772

ВВЕДЕНИЕ

В представленной работе кратко рассмотрен ряд современных высокоэнергетических технологий обработки деталей, все более широко применяемых в машиностроении. Спектр их применения широк — нанесение высокопрочных покрытий, наплавка высокотвердых покрытий с высокой адгезией при восстановительном ремонте деталей, высокоскоростная резка материалов, упрочнение поверхностных слоев деталей — пар трения, сверление отверстий в любых материалах, высокоточное размерное травление, недостижимое для механической обработки и др [1]. Рынок сбыта этих технологий стремительно растет и знание этих методов необходимо современным инженерам машиностроителям и механикам.

1. ИОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ [3, 10, 11]

1.1. Введение

Процессы ионной обработки деталей зависят от природы взаимодействия излучения с поверхностью детали:

Установки ионной обработки подразделяют на пучковые, объемно-пучковые и объемные. Технологические пучковые установки предназначены для получения высокоэнергетичных ионных

пучков и состоят из источника ионов, системы ускорения и формирования пучка и манипуляторов для перемещения поверхности детали под неподвижным пучком. Схемы головки источника ионов и основные узлы такой установки приведены на рис. 1.1, а и 1.1, б соответственно.

Для стационарных установок ионный пучок — обычно тигельный или плазменно-дуговой, с подогревным катодом. Ионно-оптическая система ускорения и формирования пучка состоит, как минимум, из трех линз — ускоряющей, промежуточной (нейтрализация электронов) и фокусирующей. В сепараторе выделяются ионы нужного типа. Принцип действия сепаратора — отклонение ионов в поперечном магнитном поле на разный угол, в зависимости от соотношения Z/M, где Z — заряд иона; М — его масса.

Рис. 1.1. Схемы головки источника ионов:

1 — тигель; 2 — нить накала; 3 — катод; 4 — газоразрядная камера; 5 — анод; 6 — рабочее вещество; 7 — вспомогательный магнит; 8 — электромагнитный анализатор; 9 — вакуумная камера;

10 — азотная ловушка; 11 — приемник ионов; 12 — вакуумный агрегат приемника; 13 — вакуумный агрегат источника; 14 — фреоновая ловушка; 15 — источник ионов

Типовые характеристики промышленной установки такого типа ИЛУ-3:

–энергия ионов (однозарядных) — до 100 кэВ;

–энергия ионов (многозарядных) — до 300 кэВ;

6

–ширина пучка — до 120 мм;

–площадь обработки — до 50 см2;

–температура тигля — до 1300 К;

–давление в системе формирования пучка — до 5·10–3 Па;

–потребляемая мощность — до 50 кВт;

–плотность ионного тока — до 10 мА/см2.

Вывод пучка в технологическую зону — через щель с высоким газовым сопротивлением. Основные области применения — травление, имплантация, нанесение покрытий, упрочнение. В объемных установках ионной обработки получают потоки низкоэнергетических ионов, с энер-

гией до 1 кэВ. Их достоинства — простота и компактность. Схема объемно-пучкового промышленного источника Кауфмана приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема объемно-пучкового источника Кауфмана: 1 — катод; 2 — анод; 3 — магнит; 4 — трехлинзовая ионно-оптическая система; 5 — обрабатываемая деталь

Катод подогревной, напряжение «катод-анод» до 100 В, три линзы (сетки) имеют высокую (до 80 %) прозрачность, диаметр площади ионного потока — до 35 см, энергия ионов — до 1 кэВ, плотность ионного тока — до 1 мА/см2, рабочее давление до 1 Па. Детали обрабатывают в зоне, сразу за ионно-оптической системой.

Объемные установки ионной обработки — совмещенные источники, когда деталь размещается непосредственно в зоне плазмы, являясь в ряде случаев электродом. Типы используемых разрядов

—тлеющий, высокочастотный, сверхвысокочастотный.

Схема такого источника на постоянном токе приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема установки объемной ионной обработки: 1 — высокопотенциальный электрод (анод); 2 — плазма тлеющего разряда; 3 — заземленная деталь (катод)

Рабочие давления в таких источниках — до 300 Па, плотность ионного тока — до 1 мА/см2. Рабочие газы — инертные (травление, очистка), углеводороды (цементация), азот, аммиак (азотирование) и др. Температура газа в разряде — меньше 1000 К, плазма неравновесна (температура электронов — более 10000 К). Энергия ионов низка (менее 1 кэВ) и процесс обработки путем диффузионного насыщения длителен.

1.2. Основы взаимодействия ионов с деталью

При взаимодействии ионов с поверхностью детали образуются рассеянные ионы, нейтралы, распыленные атомы материала детали, а также электроны и фотоны. Все эти обратные потоки ча-

7

стиц или осаждаются, или рассеиваются на стенках технологической камеры. До 90 % энергии падающего ионного потока рассеивается и нагревает поверхность детали при упругих (на ядрах материала) и неупругих (электронная оболочка атомов решетки материала) процессах.

Длина тормозного пути иона — пробег λР. При энергии ионов ε0 < 1 кэВ λР ~ 30 А. Распределение пробегов, т.е. концентрации внедренных ионов по глубине поверхности детали

— гауссово. Снижение энергии ионов ведет к снижению λР и росту канала распыления материала детали. Реальные значения λР с ростом ε0 от 0,5 кэВ до 5 кэВ растут от 6 до 50 А.

При ε0 < 10 кэВ удобно соотношение λР ~ А (нм), где А = ε0 (кэВ).

Плотность внедренных атомов в поверхностных (до 100 А) слоях достигает (2–4) %.

В кристаллических областях детали значение λР может быть аномально высоко (на 1–2 порядка) из-за того, что траектория иона параллельна какой-либо кристаллографической оси. Тогда имеет место известный эффект «каналирования», ионы летят далеко от ядер, теряя в далеких упругих столкновениях относительно малую энергию.

При бомбардировке детали ионами в поверхностном слое имеет место нарушение исходной структуры вследствие:

1.Появления в решетке внедренных на длине пробега ионов.

2.Смещения атомов решетки в межузлие с образованием вакансии (пара Френкеля). Это — основной тип дефектов при ионной обработке. Пороговая энергия смещения εД больше энергии связи εd (обычно εd ~ 10–20 эВ). Максимум плотности этих дефектов лежит на глубине ~ λР.

3.Распостранения дефектной области по цепочкам атомов. Диаметр таких областей D (нм) ~ ε0 (кэВ). При росте дозы ионной обработки NS (ион/см2) дефектные зоны перекрываются и поверхностный слой все более аморфизуется.

Рост температуры поверхности ТП ведет к отжигу всех дефектов. Процесс отжига контролиру-

ется диффузией, т.е. время отжига τО ~ (ТП) – 1.

Дефектообразование и аморфизация являются одними из основных проблем при имплантации.

Часть падающих ионов отражается от поверхности, снижая КПД их использования. При ε0 ~ 1 кэВ вероятность отражения ~ 50 %. С ростом ε0 до ~ 5 кэВ доля отраженных ионов снижается до ~ 2 %. При ε0 > 10 кэВ все первичные ионы захватываются материалом и могут извлекаться только распылением материала детали.

При низких энергиях ионов (объемные источники) ион при подлете к поверхности на несколько А нейтрализуется эмиттируемыми из поверхности детали электронами, и в дальнейшем проникает в поверхность нейтралом (атомом). При ε0 > 10 кэВ нейтрализация ионов также имеет место, но уже в поверхностном слое.

1.3. Ионное распыление

Ионное распыление используют для полировки, очистки, травления, в том числе размерного. Наиболее эффективны при этом значения ε0 > 1 кэВ. Эффективность процесса определяется коэффициентом распыления S (атом/ион). Скорость распыления Vтр равна:

где N — число Авогадро; j — плотность падающего потока ионов (А/см2); М2 — масса атомов материала детали; ρ — плотность материала.

С ростом ε0 значение S растет до определенных пределов. При ε0 ~ 1 кэВ значения S для металлов S = 0,2–5 при травлении инертными газами. Зависимости S(ε0) при обработке ионами Ar+ для ряда металлов приведены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Зависимости S от (ε0) для некоторых металлов

8

Как видно, более тяжелые вещества имеют более низкие значения S. Экстремум этих зависимостей связан с уходом зоны основного энерговыделения при росте ε0 в глубину слоя, при этом эффективность распыления падает.

Рост угла падения Θ потока ионов (относительно нормали) ведет к росту S из-за повышения площади взаимодействия потока с боковыми гранями пиков шероховатости поверхности детали (рис. 1.5). Наличие экстремума зависимостей S(Θ) понятно — при больших Θ начинает преобладать отражение ионов без проникновения в материал.

Рис. 1.5

От температуры поверхности Тп обычно S не зависит, однако при сильном разогреве детали, когда Тп > 0,7Тпл (пластичность), значение S резко растет, так как резко снижается εd. Для монокристаллов имеет место эффект преимущественного распыления вдоль кристаллографических направлений с плотной упаковкой.

Распыленные частицы (атомы, молекулы, кластеры, ионы) имеют более высокие энергии ε2, чем испаренные. Их средняя энергия ε2 ~ 20–50 эВ.

Кроме атомов и ионов, распыляются кластеры (число атомов в них ~ 10–20). С ростом ε0 их доля растет, но остается < 2 %.

При распылении часть материала детали удаляется в виде ионов, но их доля в массоуносе менее 1 %.

При распылении многокомпонентных материалов (размерное травление твердосплавных резцов и др.) в поверхностном слое нарушается стехиометрия, так как быстрее уходят легко распыляемые элементы (Ni в сплаве Ni–Fe–Cr и др). Стехиометрия нарушается до глубин ~ 5 мкм.

При травлении многокомпонентных материалов имеет место рельефизации поверхности. Процесс рельефизации состоит из двух стадий. Сначала (при дозах Ns < 1015 (ион/см2) растет неоднородность распределения атомов на поверхности из-за более быстрого удаления слабосвязанных атомов. С ростом дозы происходит перекрытие дефектных зон, растравливание отдельных участков с образованием микрокаверн диаметром ~ 1000 А и глубиной до 30 А.

При размерном травлении поверхность детали покрывают маской из тяжелого металла, отверстия в которой позволяют сформировать заданный профиль травления, например, узор микрокарманов на поверхности деталей для удержания масла при работе детали в парах трения. На рис. 1.6 приведен рельеф поверхности детали с параметрами ячеек травления 50–100 мкм при обработке ионным пучком Ar+.

Рис. 1.6. Рельеф поверхности детали с параметрами ячеек травления (50–100) мкм при обработке ионным пучком Ar+

9

1.4.Ионная полировка

Втехнологическом процессе ионной полировки поверхности детали основной параметр — оптимальный угол падения потока ионов Θ. При этом происходит эффективное распыление высту-

пов пиков шероховатости, так как угол падения на них отвечает Smax. Таким методом полируют все металлы, диэлектрики и др. Так, при энергии ионов 3 кэВ снижение средней высоты пиков шероховатости с 600 А до 100 А достигается за ~ 5 мин.

Рабочие газы при полировке и травлении — инертные газы, воздух, кислород (для деталей из органики) и др.

Для эффективного ионного травления, очистки, полировки отношение потока ионов к поверх-

ности к потоку молекул остаточного газа должно быть 100:1. На рис. 1.7 приведена в качестве примера такая зависимость при травлении медной детали ионами Ar+. Линия разделяет области эффективного травления (правее нее) и технологически неуправляемого процесса. Для материалов

сболее низким коэффициентом распыления S зависимости jкр(Р) становятся круче.

Рис. 1.7. Зависимость jкр(j) при травлении меди ионами Ar+

1.5. Ионно-плазменная упрочняющая обработка в плазме

Типичная схема установки для проведения такой обработки приведена на рис. 1.3. Обрабатываемая деталь является часто катодом. В плазме проходят процессы диссоциации и активации молекул и радикалов (при азотировании — диссоциация азота или аммиака, при цементации — диссоциация метана, пропана и др.). На рис. 1.8 приведена фотография промышленного процесса азотирования стальных деталей в тлеющем разряде.

Достоинством метода является то, что плазменный слой облегает всю профильную поверхность детали. Адсорбированные на поверхности атомы диффузионно насыщают поверхность детали, непрерывно активируемую потоком ионов плазмы.

Одним из новых технологических процессов ионно-плазменного упрочнения является процесс при атмосферном давлении, что резко удешевляет технологию (нет дорогостоящей вакуумной аппаратуры).

Рис. 1.8. Процесс азотирования стальных деталей в тлеющем разряде

Пример: цементация труб в объемном несамостоятельном разряде. Это — один из видов тлеющего разряда, когда ионизация в нем поддерживается за счет поверхностной эмиссии электронов при нагреве катода (детали). Температура нагрева трубы в футерованной шамотом печи достигает 1200–1300 К, затем труба поступает в трехмодульную секцию, где в несамостоятельном разряде объемного типа проходит ее цементация. Плотность тока в разряде j = 0,2–0,3 мА/см2, скорость диффузионного насыщения углеродом 50–60 мкм/мин, мощность установки — до 40 кВт, расход природного газа (ме-

10

тан, пропан и др.) — до 120 дм3/ч, производительность — до 4 м трубы в час. Остаточный природный газ утилизируется (дожигается).

1.6. Ионная имплантация

Ионная имплантация — современный технологический процесс упрочнения деталей путем насыщения их поверхности легирующими элементами в высокоэнергетических (для достижения большей глубины упрочнения) пучках ионов этих элементов. Она наиболее распространена для упрочнения инструментов. Имплантацию ведут часто в импульсном режиме.

При такой обработке в слое генерируются напряжения. Если внедряемая примесь замещения имеет атомный объем меньше, чем матрицы с вакансиями, генерируются растягивающие напряжения. Собственные межузельные атомы (СМА), примеси внедрения и крупные примеси замещения ведут к сжимающим напряжениям. Если концентрация примесных атомов больше концентрации дефектов (вакансий), напряжения являются также сжимающими. В глубине слоя, где вакансий больше, напряжение меняет знак. Наконец, в еще более глубинных зонах, где концентрация СМА начинает превышать концентрацию примесных атомов и вакансий из-за того, что подвижность СМА много выше примесных и они проникают вглубь наиболее глубоко, напряжения становятся опять сжимающими. Имеет место распределение напряжений по глубине типа «сэндвич» в очередности: сжимающие – растягивающие – сжимающие напряжения. Наличие сжимающих поверхностных напряжений всегда благоприятно.

Примеры таких технологий:

1.Упрочнение твердых сплавов Т15К6, Т5К10, ВК8 в тлеющем разряде с наложением ускоряющего напряжения. На глубине до 50 мкм микротвердость растет до 60 %, на глубине 300 мкм — до 50 % от исходной. Температура поверхности при обработке достигает 1200 К.

2.Обработка твердого сплава ВК-8 ионами Не+ повышает износостойкость в 2–4 раза, эффективность резания при скоростях 80–160 м/мин резко растет.

3.Упрочнение твердых сплавов WC-Co при импульсной ионной обработке на технологической

установке «Темп». Ее параметры: ε0 — до 300 кэВ, τимп — до 50 нс, j = (50–150) А/см2, состав ионов — С+, Н+. С ростом j растет измельчение зерен WC, растет плотность дефектов из-за измельчения блоков, роста плотности дислокаций, дефектов. Важно, что высокоскоростная закалка между импульсами ведет к появлению дисперсных фаз вдоль границ раздела, фаза WC оказывается в условиях сжатия матрицей Со, в ней сверхравновесно растворяются W и C, при охлаждении выпадая в дисперсные фазы.

В итоге рост сопротивления абразивному износу растет в 2–4 раза.

1.7. Реактивное ионно-лучевое осаждение покрытий

Сущность технологического процесса состоит в распылении мишени (обычно металлической) ионами разряда и осаждении покрытия в активированном плазмой газе.

Пример: объемный разряд в азоте, мишень — титановый дисккатод, распыление — ионами азота, ионное распыление титана и перенос его на поверхность детали в активированном плазмой азоте приводят к осаждению на поверхности детали высокопрочного нитрида титана. На рис. 1.9 приведена фотография метчиков и сверл, на поверхность которых нанесено упрочняющее покрытие из нитрида титана. Такой инструмент имеет повышенный ресурс эксплуатации (в несколько раз по сравнению с неупрочненным).

Рабочее давление в данных установках — 0,1–10 Па, плотность тока — до 100 мА/см2.

Скорости роста покрытий регулируются в интервале 5–30 нм/с, прецезионность процесса осаждения и высокоточного наращивания толщины слоя позволяет технологически изготавливать детали в заданный размер без их финишной обработки.

11

На диаграмме (V – Т) указано место ХГН среди других технологических методов осаждения покрытий (рис. 2.1).

Рис. 2.1.

1 — газопламенное низкоскоростное напыление; 2 — газопламенное высокоскоростное напыление; 3 — электродуговое напыление;

4 — плазменное напыление; 5 — детонационное напыление; 6 — ХГН

Видно, что для ХГН характерны минимальная температура нагрева частиц и максимальная скорость их разгона.

Принципиальная схема процесса приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема процесса ХГН:

1 — дозатор порошка; 2 — форкамера; 3 — нагреватель газа; 4 — регулятор расхода газа; 5 — камера напыления; 6 — сверхзвуковое сопло; 7 — деталь

Рабочий газ (воздух, Не, Н2) от компрессора по газопроводу подается в форкамеру 2, рабочее давление в которой ~ 20 атм. В форкамере происходит смешение газового потока с порошком, поступающим из дозатора порошка 3, для его доставки в форкамеру используется малое количество рабочего газа 0,3–60 см3/с. На выходе (срезе) сверхзвукового сопла 6 давление близко к атмосферному. Этот перепад давлений обеспечивает достижение сверхзвуковых скоростей газа и порошка на срезе сопла.

Оптимальные технологически сопла — конические в дозвуковой и плоские в сверхзвуковой областях, длина сверхзвуковой насадки 50–200 мм, угол раскрытия сопла ≤ 200, критические сечения b × h, b = 1–5 мм, h = 2,5–7,5 мм, число Маха на срезе М = 2–3, в выходном сечении Н = 8–30 мм. Достижимые скорости на срезе сопла — до 1200 м/с (Не). Оптимальный размер частиц d — до 40 мкм. Для частиц диаметром d > 50 мкм КПД (коэффициент использования порошка) резко падает из-за неприлипания. Для каждого металла есть свое значение Vкр, выше которой начинается осаждение частиц на поверхности детали. Для холодного газа значения Vкр составляют от 350–400 м/с (Pb, Sn) до 700–800 м/с (Al, Cu, Fe, Ni).

Концентрация частиц низка (объемная концентрация φ < 0,1 %). Дистанция «срез сопла — деталь» составляет 15–20 мм. Стадии процесса осаждения:

1. Ускорение частицы в сверхзвуковом сопле.

2 Пролет ее от среза сопла до ударной волны над поверхностью детали. 3. Торможение в сжатом слое между ударной волной и поверхностью.

При V > Vкр ударное импульсное давление Рн > 103–104 МПа, т.е. на 1–2 порядка выше пределов прочности и текучести. Так, для Al при V = 800 м/с Рн = 1,1·104 МПа, а предел прочности σ =

= 100 МПа, поэтому происходит деформация частиц и разрушение оксидных пленок на подложке из-за их хрупкости и невозможности их пластической деформации. При ударе частица деформируется на ~ 50 %.

Вся кинетическая энергия частицы идет на ее разогрев, расплавление с дальнейшим растеканием по поверхности детали в плоскости контакта размером l ~ 0,75d при скоростях растекания до 103 м/с.

12