Вакуумные ионно-плазменные покрытия нашли применение при упрочнении конструкционных и инструментальных сталей на основе соединений тругоплавких металлов – нитриды, карбиды, карбонитриды. Плазменные покрытия широко используются для повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
Ионно-плазменная технология нанесения покрытий различного функционального назначения предусматривает возможность очистки поверхности деталей плазмой тлеющего разряда и последующий нагрев деталей ионной бомбардировкой до необходимой температуры, которая определяется составом и свойствами обрабатываемых сталей. Совмещение основных технологических операций в одном вакуумном цикле определяет эффективность ионно-плазменной технологии нанесения покрытий на конструкционные и инструментальные стали.
Поверхностный слой любого твердого тела отличается от его объемных свойств наличием оксидных пленок, растворенных газов, развитым рельефом с разной степенью шероховатости, не полностью задействованными атомными связями, значительно более высокой концентрацией структурных дефектов, повышенной поверхностной энергией.
На десорбирующем действии плазмы тлеющего разряда основан процесс очитки поверхности деталей. Процесс выхода в вакуум адсорбированных атомов из последующих атомных слоев, так как энергия связи атомов поверхности значительно меньше, чем в объеме. Поэтому в первую очередь удаляются поверхностные газовые включения и остатки моющих средств, используемых при подготовке поверхности деталей. От качества проведения этой технологической операции во многом зависят свойства конденсированных покрытий.
Использование азота в качестве реакционного газа не устраняет полностью следы предварительной обработки поверхности деталей. Увеличение парциального давления азота до 4,2 – 6,2 Па при напряжении до 1,5 кВ не приводит к повышению качества плазменной очистки. По данным фазового рентгеноструктурного анализа на поверхности деталей формируются нитридные и оксидные соединения нестехиометрического состава. Которые образуются в результате плазмохимических реакций азота и кислорода с адсорбированными на поверхности деталей примесями и остаточным кислородом в реакционной камере плазменной установки. Обнаружен оксид азота с содержанием кислорода до 11%, что вдвое превосходит максимально возможную термодинамически равновесную концентрацию.
Использование в качестве реакционного газа аргона при подготовке поверхности плазмой тлеющего разряда сокращает в 2 – 3 раза время качественной подготовки поверхности деталей и практически исключает формирование нежелательных соединений. Масса ионов аргона более чем в два раза больше массы ионов азота, что значительно повышает эффективность плазменной очистки. При этом увеличение парциального давления аргона до 5,8 – 6,2 Па приводит к росту плотности ионов в плазме тлеющего разряда. Обработку поверхности деталей аргонной плазмой следует рассматривать как поверхностное вакуумно-плазменное травление. При очистке поверхности сталей аргонной плазмой тлеющего разряда, наряду с удалением остаточных загрязнений, проходит удаление нескольких атомных монослоёв, что значительно повышает качество подготовки поверхности деталей. Травление проводится энергетическими ионами аргона при ускоряющем напряжении 1,5 – 2 кВ химически не взаимодействующих с поверхностью обрабатываемой стали. Использование аргона в качестве рабочего газа обеспечивает в плазме газового разряда высокий выход энергетически активных ионов и формирование легко распыляемых соединений с достаточно высокой скоростью и селективностью. Отсутствие токсичности, коррозионного воздействия, загрязнения объёма реакционной камеры, систем вакуумных магистралей значительно повышает эффективность использования аргона не только при очистке поверхности деталей плазмой тлеющего разряда, но и при конденсации покрытий из чистых тугоплавких металлов. Для обеспечения стабильного и воспроизводимого процесса подготовки поверхности деталей необходимо в течении всего времени проведения технологического процесса поддерживать на необходимом уровне, непревышающем ± 5% основных операционных параметров, степени разряжения в реакционной камере, парциальное давление аргона, производительность вакуумной системы, величины ускоряющего напряжения и некоторые другие параметры. Использование современных ионно-плазменных установок обеспечивает качественный контроль технически важными параметрами. Диапазон парциального давления реакционного газа должен обеспечивать минимальный потенциал зажигания плазменного разряда и максимальную проводимость плазмы, что определяет оптимальную скорость травления поверхности обрабатываемых сталей.
Изучение распределения энергии аргонной плазмы при проведении очистки поверхности деталей показывает, что 20 – 30% выделяется в материале в виде тепловой энергии, 50 – 60% расходуется на распыления поверхно- стных атомов материала, остальная часть энергии расходуется на радиационные повреждения. Расход энергии определялся зачеканенной в образец термопарой. В конце процесса плазменной очистки температура об- разцов повышается на 1000 – 1200С, что не может вызвать необратимых структурных процессов в деталях из конструкционных и инструментальных сталей. По данным рентгеноструктурного анализа в процессе плазменной очистки практически не изменяются величина микронапряжений и размеры областей когерентного рассеяния, так же эта технологическая операция не оказывает существенного влияния на плотность дислокаций (рентгеновский дифрактометр ДРОН-УМ1). Энергетическая эффективность процесса ионной очистки поверхности деталей определяется массой материала, удалённого в единицу времени с единицы площади, которая определяется плотностью ионного тока, величина которого зависит от парциального давления аргона и ускоряющего ионы высокого напряжения. Проведённая экспериментальная работа по оптимизации технологических параметров очистки поверхности сталей плазмой тлеющего разряда позволяет установить, что максимальная доля энергии ускоренных ионов расходуется на очистку поверхности при высоком напряжении на деталях в интервале 0,8 – 1,2 кВ, что соответствует энергии ионов 300-500 кэВ при парциальном давлении аргона 5,2 – 5,6 Па. Эксплуатационные свойства конструкционных и инструментальных сталей с плазменными покрытиями определяются адгезионной прочностью системы покрытие-подложка. Формирование адгезионных связей определяется плотностью поверхностных структурных дефектов, которые являются активными центрами при конденсации покрытий. Высокая адгезионная прочность обеспечивается воздействием плазменного потока при ионной бомбардировке, которая, наряду с нагревом деталей до необходимой температуры, увеличивает плотность структурных дефектов.
Ионы плазменного потока, имеющие высокую энергию, проникают в кристаллическую решётку обрабатываемых сталей на глубину пропорционально энергии плазменного потока. По данным микрозондового анализа установлено, что глубина проникновения ионов плазменного потока составляет 0,2 – 1,4 нм/кэВ. Глубина внедрения ионов титана составляет 0,4 – 0,45 нм, ионы молибдена, имеющие больший атомный радиус, внедряются в поверхность до 0,25 – 0,30 нм.
Модель конфигурационной локализации электронов служит надёжной интерпретацией закономерностей изменения свойств материалов. Локализованная доля валентных электронов образует определённый спектр конфигураций, различающихся по своей энергетической устойчивости, которая определяется запасом свободной энергии.Адгезионное взаимодействие плазменного покрытия с поверхностью материала совершается в две стадии: сближение катодного плазменного потока и ато- мов поверхности подложки; физический контакт; образование химических связей. Взаимодействие может проходить при соблюдении некоторых основных условий: поверхностные атомы подложки должны находиться в состоянии физической адсорбции; атомы должны быть возбуждены до определённого уровня; атомы подложки вступают во взаимодействие с ионами плазменного потока в случае взаимного перекрытия электронных уровней. При термической активации растёт амплитуда колебаний атомов в узлах криcталлической решётки подложки, которая сопровождается разрушением стабильных конфигураций локализованных электронов с высвобождением валентных связей и формированием активных центров [5].