Dr h.c. prof. dr inż. Leszek A. Dobrzański INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH ZAKŁAD TECHNOLOGII PROCESÓW MATERIAŁOWYCH I TECHNIK KOMPUTEROWYCH W MATERIAŁOZNAWSTWIE WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Damian Mrzyk „Nowoczesne metody i urządzenia do nanoszenia powłok techniką PVD” PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA PROMOTOR Dr h.c. prof. dr inż. Leszek A. Dobrzański
Kryteria stawiane narzędziom: znaczna odporność na zmianę zdolności skrawnych w podwyższonej temperaturze, dobra przewodność cieplna i duży opór właściwy, duża ciągliwość. duża twardość, duża wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, skręcanie i zginanie, duża odporność na zużycie, znaczna udarność, duża odporność na zmęczenie mechaniczne i cieplne,
Zużycie ostrza narzędzia:
Podział powłok przeciwzużyciowych:
Schematyczny przekrój przez powłokę jedno- i wielowarstwową.
Powłoki osadzane w procesach PVD powinny spełniać następujące wymogi: osadzenie powłoki nie może pogarszać właściwości mechanicznych podłoża, poprawienie właściwości trybologicznych, dekoracyjnych i antykorozyjnych wyrobu pracującego w różnych warunkach, w powłoce powinny występować ściskające naprężenia własne, połączenia adhezyjne powłoki z podłożem powinno być silne, aby siła adhezji kompensowała występujące w powłoce naprężenia.
Swoje właściwości materiał powłoki posiada dzięki wiązaniom:
Warstwy uzyskane przy użyciu metod PVD są związane adhezyjnie z podłożem. Na przyczepność mają wpływ: czystość powierzchni, naprężenia własne, stopień rozwinięcia powierzchni podłoża (im większa chropowatość tym lepsza przyczepność), różnica plastyczności materiału pokrycia i podłoża.
Charakterystyka technik PVD: wykorzystania czystych metali i gazów jako materiałów wyjściowych, szerokimi możliwościami wyboru materiału powłokowego, dobrymi własnościami osadzanych powłok, duża wydajność osadzania napylarek przemysłowych, dość wysokimi kosztami osadzania, amortyzowanymi przez kilkakrotny wzrost trwałości pokrywanych przedmiotów, koniecznością zachowania dużej czystości i dokładnego przestrzegania reżimu technologicznego, ekologiczną czystością procesów osadzania.
Techniki osadzania warstw PVD wykorzystują szereg różnych zjawisk fizycznych przebiegających w próżni: Uzyskanie par metali i stopów Jonizacji elektrycznej dostarczonych z zewnątrz gazów i wytworzonych par metali Wspomaganie fizyczne zachodzących przemian. Krystalizacji z otrzymanej plazmy metalu lub związku w stanie gazowym Kondensacji składników plazmy na podłożu
Najszerzej stosowaną techniką PVD jest reaktywne rozpylanie magnetronowe. Charakteryzuje się: magnesy stałe lokalizują wyładowania jarzeniowe na powierzchni rozpylanych tarcz, podłoże jest spolaryzowane wysokim potencjałem ujemnym, kształt i wielkość stref osadzania oraz kształt plazmy są uzależnione od mocy zasilania magnetronów, natężenia pola magnetycznego, ciśnienia gazów. stosowanie poprzecznego pola magnetycznego, główny składnik urządzenia – magnetron, pozwalający na realizację wyładowań jarzeniowych w skrzyżowanych polach elektrycznym i magnetycznym, znanych jest ponad 1000 konstrukcji realizujących zasadę rozpylania magnetronowego,
Charakterystyka powłoki jest uzależniona od parametrów procesu: ciśnienia gazu roboczego, ciśnienia gazu reaktywnego, moc prądu na magnetronach, napięcie przyspieszające, odległość wsadu od tarczy, temperatura podłoża, wielkość próżni, prędkość obrotowa wsadu (w zależności od konstrukcji) sposób nanoszenia (ilość warstw).
Piec próżniowy PVD wraz z osprzętem.
Układ sterujący parametrami nanoszenia powłok PVD.
Układ magnetronów w komorze próżniowej pieca PVD.
Zamocowanie próbek w płytce mocującej „w dachu” pieca PVD.
Laboratoryjny piec PVD podczas pracy:
Przemysłowe urządzenia PVD Przemysłowe urządzenia PVD. Działo elektronowe do odparowywania źródła materiału.
Przemysłowe urządzenia PVD cd Przemysłowe urządzenia PVD cd. Urządzenie do osadzania grubych, tlenkowych powłok na metalowym podłożu.
Przemysłowe systemy PVD cd Przemysłowe systemy PVD cd. Urządzenie do nakładania włókien optycznych z metalowymi multiwarstwami:
Wnętrze komory przemysłowego pieca PVD:
Zmiana tarczy magnetronu:
Systemy mocowania wsadu:
Badanie zależności parametrów procesu na własności powłoki SiCN. Parametry procesów: napięcie przyspieszające: –50V, temperatura podłoża: 300C, odległość pomiędzy tarczami a podłożem: 65mm, obroty: 4 obr/min, czas osadzania: 8h. przepływ azotu: 5, 10, 20 (cm3/min), przepływ argonu 100 (cm3/min), moc prądu na tarczy krzemowej: 100, 150 (W), średnica 75 mm, moc prądu na tarczy grafitowej: 300, 500 (W), średnica 200 mm,
Obraz defektów powłoki SiCN pod mikroskopem elektronowym skaningowym.
„Dziura” w powłoce SiCN, obraz mikroskopu elektronowego skaningowego
Badanie składu chemicznego przystawką EDS mikroskopu elektronowego skaningowego, analiza „dziury”.
„Kropla” krzemu na powłoce SiCN, obraz mikroskopu elektronowego skaningowego.
Badanie składu chemicznego przystawką EDS mikroskopu elektronowego skaningowego. Analiza „kropli”krzemu.
Fotospektrometr sprzężony z komputerem.
Głowica mocująca próbki do badań w fotospektrometrze.
Urządzenie do analizy składu chemicznego, wykorzystujące zjawisko Ramana.
Zależność twardości powłoki od przepływu azotu.
Zależność twardości powłoki od gęstości.
Zależność twardości powłoki od mocy na tarczy krzemowej.
Zależność modułu Younga od mocy prądu na tarczy krzemowej.
Zależność modułu Younga od przepływu azotu.
Zależność gęstości od mocy na tarczy krzemowej.
Zależność gęstości powłoki od przepływu azotu.