхности диэлектрика и, как следствие этого, невозможность ускорения ионов из потока вещества электрическим полем изделия для интенсификации процессов очистки и реакции взаимодействия между активным газом и материалом требуют еще большего повышения температуры изделия.

Основная техническая задача, решаемая в предлагаемом способе, это получение высококачественных покрытий, в особенности на диэлектриках при низких температурах поверхности изделия и при высокой скорости нанесения покрытия.

Поставленная техническая задача решается следующим образом.

По способу нанесения защитно-декоративных и износостойких покрытий, включающему создание потока вещества, содержащего нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода и дозированную подачу в вакуумную камеру активного газа, согласно изобретению создают по меньшей мере один дополнительный поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа, путем бомбардировки положительными ионами плазмы по меньшей мере одной мишени, имеющей относительно плазмы отрицательный потенциал, и воздействуют созданными потоками на поверхность изделия, причем потенциал мишени относительно плазмы поддерживают от -100 В до -5 кВ, а бомбардировку мишени положительными ионами осуществляют при регулировании температуры мишени от комнатной до 900^оС.

Из плазмы электрическим полем по меньшей мере одной мишени извлекаются ионы материала металлического катода и ускоряются до энергий, равных или кратных (для многозарядных ионов) разности потенциалов между плазмой и мишенью (потенциал плазмы близок к потенциалу анода вакуумной дуги). Ускоренные ионы, бомбардируя мишень, выбивают из нее электроны и атомы поверхностного слоя мишени. В условиях стационарного процесса поверхностный слой мишени состоит из атомов мишени, металлического катода и активного газа.

Электроны, выбитые из мишени, достигая плазмы, приобретают энергию, равную разности потенциалов между мишенью и плазмой, которой достаточно для эффективной ионизации нейтральных компонентов веществ, заполняющих пространство между мишенью и изделием. Таким образом, имеют дополнительный поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа.

За счет того, что в потоках, воздействующих на изделие, присутствуют ускоренные электроны и ионы активного газа, материалов катода и мишени, активизируются процессы взаимодействия между атомами активного газа и атомами материалов катода и мишени. В результате эффективность роста покрытия, состоящего из соединений металл-активный газ, существенно возрастает. При этом эффективность роста наносимого покрытия возрастает как для изделий из электропроводных материалов, так и для изделий из диэлектриков. Так, воздействие созданных потоков на поверхность изделия из диэлектрика приводит к появлению отрицательного потенциала за счет электронов, в пределе приближающегося к потенциалу мишени относительно плазмы, что приводит к ускорению полем изделия положительных ионов материала металлического катода, мишени и активного газа, ионной очистке поверхности изделия, как и в случае электропроводного материала и активации роста покрытия. Кроме того, для большинства используемых в настоящее время для защитно-декоративных и износостойких покрытий пар металл-активный газ возникающие на поверхности мишени химические соединения распыляются ионами без диссоциации и попадают на поверхность изделия в виде готовых частиц соединения между активным газом и материалом металлического катода и мишенью.

Таким образом, совокупное активирование процесса нанесения покрытия на поверхность изделия ионами активного газа, материалов катода и мишени, ускоренными электронами и готовыми частицами соединений позволяет получать качественные покрытия на изделиях из различных материалов, в том числе из диэлектрических, при низких температурах вплоть до комнатных и при высокой скорости нанесения покрытий. При этом при использовании материала мишени (мишеней), отличном от материала катода, можно в дозированных количествах легировать покрытие, что повышает его качество и расширяет ассортимент покрытий. Кроме того, так как потоки вещества с катода и мишени приходят на изделие под различными углами, покрытие на изделие получается более равномерным, что особенно важно для изделий сложной формы.

В предпочтительном варианте выполнения предлагаемого способа потенциал мишени относительно плазмы поддерживают от -100 В до -5 кВ. Увеличение разности потенциала между мишенью и плазмой приводит к увеличению энергии ионов бомбардирующих мишень и, как следствие к увеличению интегрального коэффициента распыления мишени, что положительно сказывается на параметрах процесса нанесения покрытия. Одновременно увеличение разности потенциалов между мишенью и плазмой приводит к тому, что электроны, испускаемые мишенью, достигают плазмы или изделия с большими энергиями. Бомбардировка изделия электронами высоких энергий может приводить к нагреву поверхности изделия. Так как коэффициент большинства используемых для нанесения износостойких декоративных покрытий материалов достигает насыщения при энергии распыляющих ионов до 5 кэВ, поддержание отрицательного потенциала мишени относительно плазмы более 5 кВ нецелесообразно. При поддержании потенциала мишени относительно плазмы меньше 100 В энергии электронов недостаточно для эффективной активации процессов на изделии и, кроме того, коэффициент распыления большинства материалов, используемых для нанесения износостойких декоративных покрытий, становится меньше единицы, что снижает эффективность создания дополнительного потока вещества.

Еще в одном предпочтительном варианте выполнения способа бомбардировку мишени положительными ионами осуществляют при регулировании температуры мишени от комнатной до 900^оС.

П р и м е р 1. Проводилось нанесение износостойкого декоративного покрытия из TiN на изделие сложной формы из стекла. Предварительно обезжиренное изделие крепилось в вакуумной камере на вращающемся столе. Вакуумная камера откачивалась до давления 10^-4 Па и осуществлялась дозированная подача азота через натекатель для активного газа в камеру до установления давления 3-5˙ 10^-2 Па. На поверхности катода из титана инициировалась вакуумная дуга, которая генерировала поток нейтральных частиц и плазмы, состоящей из положительных ионов Ti⁺, Ti⁺⁺, Ti⁺⁺⁺ и электронов низкой энергии. Часть этого потока попадала на изделие, одновременно с этим электрическим полем мишени из титана к которой приложен отрицательный потенциал -800 В от источника питания относительно земли (корпус установки), при этом потенциал плазмы близок к потенциалу земли, извлекались ионы Ti+, Ti++, Ti+++, которые ускорялись и бомбардировали поверхность мишени. Через промежуток времени 1 с поверхность мишени приобретает стационарный состав (наступает динамическое равновесие) и содержит атомы мишени (титан), рекомбинировавшие в поверхностном слоем, атомы катода (титан) и попадающие из вакуумной атмосферы атомы азота. При бомбардировке мишени ионами титана последняя генерировала поток вторичных электронов, атомов титана, азота, которые, двигаясь от мишени к изделию, частично ионизировались вторичными электронами, покинувшими мишень и ускоренными до энергии, кратной 800 эВ в разности потенциалов между плазмой и мишенью. В результате был создан дополнительный поток вещества, содержащий электроны, атомы и ионы материала мишени и катода (в данном случае Ti) и атомы активного газа N, направленный на изделие. Ток дуги на катоде 110 А, ток ионов на мишень составлял 5 А, время нанесения покрытия 5 мин, скорость нанесения покрытия 0,8 мкм/мин. Температура изделия при нанесении покрытия комнатная. Получено равномерное износостойкое покрытие золотистого цвета из TiN с хорошей адгезией толщиной 4 мкм.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1 проводилось нанесение покрытия на полиэтилентерефталат и бумагу. Отличием являлся прикладываемый к мишени из титана потенциал, а именно -100 В относительно земли. Время нанесения покрытия 10 мин, скорость нанесения покрытия 0,1 мкм/мин. Температура изделия при нанесении покрытия комнатная. Получено равномерное износостойкое покрытие золотистого цвета из TiN с хорошей адгезией толщиной 1 мкм.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1 проводилось нанесение покрытия на переднюю грань резца из твердого сплава марки Т15К6 с отличием в том, что к мишени из молибдена прикладывался отрицательный потенциал -5 кВ относительно земли. Мишень предварительно разогревалась до 900^оС. Созданный дополнительный поток вещества содержит электроны, атомы и ионы титана и молибдена и атомы активного газа. Время нанесения покрытия 2 мин, скорость нанесения покрытия 2 мкм/мин. Температура изделия 400^оС. Получено износостойкое покрытие толщиной 2 мкм, содержащее нитриды титана и молибдена.

Таким образом, предложенный способ решает поставленную техническую задачу получения высококачественного покрытия, в особенности на диэлектриках, при низких температурах нанесения покрытия вплоть до комнатных и при высокой скорости нанесения покрытия.

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, включающий создание потока вещества, содержащего нейтральные частицы и плазму из положительных ионов материала металлического катода и электронов, путем инициирования вакуумной дуги на поверхности металлического катода и дозированную подачу в вакуумную камеру активного газа, отличающийся тем, что часть положительных ионов материала металлического катода извлекают электрическим полем по меньшей мере одной мишени, имеющей относительно плазмы отрицательный потенциал, ускоряют их до энергии равных или кратных для многозарядных ионов разности потенциалов между мишенью и плазмой, бомбардируют ими мишень, создают по меньшей мере один поток вещества, содержащий электроны, нейтральные и ионизированные частицы материалов мишени, металлического катода и активного газа, и воздействуют созданными потоками на поверхность изделия.