автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Моделирование технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента

На правах рукописи

005043338

СЕРГЕЕВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО

ЗАДАННЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.07- Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Рыбинск - 2012

005043338

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Научный руководитель:

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Кожина Татьяна Дмитриевна.

Официальные оппоненты:

Белкин Павел Николаевич, доктор технических наук, профессор, Костромской государственный технологический университет имени H.A. Некрасова, заведующий кафедрой «Общая физика»;

Башков Валерий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, директор Учебно-инженерного центра нанотехнологий, нано- и микросистемной техники.

Ведущая организация:

Ярославский государственный университет имени П.Г. Демидова, центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика микро- и нано структур», г. Ярославль.

Защита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 28 апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

Актуальность работы

Современные наноструктурированные покрытая повышают износостойкость инструмента, что позволяет увеличить срок его службы и производить обработку металлов на более высоких скоростях. Улучшение технических характеристик (твердость, вязкость) металлорежущего инструмента с нанокомпо-зитными тонкими пленками приводит к существенному увеличению производительности труда и снижению себестоимости изготавливаемой продукции.

Применение современных защитных тонких пленок позволяет использовать инструмент с нанопокрытями и осуществлять его переточку до 12 раз.

Наибольший потенциал для повышения эксплуатационных свойств металлорежущего инструмента, таких как твердость HB, прочность ат теплостойкость Тп, стойкость к истиранию Т„, окислительная стойкость Ток заключается в правильном выборе и расчете свойств химического состава и структуры покрытия для конкретных условий работы, а так же совершенствовании технологии формирования нанострукгурированных износостойких покрытий. Эксплуатационные свойства металлорежущего инструмента в основном определяются свойствами наносимых тонких пленок, поскольку именно они взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью.

Одним из способов решения проблемы получения нанокомпозитных покрытий с заданными физико-механическими характеристиками, такими как ин-денторная твердость Н, модуль упругости Е, степень адгезии покрытия к подложке HF и другие, является совершенствование физико-технических процессов их синтеза. Поэтому лидеры по производству металлорежущего инструмента, такие как Sandvik Coromant, Balzers Aerlicon, Iscar, Mitsubishi, Dormer, Walter, ЗАО «Новые инструментальные решения» и другие, ведут активные разработки в данном направлении.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные технологии. Среди них можно выделить метод магнетронного распыления, поскольку использующийся в нем дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях позволяет обеспечить однородность наносимых покрытий на значительных площадях распыления, а также сформировать мелко- и супермелкодисперсные структуры.

Одной из главных проблем нанесения тонкопленочных покрытий на металлорежущий инструмент методом магнетронного распыления является невозможность точно спрогнозировать их состав и структуру, поскольку существует множество факторов, влияющих на свойства получаемого покрытия. Одним из наиболее значимых параметров технологического процесса синтеза нанокомпозитного покрытия является ионная энергия распыляемых атомов.

Изучением ионной энергии и ионных потоков распыляемых атомов занимались многие российские и зарубежные ученые (Григорьев С.Н., Табаков В.П. Верещака A.C., J. Moor, В. Mishra, W.D. Sproul, L. Hultman). Однако большинство работ посвящены исследованию влияния вольт-амперных характеристик на величину ионной энергии и распределение потока ионов, и до настоящего времени не было рассмотрено влияние параметров импульса: частоты импульсов и времени паузы. Контроль за величиной ионной энергии и распределением

ионных потоков распыляемых атомов растущих тонких пленок за счет варьирования частотных характеристик может использоваться для моделирования и совершенствования структуры и свойств пленки с заданными физико-механическими характеристиками покрытия и интенсификации процесса маг-нетронного распыления. Необходимо определить, какое именно воздействие частота импульсов и время паузы оказывают на физико-механические характеристики получаемых высококачественных покрытий. Исходя из этого, была сформулирована цель работы.

Цель работы: Разработка механизма моделирования технологического процесса магнетронного получения нанокомпозитных пленок на металлорежущем инструменте, обеспечивающего его заданные физико-механические характеристики, путем управления импульсными параметрами плазмы.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Выявить наиболее эффективные магнетронно-распылительные системы, позволяющие обеспечить заданное значение ионной энергии, при нанесении нанокомпозитных покрытий на металлорежущий инструмент.

2. Получить математические модели определения потока ионов в плазме и их распределения в процессе синтеза тонких пленок, на основе которых разработать механизм моделирования технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента.

3. Установить влияние частоты импульсов и времени паузы при дуальном несбалансированном магнетронном распылении с полем закрытого типа на физико-механические свойства получаемого нанокомпозитного покрытия А1-TiN.

4. Получить оптимальные режимы осаждения покрытия AlTiN на металлорежущий инструмент по величине ионной энергии распыляемых атомов, с целью обеспечения его заданных физико-механических характеристик.

5. Определить достоверность полученных теоретических данных, провести сравнительные стойкостные испытания металлорежущего инструмента с полученным нанокомпозитным покрытием AlTiN и инструмента с аналогичным покрытием, рекомендованным фирмой-производителем.

Методы исследований основаны на теоретических исследованиях, проводимых с использованием фундаментальных положений механики, численных методов с их верификацией, моделировании и методах экспериментального исследования процессов физико-технической обработки. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных и их обработкой с использованием программных продуктов Mathsoft, Mathcad, Microsoft Office Excel.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов обработки расчетных и экспериментальных данных, реализуемых с помощью программного npoflyKTaMicrosoft Excel.

На защиту выносятся:

- Математическая модель распределения ионов по энергиям в процессе синтеза нанокомпозитного покрытия, учитывающая частоту электрон-атомных столкновений в скрещенных электрических и магнитных полях.

- Механизм моделирования технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нано-композитных покрытий металлорежущего инструмента.

- Результаты исследования влияния частоты импульсов и времени паузы на структуру и свойства нанокомпозитного покрытия АШИ.

- Технологические режимы нанесения нанокомпозитных покрытий АШЫ методом магнетронного распыления с использованием контролируемой ионной бомбардировки для обеспечения заданных физико-механических характеристик тонкой пленки.

- Рекомендации по повышению эффективности процесса магнетронного распыления путем управления ионной энергией распыляемых атомов за счет задания соответствующих импульсных характеристик процесса синтеза.

Научная новизна работы заключается в предложенном автором механизме моделирования технологического процесса магнетронного распыления, позволяющего рассчитать значения импульсных характеристик плазмы для обеспечения заданных физико-механических свойств получаемого покрытия металлорежущего инструмента, таких как инденторная твердость, модуль упругости, степень адгезии покрытия к подложке и других.

Практическая полезность работы состоит в выявлении технологических режимов, позволяющих обеспечить заданные физико-механические характеристики покрытия. Проведенные испытания синтезированной на металлорежущий инструмент тонкой пленки А ГПК обеспечили увеличение стойкости образцов на 11% при сверлении, на 13% при фрезеровании и на 20% при точении по сравнению с аналогами.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на семи Российских и международных конференциях: V и VII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием). - Уфа, 2010г. и 2012г.; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» (ГТД-нанотехнологии 2010), Рыбинск, 2010г.; V Всероссийской молодежной научной конференции: Мавлютовские чтения - Уфа, 2011г.; XI всероссийской выставке НТТМ-2011, Москва, 2011г.; Национальной научно-технической конференции, 2011г.; Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией», Москва, 2011г.; IV Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 2011г.; Молодёжном конкурсе инновационных проектов на тему: «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Москва, 2011г.

Диссертант является победителем программы «У.М.Н.И.К.-2012» и конкурса внутривузовских грантов (в 2011г.)

В составе творческого коллектива им выполнялись отдельные этапы работ по контрактам с ГК «Роснанотех», а так же с Министерством образования и науки РФ (договора № 02.532.12.9002 от 21.09.2007 и №849-10 от 11.01.2010).

Реализация результатов работы

Основные положения диссертации внедрены на ОАО «Рыбинский завод приборостроения»: предоставленные рекомендации позволили значительно повысить эффективность использования режущего инструмента с нанокомпозит-ным покрытием и сократить время технологической подготовки инструмента.

Внедрение на ОАО «НПО «Сатурн» разработанного технологического процесса нанесения нанокомпозитного покрытия AlTiN на металлорежущий инструмент с заданными физико-механическими характеристиками обеспечили увеличение стойкости образцов на 11% при сверлении, на 13% при фрезеровании и на 20% при точении титанового сплава ВТЗ-1 по сравнению с обработкой его инструментом с покрытием нанесенным фирмой производителем.

Автор принимал непосредственное участие в разработке каталога инструмента с наноструктурированными покрытиями, выпускаемого ЗАО «Новые инструментальные решения».

Публикации: результаты работы опубликованы в 9 научных работах, 3 из которых в рецензируемых изданиях списка ВАК.

Структура и краткое содержание работы

Научная работа состоит из 196 стр. машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц, 65 формул и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 4-х приложений.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, кратко сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 проводится анализ области использования и получения нано-композитных покрытий металлорежущего инструмента. Вопросами совершенствования технологий их получения и повышения физико-механических свойств занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Кузьмичев

A.И., Григорьев С.Н., Третьяков И.П., Бекташов Д.А., Агабеков Ю.В., Башков

B.М., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Верещака A.C., Чихранов A.B., Sproul W.D., Musil J., Veprek S., Matthews A., Moore J.J., Münz W.D., Savvides N.. Thorton J„ Wang, J.S. и др.

В результате анализа литературных источников выявлено, что наиболее перспективным методом нанесения тонких пленок является метод дуального несбалансированного магнетронного ионно-плазменного распыления с полем закрытого типа, поскольку он позволяет синтезировать покрытия практически любой композиции с высокой производительностью при обеспечении прочной адгезии по отношению к субстрату, а так же позволяет значительно повысить степень ионизации плазмы в зоне синтеза покрытия на изделие. Схема выбора технологии нанесения нанокомпозитных покрытий на металлорежущий инструмент представлена на рис. 1.

Автором установлено, чгго наиболее совершенной в настоящее время является магнетронно-распылительная система, использующая несбалансирован-

ные дуальные магнетроны с полем закрытого типа, работающие в импульсном режиме.

■ • Ш

Метод химического осаждения из паровой фазы

Магнетрон-ное распыление

Осаждение термическим испарением

Вакуумно-дуговое испарение

Метод ионной имплантации

__ _ .• - ; . .ж Маг^гооин^-^з^и^т^ дщщ '

Метод дуального (биполярного) несбалансированного магнетронного распыления с закрытым полем

* т

—" __

„ ч ® л

Рис. 1. Схема выбора технологии нанесения нанокомпозитных покрытий на металлорежущий инструмент

При данной системе катоды работают попеременно, увеличивая плотность ионного тока вблизи мишени. Она позволяет получать высокую степень ионизации плазмы, что положительно сказывается на свойствах, наносимых на режущий инструмент, нанокомпозитных тонких пленок, повышается производительность промышленных установок за счет увеличения размеров «эффективной» зоны нанесения покрытий, появляется возможность синтезировать тонкие пленки на изделия больших размеров и сложных конфигураций.

Проанализированы физико-механические свойства покрытий. Результаты анализа показывают, что механические, тепловые и трибологические свойства твердых тонких пленок могут значительно оптимизироваться посредством хорошо спроектированной микроструктуры, управляемой энергией ионной бомбардировки, за счет варьирования импульсных параметров плазмы.

Анализ структуры и свойств покрытия, полученного методом маг-нетронного. распыления

¡З^тт-ря» , . J I I р™^™™----- ■ ^

Термическая стойкость Тт

Окислительная стойкость Ток

[ Инденторнэя твердость | £ | Модуль упругости Е | Вязкость Н/Е |

Величина

зерен |

Ориентация зерен

Шероховатость поверхности Ра

Остаточные напряжения о

[ Стехиометрия |

Металлообрабатывающие станки и испытательные стенды

Стойкость к пластиче-

з 2

ской деформации Н /Е

Коэффициент трения ц

Автоэмиссионный растровый электронный микроскоп, просвечивающий сканирующий электронный микроскоп, рентгеновский спектрометр

Адгезия покрытия к подложке, НЯ

| Износостойкость Т |

[ Наноиндентометр, скретч-тестер и трибометр |

Рис. 2. Схема анализа структуры и свойств покрытий полученных методом магнетронного распыления

В главе 2 описана и проанализирована структурная зональная модель распыляемых материалов, основанная на модели Вата и Аскипгк. Данная модель позволила рассчитать структуру получаемого покрытия при заданных режимах и спрогнозировать трансформацию столбчатой структуры тонкой пленки в нано-шкальную зерновую структуру, которая характерна для сверхтвердых нанокомпозитных покрытий.

На основании схемы, представленной на рис. 2, а так же предполагаемой структуры получаемого покрытия, подобраны методики проведения исследований покрытий на основе соединений nc-MeN/nc-MeN, нанесенных на образцы методом дуального несбалансированного магнетронного распыления. Дано описание методик определения износостойкости покрытия с использованием микротрибометра, адгезионной прочности, исследования фазового состава покрытия с помощью рентгенострукгурного анализа, топологии и структуры покрытия с помощью растровой электронной микроскопии, сканирующей трансмиссионной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Пред ложен алгоритм проведения исследования механических характеристик нанококмпозит-ных покрытий, основанный на методике Оливера-Фара.

В соответствие со схемой анализа структуры и свойств покрытий, полученных методом магнетронного распыления, описаны диагностические приборы, применявшиеся в исследованиях синтезированных нанокомпозигных покрытий. Сделано описание оборудования использованного для подготовки образцов к синтезу покрытий, а так же непосредственно самой установки магнетронного распыления Unicoat-400.

В главе 3 проведен анализ технологического процесса нанесения покрытия AlTiN, который осуществлялся по схеме, представленной в виде таблицы, где РБ - базовое давление, Па; РР - рабочее давление, Па; Ud - разрядное напряжение на магнетронах, В; Id - разрядный ток на магнетронах, A; Bias -напряжение смещения, В/ток смещения, А.

Таблица 1

Технологический процесс нанесения нанокомпозитного покрытия AlTiN

№ п/п Операция Время мин Значения задаваемых параметров

1 Загрузка изделий в камеру 10 Подготовка поверхности к нанесению покрытия

2 Откачка вакуумной камеры до базового давления 30-60 Рв=0,001Па

3 Ионная очистка 10 РР=0,12Па; Ud=650/650B; Id-1/0,5A; Bias: 800 В/40 А.

4 Нанесение металлического подслоя 30-50 Рр=0,12 Па; Ud =650/650 В; Id =6/0,5 А; Bias: 40 В/40 А

5 Нанесение реактивного слоя 50-75 Рр=0,1-0,15Па; QN2=5-15%; Ud =600-800 В; Id =1-6А; Bias: 40-50В/40-50А.

6 Остывание 15 Рр=0,12Па.

7 Выгрузка изделий 10

На основе модели, выдвинутой Дэвисом и Вандерслайсом, автором исследования разработана математическая модель измерения распределения ионов по энергиям, учитывающая длину свободного пробега электрона в скрещенных электрических и магнитных полях относительно процесса ионизации и частоту электрон-атомных столкновений:

•^7 = {r-h-M±-e0)i du

U

Г1-1

U„

+ 1

(1)

где у, - поток ионов, А/м2; 10 - ток разряда; у - коэффициент Таунсенда; подвижность электронов в направлении перпендикулярном магнитному полю, м2/В-сек; е0 - диэлектрическая постоянная; © - циклотронная частота, Гц; X средняя длина пробега электрона, м; и - частота электрон - атомных столкновений, Гц; и - напряжение электрического поля, В; ик- катодное падение потенциала, В.

С целью учета возможной ионизации в процессе магнетронного распыления принимаются следующие допущения и ограничения:

• длина свободного пробега электронов считается постоянной;

• краевые эффекты не рассматриваются;

• учитывая, что степень ионизации низкотемпературной плазмы газового разряда мала (порядка 10'5), пренебрегают столкновениями электронов с любыми частицами, кроме атомов рабочего газа.

• ось х перпендикулярна катоду и направлена к аноду, а ось у параллельна катоду а направлена вдоль линии магнитного поля;

• в пределах катодного слоя поле однородно;

• допустимое значение ионной энергии

т<ик.

Для определения энергетического спектра ионов, бомбардирующих катод несбалансированного магнетрона, определена величина катодного падения потенциала по формуле:

UK = 1,2-10"

r-h-T

Р-В

1 -1

(2)

где Т- температура газа; Р - давление газа в камере; В - магнитная индукция <х; - сечение ионизации в магнетронном разряде, сг;=2-10"19 м".

Решив дифференциальное уравнение (1) для плотности потока ионов при начальном условии j(U„)=0 получим выражение, описывающее энергетическое распределение ионов бомбардирующих катод:

ÄU)= 2-Ut-X-v , (3)

По результатам математического моделирования доказано, что наибольший вклад в процесс распыления вносят не высокоэнергетические ионы, так как их плотность в потоке мала, а ионы со средними значениями энергий; при увеличении напряжения разряда увеличивается величина катодного падения

потенциала, вследствие чего ионы разгоняются с большей скоростью, а, следовательно, увеличивается их кинетическая энергия, которая передается атомам мишени, что положительно сказывается на скорости распыления.

В главе 4 исследовано влияние параметров импульса на свойства и структуру покрытия AlTiN. При выполнении исследования варьировались значения времени паузы (времени возврата) и значения частоты импульсов. Исходя из проведенного математического моделирования, были выбраны следующие значения технологических параметров: частота импульсов 100 кГц и 350 кГц (как минимально допустимая и максимально возможная) время паузы от 1,0 мкс до 5,0 мкс.

Проведен анализ морфологии поверхности покрытия. Двух- и трехмерные поверхностные морфологии пленок AlTiN, нанесенных в различных условиях асинхронного пульсирования, измерялись при помощи атомно-силовой микроскопии (АСМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ), результаты которых представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

Рис. 3. Двух- и трехмерные АСМ поверхностные морфологии пленок AlTiN, нанесенных при различных параметрах асинхронного пульсирования с разными максимальными значениями ионной энергии: а) 100 кГц и 1.0 мкс (72 эВ); б) 100 кГц и 2.5 мкс (84 эВ); в) 100 кГц и 5.0 мкс (122 эВ); г) 350 кГц и 1.0 мкс (180 эВ); д) 350кГц и 1.4 мкс (200эВ)

Изменение ионной энергии и ионного потока в плазме посредством пульсирования показывает, что увеличение ионной энергии и ионного потока ведет к изменению текстуры пленки AlTiN от (200) до (111). В настоящем исследовании пленки, нанесенные при относительно низкой ионной энергетической бомбардировке (например, режим 100/1,0 с общей ионной энергией 72эВ), поддер-

живают ориентацию (200) для минимизации поверхностной энергии. С увеличением ионной энергии и ионного потока в плазме, увеличенная энергия деформации в пленке и повторное распыление из-за высокой ионной бомбардировки вызывают рост покрытия в ориентации (111) для снижения энергии деформации (например, 350кГц/1,4мкс с общей ионной энергией 200 эВ).

д е

Рис. 4. Поперечные микроснимки РЭМ пленок AlTiN, нанесенных в различных условиях асинхронного пульсирования: а) 100 кГц и 1.0 мкс (72 эВ); б) 100 кГц и 2.5 мкс (84 эВ); в) 100 кГц и 5.0 мкс (122 эВ); г) 350 кГц и 0.4 мкс (177 эВ); д) 350 кГц и 1.0 мкс (180 эВ); е) 350 кГц и 1.4 мкс (200 эВ)

Импульсная ионная энергия и ионный поток оказывают значительное воздействие на микроструктурное развитие пленки AlTiN. Использование контролируемой ионной бомбардировки для сохранения максимальной ионной энергии на уровне менее 120 эВ и увеличения ионного потока в средней области ионной энергии «В», будет увеличивать адатомную мобильность, усиливать плотность покрытия и уменьшать размер столбчатых кристаллов пленки.

Механические и трибологический свойства пленок AlTiN, полученных при различных режимах нанесения представлены в таблице 2.

Твердость пленки AlTiN увеличилась от 34 до 41 ГПа при увеличении общей ионной энергии от 72эВ (100кГц/1.0мкс) до 122эВ (100кГц/5.0мкс) в асинхронном импульсном режиме. Это происходит благодаря возрастанию плотности покрытия и сокращению размера зерен в условиях увеличенной ионной энергии и бомбардировки ионным потоком. Деформационное упрочнение

становилось значительным и чрезмерным, при общей ионной энергии 177-200 эВ и частоте импульсов 350кГц.

Таблица 2

Механические и трибологические свойства пленок А1ТШ

Импульсные параметры

Свойства пленки 100/1,0 100/2,5 100/5,0 350/0,4 350/1,0 350/1,4

А1/(П+А1) 58,5 57,3 60,4 60,9 67,5 69,7

Толщина пленки, мм 1,2 0,8 1 14,1 0,9 1,2

Поверхностная шерохова- 5,45 2,43 1,04 2,16 2,01 2,25

тость, нм

Остаточное напряжение, ГПа -3,4 -4 -5,6 -7,3 -12,2 -12,8

Наноидентационная твер- 34,3 37 41,1 42,4 43,6 48,0

дость, ГПа ±3,8 ±3,9 ±3,3 ±2,9 ±2,8 ±3,6

370,8± 385,6± 411,4± 432,4± 450,5± 515,5±

Модуль Юнга, ГПа 26,3 31,9 32,5 30,4 28,4 43,7

НУЕ 0,092 0,096 0,01 0,098 0,097 0,093

Коэффициент трения 0,38 0,43 0,46 0,46 0,87 0,63

Скорость износа 2,9 3,2 3,4 3,9 3,8 4

В результате, оптимальное сочетание механических (твердость) и трибо-логических свойств может достигаться, только при сохранении средней ионной энергии между 70-120 эВ с высокими ионными потоками. Работа мишеней 77 и А1 при частоте ЮОкГц и времени паузы 5,0мкс привело к образованию пленок А1ИИ, которые показали высокую твердость (-41 ГПа, вязкость 0,10) и хорошую износостойкость (коэффициент трения 0,40-0,46; скорость износа 3,4х10"6 мм3БГ] м"1).

В результате проведенных исследований автором сформулированы рекомендации по повышению эффективности процесса магнетронного распыления:

1. Разрядное напряжение на мишени необходимо выбирать в соответствие с процентом ассиметричного импульса, для поддержания реверсивного позитивного импульсного напряжения в диапазоне 20-80 В.

2. Предпочтительно использовать более длительное время возврата при относительно низких импульсных частотах (например, 100-200 кГц) для импульсного реактивного распыления, с целью получения подходящих значений импульсной ионной энергии и увеличения ионного потока.

Поскольку импульсная плазма уже обеспечила относительно высокие значения ионной энергии в плазме, предлагается использовать относительно небольшое смещение подложки (не более -50 В), чтобы избежать чрезмерной ионной бомбардировки.

По полученным данным о степени влияния частотных характеристик импульса на свойства покрытии АГПМ была составлена модель технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента, представленная на рис.5. Проведено испытание режущего инструмента с нанесенным нанокомпозитным покрытием ЛШЫ, полученного с помощью раз-

работанной технологии магнетронного распьшения, и сравнение его с аналогами (рис.б).

Заказчик

г.

Заданная геометрия инструмента

• Чертеж детали

• Параметры инструмента

• Физико-механические характеристики

• Модуль упругости Е

• Твердость НВ

• Коэффициент трения, ц

• Жаростойкость, Т

• Окислительная стойкость, Т

• Качество поверхностного слоя

• Шероховатость поверхности, Яг

• Обеспечение требуемой адгезии

Основное оборудование Л

• Установка магнетронного распьшения ишСоаМОО

• Вспомогательное оборудование

• Ультра-звуковая ванна ПСБ-9535-05

• Пароструйный аппарат УАР-6

• Оснастка

• Держатели инструмента в виде стаканчиков разных диаметров с возможностью вращения вокруг своей оси, закрепленные на вращающемся столе

• Режимы нанесения и маршрут физико-технического процесса

Повышение качества обрабатываемой поверхности Повышение стойкости инструмента

п/п Операция Режимы нанесения

1 Загрузка изделий в камеру 10 Подготовка поверхности для нанесения покрытия

г Откачка вакуумной камеры до базового давления 30-60 РБ=0,001Па

Ионная очистка 10 Рр=0,1-0,2Па; Ud =650/650В; Id =1/0,5А; Bias: 800 В/40 А.

Нанесение металлического подслоя тагана 30-60 Рр=0,1-0,2Па; Ud =650/650 В; 8 Id =0,5-6А; Bias: 40 В/40 А. ^

5 6 7 Нанесение реактивного слоя 30-60 Рр=0,1-0,2Па; Qn2=25%; Ud =200/600В; Id =1-6A; Bias: 50В/40А. f=100-350KTn, t= 0,1-5 мке

Остывание 15„ Pp=0,12 Па.

Выгрузка изделий 10 -

■ Соответствие геометрии инструмента требованиям чертежа

1 Параметры инструмента

• Физико-механические характеристики

• Модуль упругости Е

• Твердость НВ

• Коэффициент трения, ц

• Жаростойкость, Г

• Окислительная стойкость, То

• Качество поверхностного слоя

• Шероховатость поверхности, Яг

ребуемой адгезии

гекомендации но применению шсф\мел 1 и in обеспечения технически и жономически ><|>i|'Ck in иных процессом оораооши

чивающего заданные физико-механические характеристики нанокомпозитного покрытия AlTiN металлорежущего инструмента.

Полученное покрытие

Аналог

■ Фрезерование ■ Точение ■ Сверление Рис. 6. Испытания покрытия АШЫ в сравнении с аналогами

Основные результаты и выводы

1. В результате проведенного анализа современных износостойких покрытий установлено, что использование наноструктурированных покрытий, имеющих оптимальные параметры, прочную адгезию по отношению к субстрату, а также предельно уменьшенное количество различных дефектов, для модификации поверхности металлорежущего инструмента позволяет получать наиболее эффективное повышение его эксплуатационных характеристик.

2. Установлено, что наиболее рациональным методом синтеза покрытий является метод магнетронного распыления с использованием дуальных несбалансированных магнетронно-распылительных систем закрытого типа, поскольку он позволяет получать высокую степень ионизации плазмы, что положительно сказывается на свойствах тонких пленок и увеличивает производительность промышленных установок.

3. Разработанные математические модели определения потока ионов в плазме и их распределения в процессе синтеза нанокомпозитного покрытия позволяют рассчитать значение ионной энергии распыляемых атомов, с целью корректировки импульсных характеристик для обеспечения заданных физико-механических свойств получаемого покрытия металлорежущего инструмента.

4. Выявлен механизм влияния импульсных параметров технологического процесса (частоты импульсов и времени паузы) дуального несбалансированного магнетронного распыления с полем закрытого типа на свойства и структуру покрытия AlTiN, на основании которого составлена модель технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические характеристики нанокомпозитного покрытия AlTiN металлорежущего инструмента.

5. Разработан технологический процесс осаждения покрытия AlTiN на металлорежущий инструмент и подобраны оптимальные варианты режимов нанесения, с целью обеспечения заданных физико-механических характеристик, при этом увеличение стойкости инструмента по сравнению с аналогами составляет в среднем 15% при различных видах обработки, что подтверждено результатами испытаний и актами внедрения на производство.

Основные публикации Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК

1. Сергеев, А.Е. Механические и трибологические свойства пленок Al-Ti-N [Текст] / Сергеев, А.Е., Ерошков, В.Ю. - Вестник РГАТА им. П.А. Соловьева№1 (19), 2011.-С. 87-91

2. Кожина, Т.Д., Непомилуев, В.В., Сергеев, А.Е. Асинхронные дуальные импульсные магнетронно-распылительные системы для синтеза наноструктурированных покрытий [Текст]/Сергеев, А.Е. - Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева №2 (20), 2011. - С. 115-120

3. Сергеев, А.Е. Использование дуальных импульсных магнетронно-распылительных систем для нанесения нанокомпозитных покрытий. [Текст] / Сергеев, А.Е. - Сборник научных трудов "Итоги диссертационных исследований". М.: РАН, 2011. -С.44-47.

Материалы конференций

1. Сергеев, А.Е., Дружков, С.С. «Перспективные методы нанесения наноструктурированных покрытий на металлорежущий инструмент» [Текст] / Сергеев, А.Е., Дружков, С.С. - Сборник материалов 5-й Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых (с международным участием).

- Уфа: Изд-во УГАТУ, 2010.

2. Дружков, С.С., Сергеев, А.Е. Применение наноструктурированных покрытий при производстве металлорежущего инструмента, как современный этап его развития [Текст] / Дружков, С.С., Сергеев, А.Е., -Сборник материалов 5-й Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых (с международным участием). - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2010.

3. Сергеев, А.Е. «Формирование поверхности наноструктуриро-ванного покрытия при магнетронном ионно-плазменном распылении» [Текст] / Сергеев, А.Е. - Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок (ГТД-нанотехнологии 2010): Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Рыбинск: РГАТА имени П.А. Соловьева, 2010.-140 с.

4. Кожина, Т.Д., Ерошков, В.Ю., Сергеев, А.Е. «Свойства наноком-позитных покрытий, полученных методом магнетронного распыления» [Текст] / Кожина, Т.Д., Ерошков, В.Ю., Сергеев, А.Е. - Материалы VII международной научно-практической конференции (Прага, 2011г.) - С. 11-14

5. Сергеев, А.Е. «Разработка сверхтвердых нанокомпозитных покрытий пс-Ме]М, полученных методом магнетронного распыления для осевого режущего инструмента» [Текст] / Сергеев, А.Е. - Будущее машиностроения России: сб.тр. Всерос. Конф. Молодых ученых и специалистов

- М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011. - С. 167-168.

6. Сергеев А.Е. Изучение свойств супертвердых нанокомпозитных покрытий на основе соединений пс-МеМ для осевого инструмента, полученных методом магнетронного распыления [Текст] / Сергеев, А.Е. - Материалы Всероссийской молодежной научной конференции: Мавлютовские чтения -Уфа, 2011.-С. 124-126.

Подписано в печать 28.04.2012. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 103.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/2916

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени П. А. Соловьева

На правах рукописи

¿г

Сергеев Александр Евгеньевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО

ЗАДАННЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА

Специальность: 05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-

технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Т.Д. Кожина

Рыбинск-2012

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

НМ - Несбалансированный магнетрон MPC - Магнетронно-распылительная система РИЭ - Распределение ионной энергии ЭКА - Электростатический квадрупольный анализатор ДРЛ - Дифракция рентгеновских лучей РДСП - Рентгеновская дифракция скользящего падения АСМ - Атомно-силовая микроскопия РЭМ - растровая электронная микроскопия

СТЭМ - сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия ТКП - Темное катодное пространство Р.г. - Реакционный газ р.р.г. - Регулятор расхода газа PVD - Физическое осаждение из паровой фазы CVD - Химическое осаждение из паровой фазы PECVD - Химическое осаждение из паровой фазы с использованием ассистирующей плазмы Тт - Термостойкость, °С Т0к ~ Стойкость к окислению, мкг/см Ти - Стойкость к истиранию, мм3/Н-м о Остаточное напряжение, ГПа сги - Предел прочности на изгиб, МПа d - Диаметр зерна, кристаллита, мкм ds-t - Расстояние мишень - подложка, мм т - Длительность импульса, мкс W - Мощность импульса, кВт Я - Инденторная твердость, ГПа Е - Модуль Юнга, ГПа We. - Упругое восстановление, % Н3/Е2 - Устойчивость к пластической деформации, ГПа HF Величина, характеризующая степень адгезия покрытия к подложке t - Температура подложки, °С t„ - Температура плавления материала, °С

t.m - Температура технологического процесса магнетронного распыления, °С

Рр - Рабочее давление газа в камере, Па

Еобщ - Общая энергия ионов, бомбардирующих поверхность подложки, эВ пат - Поток распыленных атомов, cm'V1

пион - Поток ионов плазмы бомбардирующих поверхность мишени, см" с" w - Отношение ион-к-атому Ud - Разрядное напряжение, В Id - Разрядный ток, А Ub - Напряжение смещения, В

1Ь - Ток смещения, А то - Время паузы между импульсами, мкс А{ Общая механическая работа вдавливания, Дж Ат Механическая работа пластической деформации, Дж Аупр Механическая работа упругого восстановления, Дж £ - угол между магнетронами в дуальном магнетроне, град ¥у - Величина нагрузки на индентор в вертикальном

направлении, Н / - частота импульсов, Гц

Ьа - Величина нагрузки при появлении первой трещины, Н ЬС2 - Величина нагрузки, характеризующая отслаивание участков покрытия, Н

Ьсз - Величина нагрузки, характеризующая пластичное истирание покрытия, Н О - Угол скольжения, град с Порядок отражения с1нкь ~ Величина межплоскостных расстояний, мм ацк1, Параметры решетки Снкь

[I - Коэффициент трения 1НКЬ Интегральная интенсивность отражения НКЬ г Постоянная для всех линий дифрактограммы величина т/ - Коэффициент линейного ослабления образца с - Порядок отражения Рнкь ~ Фактор повторяемости

^нкь ~ Структурный фактор (с учетом теплового множителя) ¥я - Объем элементарной ячейки, мм V - Объемная доля определенной фазы 1п0,1п - интенсивность соответственно падающего и отраженного луча }гр - Толщина рассеивающего слоя, мм

а3 Компонента главных напряжений, нормальная к поверхности образца, ГПа

¿о - Межплоскостное расстояние плоскостей (НКЬ) в ненапряженном состоянии

с13 - Межплоскостное расстояние в направлении нормали к поверхности образца, мм

б/ф,ф - Межплоскостное расстояние тех же плоскостей в напряженном состоянии, измеряемое в направлении, определяемом углами \|/, ф, мм к - Коэффициент Пуассона

к8 - Коэффициент распыления материала мишени ЕМе Энергия атомов металла, распыленной мишени, эВ () - Расход газа, м3/мин Рбаз - Базовое давление в камере, Па ¡¿г - Ток поддержки НМ при ионной очистке, А

иы - Напряжение смещения при ионной очистке, В

1ъь - Ток смещения при ионной очистке, А

к Г1т - Максимальная глубина выработки мишени, нм

& - Скорость откачки газа, л/с

- Величина потока ионов, А/м2

X - Длина свободного пробега электронов, мм

Ск - Требуемая концентрация реактивного газа, %

^тех - Продолжительность технологической стадии, мин

Р - Плотность электрического заряда, Кл-м"3

е0 - Диэлектрическая постоянная, Ф/м

е - Заряд электрона, Кл

ик Катодное падение потенциала, В

8Г - Относительная диэлектрическая проницаемость среды

дв - Радиус экранирования Дебая, м

К - Скорость электронов, м/с

те - Масса покоя электрона, кг

СОЬе - Ленгмюровская частота, Гц

-Се! - среднее время между двумя столкновениями, с

V Частота электрон-атомных столкновений, Гц

- Частота столкновений атомов, Гц

Ек - Энергия теплового движения частиц, Дж

ьк - Кулоновский логарифм

т - Масса частицы, кг

т1у т2 - Массы бомбардирующего иона (атома) и атома твердого тела, соот-

ветственно, кг

К - Поперечная составляющая скорости частицы, м/с

сов - Лармовская частота, Гц

со - Циклотронная частота, Гц;

В - Вектор магнитной индукции, Тл

Ч - Заряд частицы, Кл

Я. Радиус Лармовской окружности,м

кБ - Постоянная Больцмана, Дж/К

р К.ср - Средняя кинетическая энергия атомов рабочего газа, К

- Сечение резонансной перезарядки, эВ

л - Поток ионов вышедший из плазмы, А/м2

Лг - Поток ионов достигши некоторого сечения «а» без перезарядок,

А/м2

- Величина пройденного пути ионом, м

Хткп - Сечение, отсчитываемое от границы плазма - темное катодное про-

странство, м

- Дельта функция Дирака

и - Электронная температура плазмы, К

- Длина свободного пробега атома относительно процесса резонанс-

ной перезарядки, м а - Угол наклона исследуемой поверхности к направлению первичного луча, град

Mis ~ Вероятность выходы атомов с поверхности мишени под действием ионов

ае - Радиус экранирования, м Z], Z2 - Атомные номера иона (атома) и атома твердого тела, соответственно, а.е.м

Ерч - Энергия распыляющей частицы, Дж Cn(Za) - Коэффициент, характеризующий оболочечную структур атомов распыляемой мишени Wia - Коэффициент характеризующий степень регрессии каскада атомно-

атомных столкновений смещенных атомов X - Максимальная доля энергии, передаваемой в упругом столкновении двух частиц с массами mi и ш2 Y(EP4) - Приведенный коэффициент распыления Еи - Энергия распыляющих ионов, эВ Есуб - Пороговая энергия распыления, эВ Na - Число Авогадро, атом/моль Ер - Напряженность электрического поля, В/м ôD - Радиус экранирования Дебая, м z - Число перезарядок у - Коэффициент Таунсенда

- Подвижность электронов в направлении перпендикулярном магнитному полю, м /В-сек i - Приведенная энергия Линдхарда, Дж рм - Плотность материала, г/см2 toMKcm Время откачки до базового давления, мин

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................8

ГЛАВА1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ.......................................................................................................14

1.1 Современное состояние в области использования нанокомпозитных покрытий....................14

1.2 Аналитический обзор существующих методов синтеза износостойких покрытий...................18

1.2.1 Метод химического осаждения (CVD)..........................................................................................19

1.2.2 Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)..........................................................................21

1.3 Магнетронные распылительные системы..................................................................................35

1.3.1 Типовые Конструкции MPC...........................................................................................................35

1.4 Свойства, характеристики покрытий и методы их измерения...................................................45

Выводы по главе 1.....................................................................................................................................51

ГЛАВА 2 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ.................................53

2.1 Материалы, использованные в работе.......................................................................................53

2.2 Оборудование для нанесения покрытий на металлорежущий инструмент.............................54

2.3 Исследование механических характеристик покрытий металлорежущего инструмента........58

2.3.1 Методика определения износостойкости покрытия..................................................................62

2.3.2 Методика определения адгезионной прочности покрытия......................................................63

2.4 Исследование структуры и состава нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента .......................................................................................................................................................65

2.4.1 Анализ механизма образования структуры покрытия при магнетронном распылении.........65

2.4.2 Изучение топологии поверхности и структуры покрытия..........................................................68

2.4.3 Исследование фазового состава покрытия..................................................................................72

Выводы по главе 2.....................................................................................................................................78

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ НАНОКОМПОЗИОГО ПОКРЫТИЯ АЬТШ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ.......................................................................................................80

3.1 Анализ технологического процесса нанесения покрытий на металлорежущий инструмент

80

методом магнетронного распыления....................................................................................................................

3.1.1 Технологические параметры, определяющие процесс магнетронного распыления..............88

ОО

3.2 Расчет потенциала плазмы..........................................................................................................оэ

3.3 Математическая модель определения потока ионов в плазме................................................96

3.4 Математическая модель измерения распределения ионов по энергиям..............................106

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСА НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.......................................................115

4.1 Распределение положительной ионной энергии.....................................................................120

4.2 Состав пленки и изменение ориентации кристаллов...............................................................124

4.3 Морфология поверхности и микроструктура пленки Д/-77-Л/...................................................129

4.4 Механические и трибологические свойства пленок А/Г/Л/.......................................................143

4.6 Проведение испытаний полученных покрытий Л/-Т/-Л/............................................................147

4.5 Моделирования технологического процесса магнетронного получения нанокомпозитных

1 чч

пленок на металлорежущем инструменте..........................................................................................................

1 сс

Выводы по главе 4...................................................................................................................................

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................158

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.......................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ В.......................................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.......................................................................................181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современные наноструктурированные покрытия повышают износостойкость инструмента, что позволяет увеличить срок его службы и производить обработку металлов на более высоких скоростях. Улучшение технических характеристик (твердость, вязкость) металлорежущего инструмента с нанокомпо-зитными тонкими пленками приводит к существенному увеличению производительности труда и снижению себестоимости изготавливаемой продукции.

Применение современных защитных тонких пленок позволяет использовать инструмент с нанопокрытями и осуществлять его переточку до 12 раз.

Наибольший потенциал для повышения эксплуатационных свойств металлорежущего инструмента, таких как твердость НВ, предел прочности на изгиб аи, вязкость Н/Е, термостойкость Тт, стойкость к истиранию Ти, стойкость к окислению Т0к заключается в правильном выборе и расчете свойств химического состава и структуры покрытия для конкретных условий работы, а так же совершенствовании технологии формирования наноструктурированных износостойких покрытий. Эксплуатационные свойства металлорежущего инструмента в основном определяются свойствами наносимых тонких пленок, поскольку именно они взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью.

Одним из способов решения проблемы получения нанокомпозитных покрытий с заданными физико-механическими характеристиками, такими как ин-денторная твердость Я, модуль упругости Е, степень адгезии покрытия к подложке HF и другие, является совершенствование физико-технических процессов их синтеза. Поэтому лидеры по производству металлорежущего инструмента, такие как Sandvik Coromant, Balzers Aerlicon, Iscar, Mitsubishi, Dormer, Walter, ЗАО «Новые инструментальные решения» и другие, ведут активные разработки в данном направлении.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные технологии. Среди них можно

выделить метод магнетронного распыления, поскольку использующийся в нем дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях позволяет обеспечить однородность наносимых покрытий на значительных площадях распыления, а также сформировать мелко- и супермелкодисперсные структуры.

Одной из главных проблем нанесения тонкопленочных покрытий на металлорежущий инструмент методом магнетронного распыления является невозможность точно спрогнозировать их состав и структуру, поскольку существует множество факторов, влияющих на свойства получаемого покрытия. Одним из наиболее значимых параметров технологического процесса синтеза нанокомпозитного покрытия является ионная энергия распыляемых атомов.

Изучением ионной энергии и ионных потоков распыляемых атомов занимались многие российские и зарубежные ученые (Григорьев С.Н., Табаков В.П. Верещака A.C., J. Moor, В. Mishra, W.D. Sproul, L. Hultman). Однако большинство работ посвящены исследованию влияния вольт-амперных характеристик на величину ионной энергии и распределение потока ионов, и до настоящего времени не было рассмотрено влияние параметров импульса: частоты импульсов и времени паузы. Контроль за величиной ионной энергии и распределением ионных потоков распыляемых атомов растущих тонких пленок за счет варьирования частотных характеристик может использоваться для моделирования и совершенствования структуры и свойств пленки с заданными физико-механическими характеристиками покрытия и интенсификации процесса магнетронного распыления. Необходимо определить, какое именно воздействие частота импульсов и время паузы оказывают на физико-механические характеристики получаемых высококачественных покрытий. Исходя из этого, была сформулирована цель работы.

Цель работы:

Разработка механизма моделирования технологического процесса магнетронного получения нанокомпозитных пленок на металлорежущем инструмен-

те, обеспечивающего его заданные физико-механические характеристики, путем управления импульсными параметрами плазмы.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Выявить наиболее эффективные магнетронно-распылительные системы, позволяющие обеспечить заданное значение ионной энергии, при нанесении нанокомпозитных покрытий на металлорежущий инструмент.

2. Получить математические модели определения потока ионов в плазме и их распределения в процессе синтеза тонких пленок, на основе которых разработать механизм моделирования технологического процесса магнетрон-ного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента.

3. Установить влияние частоты импульсов и времени паузы при дуальном несбалансированном магнетронном распылении с полем закрытого типа на физико-механические свойства получаемого нанокомпозитного покрытия АШИ.

4. Получить оптимальные режимы осаждения покрытия АШЫ на металлорежущий инструмент по величине ионной энергии распыляемых атомов, с целью обеспечения его заданных физико-механических характеристик.

5. Определить достоверность полученных теоретических данных, провести сравнительные стойкостные испытания металлорежущего инструмента с полученным нанокомпозитным покрытием АШК и инструмента с аналогичным покрытием, рекомендованным фирмой-производителем.

Научная новизна работы

заключается в предложенном автором механизме моделирования технологического процесса магнетронного распыления, позволяющего рассчитать значения импульсных характеристик плазмы для обеспечения заданных физико-механических свойств получаемого покрытия металлорежущего инструмента, таких как инденторная твердость, модуль упругости, степень адгезии покрытия к подложке и других;

- Математическая модель распределени