автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Повышение вакуумных и фрикционных характеристик механизмов с твердосмазочным покрытием на основе дисульфида молибдена для вакуумного технологического оборудования

Хр На правах рукописи

"v

- \/

БЕЛИКОВ Ащрей Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ВАКУУМНЫХ И ФРИКЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЗМОВ С ТВЕРДОСМАЗОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ ДИСУЛЬФИДА МОЛИБДЕНА ДЛЯ ВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.27.07 -Оборудование производства электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Панфилов Ю.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Слепцов Владимир Владимирович, кандидат технических наук Папко Вильяме Михайлович

Ведущее предприятие - ОАО 1ДНИТИ "ТЕХНОМАШ"

Защита диссертации состоится " 1993 г_ па

заседании диссертационного Совета К 053.15.01 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана но адресу: 107005 Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

Ват отзыв на автореферат в 1-м экземпляре, заверенный печатью, просим пыелать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э,Баумана.

Автореферат разослан " " йЛ^^А^ 1998 г.

Телефон для справок: 267-09-83

О

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

к.т.н., доцент Рябов В.Т.

Ги>дг.!>санл к ¡!СЧаП1 »3.04.48 г, Объем 1.0 м л Тираж 100 экз.

'Ъ.к.11 Л":/5 Типография МГТУ им Н'З.Ьаумана

Общая характеристика работы Актуальность темы. В настоящее время большое число технологических процессов производства изделий электронной техники осуществляются в условиях высокого и сверхвысокого вакуума при жестких требованиях к спектру газовыделения и потокам микродисперсных частиц (МДЧ). Одним из путей решения возникающих при jtom проблем яв.нется создание многокамерных вакуумных технологических установок кластерного типа, в которых осуществляется шлюзовая загрузка и выгрузка кассеты с полупроводниковыми пластинами из атмосферы в вакуумный'шлюз и обратно, операции индивидуальной обработки пластин в рабочих камерах и передача каждой пластины из кассеты в вакуумную транспортную систему с дальнейшим распределением пластин по рабочим камерам. Реализация столь сложных манипуляций в условиях вакуума требует значительного числа механизмов в транспортных системах и в приводах различных исполнительных устройств, содержащих всевозможные пары трения.

Эффективное использование такого оборудования связано с повышением надежности функционирования механизмов, расположенных в вакууме. Разработанный Панфиловым Ю.В. новый критерий проектирования вакуумного технологического оборудования (ВТО) -"минимум привносимой дефектности обрабатываемых изделий" служит мерой, определяющей параметрическую надежность ВТО и связан с учетом влг'шия потоков МДЧ на качество и выход годной продукции. Так, распространяющиеся в вакуумных объемах потоки час-

i

тиц, осаждаясь на формируемые структуры сверхбольших интегральных схем (С1>ИС) приводят к значительному браку (70-90%) уже при плотности привносимой дефектности порядка 3-5 шт/см2 с размерами МДЧ £0,2 мкм.

Большинство используемых в ВТО механизмов не соответствуют новым требованиям по потоку генерируемых микрочастиц. Как показывает практика, используемые в механизмах пары трения при работ? выделяют в вакуумную среду значительные потоки части износа, достигающие 2000 шт/с и более. А получившие в последнее время распространение

1

твердосмазочные покрытия (ТСП) на основе дисульфида молибдена, имеющие хорошие антифрикционные характеристики в условиях вакуума, зачастую не удовлетворяют предъявляемым требованиям по газовыделению и потоку МДЧ. Однако, появившийся в послед>■ -время метод нанесения M0S2 путем ионного распыления в вакууме, который был ре ал и кж.ы в ИМАШ под руководством Семенова А.П., обладает некоторыми преимуществами н сравнении с другими покрытиями из твердосмазочного материала.

Пестдованиям пар трения вакуумных механизмов посвящены работы Александровой A.'l , Деулнна МЛ., Ковалева Л.К., Вагина U.C., (Смирнова П.Д., Куж.мана Д.Г., Сиподеева H.h., Cicnaii'iiiKoiia С. 13. и др. Ими исследованы процессы п определены характерно!пкн фрикционного вмимодействия поверхностей без покрышй в условиях вак\\ма, разрлбепаны фебовання, регламсп [ирующие состав и потоки газовыделения из вакуумных механизмов, построены физико-сташстические модели потоков .атовыдел^ння из 'ГСП "Димолит-4" дли различных механизмов, а также аналщ ические зависимости для расчета линейного износа iukoio покрышй.

(Однако, в этих работах не решены вопросы выбора метода нанесения твердосмазочно-го покрьпия на лары фения и проектирования механизмов с ТСII для ВТО в соответствии с новым критерием - минимумом привносимой дефектности обрабатываемых изделий. Не-'uH.tanvino изучены процессы, возникающие при фракционном кои газировании детален с НИ, вопросы плкшшвания такого покрытия. Не исследованы вакуумные и фрикционные харакк'рнстки покрытия, получаемого ношю-плазмеиным нанесением и нет ориентированной на промышленное использование технологии получения такого покрытия. Не разра-Gok.ii' i '-iciоды peiулировапия потоков МДЧ из пар трения вакуумных механизмов.

Lu.им образом, существует необходимое п. разработки научно-обоснованного подхода к выбору и проектированню пар трения механизмов для современного вакуумного техноло-шческою оборудования с заданными вак)умными и фрикционными характеристиками, учи '.ывающнми фамор привносимой дефектности обрабатываемых изделий.

Полому данной работы явилось создание научных основ формирования задан-

ных l'vciuyaianHOHHLix свойств поверхностного слоя деталей с твердосмазочным покрытием на основе дисульфида молибдена, исполыуемых в механизмах вакуумного гехнологнческо-i о оборудования.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• pâipa6oiaiia модель процессов трения и изнашивания тонкопленочного ГСП на основе MoS2 и анчана методика расчета параметров износа в парах трения механизмов ВТО, опирающийся па разработанную модель;

• выбраны методы, средслва и разработана пригодная для промышленного использования технологии нанесения "ГСП на основе MoSj на детали iup трения вакуумных механизмов:

» исследованы вакуумные н фрикционные характеристики пар трения с ГСП на основе V.oSj (ч. ,ov мнкроднсперсныч частиц, интенсивность изнашивания и др.);

разрабокша методика проектирования вакуумных механизмов с ГСП на оспоне MoS; с заданными вакуумными и фрикционными свойствами. На чащи ту пынося гея: . Физическая и математическая модель процессов грения и изнашивания тонкопленочшм о иердосмазочнот о покрытия;

. Результаты эксперимент.итьнмх исследований вакуумных и фрикционных характеристик ар фения с 'ГСП, получаемым нонно-плазменным нанесением;

. Методика проектирования пар трения вакуумных механизмов с заданными вакуумными фрикционными характеристиками.

Научная ионита работ состоит в следующем: На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы in.tiVp и елесообразноегь использования гвердосмазочного покрытия на основе MoS:, формируемо-о методом нонно-плазменного нанесения в вакууме, в узлах трения механизмов совремеи-ого вакуумного технологического оборудования.

. Впервые разработана модеть изнашивания тонкопленочного твердосмазочтио покрытия а основе MoSj, позволяющая рассчитывать параметры износа пар трения механизмов с СП с учетом предварительно формируемого микрорельефа ("микрокарманов") н нрнно-ировать показа гели надежности механизмов.

. Обоснован Принцип построения технологического процесса на основе магнегроннон 114 аспылительной системы и нонно-лучевого источника с использованием операции форми-ования микрорельефа для создания пар трения с заданными вакуумными и фрикционными арактерис "ками.

. Разработан метод регулирования потока часгнц износа из механизмов путем изменения оотношения площади микрокарманов к общей плошали покрытия.

Ирак тичсская значимое //, работы заключается в следующем: . Разработаны стенд и методика для определения вакуумных н фрикционных характери-тик пар трения механизмов вакуумного оборудования с низкой интенсивностью изнзшива-ия непосредственно в условиях вакуума в реальном маенпабе времени. . Создана технологическая установка, реализующая в едином вакуумном цикле нонно-учевое формирование микрорельефа и ионно-плазменное нанесение твертосмазочнот по-рытия с требуемыми вакуумными и фрикционными свойствами для механизмов вакуумно-о технологического оборудования.

Л

3. Рачрабогана оригинальная методика выбора параметров технологического процесса на-нсссния ТСП на осноье M0S2 на элементы пар трения с помощью информационно-поисковой системы но технологии тонких пленок.

4. Создана база данных твердосмазочных покрытий и разработаны рекомендации по выбору покрытии для проектируемых механизмов вакуумного оборудования.

А/с годы исслсломиин. Теоретические исследон ния базировались на положениях теории контактирования твердых тел Краге 1ьского И.В., работах Дроздова Ю.Н., Добычина M.1I , Комбалоиа B.C. и др. в области математического моделирования процессов трения и износа, теории распространения дислокаций при трении, разработанной Suh N.P., теории прочности и устойчивости, современных представлениях по вопросам трения, изнашивания и взаимодействия контактирующих поверхностей. Использовались исследования Слепцова В.В. по изучению поверхности, работы Семенова А.П., Воронина H.A., Григорова А.И., Ду-ховского Е.А., Ноженкова М.В. и других по нанесению и исследованию твердосмазочных покрытий.

Экспериментальные исследования вакуумньг* и фрикционных характеристик (потоки частиц износа, интенсивность изнашивания) пар трения с ТСП на основе MoSj, получаемого ионно-плазменным методом, проводились на специально разработанном стенде для исследования пар трения в условиях вакуума, оснащенном современной контрольно-измерительной аппаратурой. Покрытие наносилось на вакуумной установке, оснащенной специальными технологическими средствами. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием вычислительной техники, оценка их точности и достоверности выполнялась на основе положений теории вероятности и математической статистики.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Электронное машиностроение" МГТУ им.Н.Э.Баумаиа, на двух Международных Симпозиумах ' Тонкие пленки в электронике", на РоссийсксШ конференции "ElucOKiie технологии и промышленности Рогсин". ....

Публикации Основное содержание работы отражено в четырех печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выт деп и приложения. Содержит 204 странит<ы машинописного текста, 45 рисунков, 6 таблиц и список литерату ры из 112 наименований.

Основное содержание работы

Но ппс.цснии обосновывается актуальность решаемой в диссертационной работе задачи, сформулнрот !|Ы цель работы к основные положения, выносимые на защиту. 4

В первой главе' рассмотрено высокопроизводительное вакуумное технологическое эборудование производства микроэлектроники, проведен анализ современных тенденций :го развития в направлении создания установок кластерного типа и определено увеличение относительной степени влияния потоков МДЧ из пар трения механизмов на качество выпускаемой продукции и фактическую производительность ВТО.

Кроме того, повышение степени интеграции СБИС приводит к увеличению количества гребований, которым должно соответствовать вакуумное технологическое оборудование, а :ами требования становятся все более жесткими. Это связано как с уменьшением топологи-1еских норм интегральных микросхем и улучшением качественных характеристик изделий, гак и с необходимостью снижения себестоимости продукции за счет увеличения выхода одной продукции.

Анализ современных условий, в которых используются механизмы ВТО. позволил ¡формулировать требования, предъявляемые к парам трения. При недопустимом "сухом" сонтакте поверхностей (без покрытий) вследствие высокого коэффициента трения (/>0,4-),9) в вакууме и невозможности использования жидких и консистентных смазок вследствие (ысокого газовыделения, пары трения должны обеспечивать работоспособность при давле-шях 10^-Ю'9 Па, температуре прогрева поверхностей до 450 °С, контактных давлениях до 1000 МПа, при потоках энергии до 106 Вт/см2. К механизмам предъявляются жесткие требо-1ания по плавности перемещения и погрешности позиционирования ±5 мкм), нарпЬотки т отказ - не менее 1000 часов, минимальной величине стоп-эффекта - вплоть до

покоя^/движ"" 1 •

В последнее время широкое распространение получили твердосмазочные покрытия на юнове дисульфида молибдена, обладающие высокими антифрикционными характеристика-ш в вакууме. Однако существует множество методов, формирующих различные покрытия [а основе МоБг с большим разбросом эксплуатационных свойств. Основную сложность при ыборе покрытия представляет необходимость удовлетворения противоречивым требованн-м, таким, например, как малая толщина и высокая долговечность, кроме того, помимо ука-анных, необходимо соблюдать требования по допустимым потокам газовыделения - < 10 5-0~12 м3 Па/с и отсутствию в спектре нежелательных сернистых и серо-углеродистых со?ди-чшй, требования по генерация частиц износа определяются допустимой дозой привнесен-ой дефектности пластин - 0,01 шт/см2 при критическом размере частиц > 0,2 мкм.

Анализ свойств покрытий на основе Мо8:, получаемых различными методами, показал, что наиболее полно удовлетворяют вышеназванным требованиям покрытия, состояние из МоЗг без связующих компонентов.

Как показал анализ, покрытие, получаемое ионно-плазменным нанесением (ИНН) имеет низкую интенсивность изнашивания (линейный износ - порядка 1СГ9), реализует в условиях высокого вакуума аномально низкий коэффг-'нент.треиия <0,01. Кроме того, выпол ценные Панфиловым Ю.В. и Медовщ; ком В.Ф. эксперименты показали, что по сравнению с покрытием "Длмолнт-4", получаемым термохимическим методом, такое покрытие не со--держит в спектре выделяемых газов сернистых соединений и сероводородов. А эксперименты Гусарова В.В. по исследованию продуктов износа, выделяемых подшипником качений определили более малые потоки ча гиц из подшипника с покрытием ИПН Мо32 в сравнений с покрытием, формируемым механическим нанесением МоЭ^ ч даже в сравнении с подшипником без покрытия.

• Таким образом, получаемое методом ИПН покрытие перспективно для использований в узлах трения ВТО. Однако, на сегодняшний день не реш 1Ы задачи формирования покрытия с заданными значениями потоков частиц износа, нет доведенной до промышленного использования технологии нанесения покрытия с требуемыми характеристиками, не разработана методика расчета параметров изнашивания пар трения с ТСП.

В топая глава посвящена исследованию особенностей процессов трения и изнашивания покрытий на основе слоистых гвердосмазочных материалов и разработке модели изнашивания тонкопленочного ТСП на основе МоБд в узлах и механизмах ВТО.

Анализ существующих моделей процесса трения показал, что имеющиеся математические модели для сухого трения и для трения поверхностей, разделенных прослойкой жидкой смазки не годятся для описания процессов трения слоистых материалов и не могут использоваться при расчете параметров износа твсрдосмазочных покрытий. ,

Современные исследования в области физики процессов, происходящих в слое твердо-смазочного материхпа при фрикционном взаимодействии позволили определить, что в процессе взаимного контактирования поверхности контртела и покрытия в материале последнего происходят изменения, влекущие за собой появление внутренних Напряжений (по данным электрониографическнх исследований). Бь ю также определено, что основной механизм изнашивания твердосмазочного покрытия состоит из следующих стадий: отсдоениь, "кйутчя" и отделения фрагментов покрытия. ■ .

Процесс трения тчердосмазочного материала характеризуется перемещением плоскостей скольжения (базовых плоскостей), имеющих малое усилие сдвига. При нанесении покрытия формируется структура, состоящая из кристаллитов, не ориентированных базовыми Плоскостями по направлению скольжения в паре трения. При трении происходит переориентация кристаллитов по направлению скольжения на участках фактического контакта (рис.1) (!, вследствие этого, накопление напряжений сжатия в покрытии (рис.2). Изнашивание участка покрытия определяется процессом отслаивания и "вспучивания" при достижении предельных значений внутренних напряжений на участке. Выдвинутая гипотеза о линейном характере процесса накопления напряжений позволила связать фактическое давление рг в контакте с возникающими в материале напряжениями.

Рис.1. Модель фрикционного контактирования микронеровности контртела с тонкопленочным ТСП: Vcr- скорость скольжения, <5 = АЛ, — A/tj.

Зй

I | | И | Рг

дуг

äh;

Работами Воронина H.A. показано, что для модели контакта цилиндра с двухслойным

полупространством при "мягком" поверхно- ¿X/. _

стном слое, что соответствует характеристи- гт^тК ^ 74 /ч-

кам слоя дисульфида молибдена, эпюра контактного давления незначительно отличается jt расчетной модели Г.Герца для контакта сС^ Зез покрытия. Учитывая это обстоятельство и талую толщину покрытия (1-5 мкм), вкладом

рнкой пленки дисульфида молибдена в про- рис.2. Схема накопления в покры-

iecc формирования фактических площадей и тин напряжений сжатия на участках

фактического контакта при передоения в котакте можно пренебречь. Та- ориентации кристаллитов: аг<а,;

:>1М образом, при расчете характеристик кон- Ah2 < Д/i,; d ^ > d ^.

акта могут использоваться зависимости, полученные Крагельским И.В. (на основании речения задачи Г.Герца) для расчетной модели контактирования-типа: идеально гладкая по-{рхность - шероховатая поверхность из набора полусфер.

При .построении математической модели процесса изнашивания был определен xie-ентарный акт износа, как отслоение и отрыв фрагмента покрытия толщиной Alt и ратме-

7

ром, соответствующим среднему диаметру фактического пятна контакта dy. Толщина

фрагмента определяется зависимостью, полученной БиЬ КР. для зоны с повышенной концентрацией дислокаций, по глубине, возникающей при трении. Отсланв-лие фрагмента наступает при достижении па участке предельных значений внутренних напряжений сжатия а;г. которые зависят от радиуса кривизны подложки с покрытием. Соотношение между фактическим давлением на контакте рг и предельными напряжениями сжатия, которые достигаются за счет линейного накопления напряжений при каждом воздействии н^ фрагмент покрытия контактного давления, определяет то количество воздействий, после которых произойдет разрушение участка покрытия.

Таким образом, математнчес >е выражение для расчета линейной интенсивности износа с учетом полной площади покрытия Аа, участвующей в фении и фактической площади контакта Л, имеет следующий вид:

А/1 Аг р,

(1)

С учетом выражений, входящих в (1) составляющих, уравнение для расчета линейной интенсивности износа имеет окончательный вид:

"12

аз

Рс

4/г(1-/;)(г0+/?/>Д

К г 2'

2-]п

А

>

2к»|

(2)

где рс - контурное давление; О - модуль сдвига; В - вектор Бюргерса; /л - коэффициент Пуассона; 10 - сдвиговое сопротивление при экстраполяции нормального давления к нулю; р -коэффициент упрочнения молекулярной связи твердосмазочного материала. Характеристики подложки: Я о - радиус волны макронеровности; г - радиус микронеровности; Ь - параметр кривой опорной поверхности; V • параметр степенной аппроксимации кривой опорной поверхности; ку - числовой коэффициент, зависящий от ц Д - комплексная характеристика шероховатости; в-упругая постоянная материала; .

Анали1 выражения (2) показивает. что значительное влияние на величину износа покрытия, а слодовагельпо, и на потл< частиц износа оказывает шероховатость подложки.

Д.чя подтверждения теоретических положений, определения вакуумных и фрикционных свонсч покрытия и дальнейшего практическою использования покрытия Необходим

|аучно-обоснованный выбор технологического маршрута и режимов нанесения, которые юзволили бы не только получать покрытие, но также использовать возможности вакуумных ехнологий для создания пар трения с заданными эксплуатационными характеристиками.

Третья глава посвящена разработке технологического маршрута и выбору режимов внесения твердосмазочного покрытия на основе дисульфн-з молибдена.

Для повышения достоверности и ускорения процесса выбо i рациональных режимов и (аршрута нанесения дисульфида молибдена из множества существующих вакуумных методе была разработана база данных (БД) "Вакуумные методы нанесения покрытий". Кои-ретная реализация БД строилась на основе системы управления базами данных (СУБД) Paradox" по разработанной Панфиловым Ю.В. и Ковалевым JI.K. классификации вакуум-[ых методов нанесения.

Получение необходимой выборки информации из базы для дальнейшей обработки и и ал и за осуществлялось исходя из следующих соображений:

) для обеспечения высокой адгезии покрытия к материалу основания энергия частиц осаж-;ающегося материала должна быть более 1 эВ; '

) метод должен обеспечивать нанесение диэлектрических материалов; ) температуры источника и подложки не должны превышать 400 "С, поскольку в остаточ-ой кислородсодержащей среде в M0S2 образуются оксидные фазы; .

) необходимо нанесение покрытия на детали относительно больших размеров для возмож-ости промышленного использования технологии при нанесении покрытия на элементы пар рения вакуумных механизмов.

Анализ полученной из базы данных информации определил в качестве преимушест-енного метода - магнетронное ВЧ-распыление. В качестве вакуумного метода, реадизую-jero окончательную очистку и активацию поверхности перед нанесением необходимо ис-ользовать нонно-лучезой источник с холодным катодом. Возможности ионно-лучевого равления поверхностей целесообразно также использовать для полировки поверхности и [нкрообработки.

Одним из недостатков рассмагрнваемого покрытия является малая толщина, поэтому ктуальна также задача повышения долговечности механизмов с таким покрытием. Для того в разработанный маршрут была впервые введена операция формирования икрокарманов (рис.З), в которых после нанесения покрытия содержится резерв онолнительной смазкн, подплывающий зону трения после износа основного слоя.

с,

Было установлено, что создаваемые мик-

рок 'р.маны обеспечивают также регулирование i

потока микрочастиц из пары прения за счет частичного накопления изнашиваемого мате- '''''-///'.'/У

риала и снятия напряжений в покрытии. Варьи- Рис.3. Микрокарманы для дополнитель-

рованис относительной площадью мнкрокар- ной смазки: 5по„ = ЬтВт-площадь поверхности покрытия в парс трения (¿„0б, маков позволяет регулировать величину потока ^ _ прогяжеииость и ширина повсрх.

частиц износа из пары зрения. ности), 50Т> = ^(яч^ /4) - суммарная -

Для практической реализации процесса площадь микрокарманов, глубина

_ , капманоа.

нанесения покрытия была разраоотана и осна- г

щона необходимым технологическим оборудованием вакуумная установка.

Важным преимуществом разработанной технологии нанесения покрытия с необходимыми вакуумными и фрикционными свойствами является проведение технологического процесса в едином вакуумном цикле, начиная с операций по микрообработке, финишной полировке, очистке, активации поверхности и заканчивая нанесением ТСП (рис.4).

Травление ' | Ионная очистка и по-микрокарманов , i лировка поверхности

Активация поверхности

Нанесение покрытия

Рис.4. Технологический маршрут формирования покрьпия.

При нанесении покрытия по разработанной технологии при следующих режимах: расстояние магнетрон-изделие - 60 мм, диаметр мишени дисульфида молибдена - 100 мм, плошость ВЧ мощности на мишени порядка 3 Вт/см2 была достигнута скорость нанесения покрытия 5-6 мкм/час, что в 4-5 раз превышает полученные ранее результаты.

Для оценки параметров предварительной обработки поверхности (ионно-лучевая полировка) использовались прсфнлограммы образцов, а характеристики покрытий оценивались с помощью электронной микроскопии.

Чстнсртая главр посвящена экспериментальным исследованиям процессов генерации

О

часта.; ишоса парами трения с твердосмазочными покрытиями и разработке методики регулирования эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей с ТСП.

Пмеющич'ся на сегодняшний день средства для исследования пар трения на износостойкость используют при оценке износа конечные значения контролируемых величин. Таким образом, качество покрытий и поверхностей пар трения определяется но интегральным

характеристикам процесса взноса: геометрическим (изменение толщины или размеров), ве-10

эвым (изменение массы) и временным (интервал времени, число циклов нагруження). При том представляет трудность исследование динамики процесса изнашивания материалов и :м более с исполыованием традиционных средств невозможно осуществить контроль за зменением малых величин износа, когда из зоны трения выделяются единичные частицы тзмером в микрометры. Поэтому для экспериментального подтверждения теоретических шисимостей и определения оптимальных значений шероховатости поверхности, при кото-ы\ из зоны трения выделяется минимхтьный поток микрочастиц, а также для исследования тикния относительной площади микрокарманов на поток частиц износа был разработан и :нашен специальным оборудованием оригинальный экспериментальный стенд.

Разработанный стенд может использоваться для исследования потоков частиц износа пмером от 1 до 100 мкм из пар трения вакуумных механизмов непосредственно в условиях жуума и в реальном масштабе времени.

Анализ разработанной моде-;1 показал, что на износ покрытия ючительное влияние оказывают драме.ры шероховатое 1 и контак-фующих поверхностен. Для оп-гделения зависимости потоков 1стиц износа из пары трения от ;ероховатости подложки с ТСП, злу чаемым ИГШ МоБг были про-:дены экспериментальные иссле-эвания, позволившие выявить шчення шероховатости, при коброй происходит существенное уменьшение износа покрытия (рис.5). В связи с этим необ-эдимо обеспечнтать шероховатость подложки с параметром А'а=0,5 мкм и менее, что опре-гляет более жесткие требования к поверхности в сравнении с покрытием "Димолит-4". ио-,'чаемым термохимическим методом, длл которого оптимальный параметр шероховатости >ставляет Да=0,75 мкм.

В результате проведенных экспериментов были получены распределения потоков чле-щ по размерам из покрытия получаемого ИПН дисульфида молибдена на иал пары трения юльжения типа "вал-втулка" при различных значениях относительной площади «икре-:льефа уа = (рнс.З) при у = 0 (рис.ба), ^„^0,15 (рис.66) и ="-0.3 (рис.бв). кото-

П

Рис.5. Экспсриментальш 1е зависимости потока частиц износа Лч. генерируемых парой трения от параметра шероховатости подложки Ла и размеров частиц </ч.

14,0

г з.о

!:о 1.0

0.0

Образец без микрорельефа

•4.0

Ю-:') 20-40 40 и более

Образец с микрорельефом = 0,15

:.о 1.4 2.2 X X X

1 3

1 т г

4.0

.О.

0.7

-ГИ.

1.0

П

10-20 20-40 с1ч, икн

40 и более б4

Образец с микрорельефом Уа * 0,3

Рис.6. Распределение потоков частиц износа Л'ч по размерам ¿/ч при различных значениях параметра микрорельефа уи.

рые показали, что с увеличением относительной площади .микрокарманов уа происходит уменьшение потоков частиц во всем диапазоне размеров.

В соответствии с разработанной моделью изнашивания "ГСП на примере пары трения типа "вал-втулка" были получены аналитические зависимости, отражающие влияние относительной площади микрокарманов уа на поток частиц износа из пары трения и интенсивность линейного износа покрытия.

Зависимость площади изношенной поверхности покрытия А^, от уа, которая в виде частиц износа выделится из пары трения "вал-втулка" с покрытием на валу за количество оборотов к вата, имеет следующий вид:

ЫйкСВ

N

яОЦ 1-у.),

N

г о

—О-г.Ж-л/гГ).

(3)

О

к, яО/.(1-у„)

где Л' - нагрузка на пару трения, О - диаметр вала, I. - длина сопряжения.

Следует отметить, что для точного отражения взаимосвязи процесса изнашивания покрытия с количество..» продуктов износа необходимо использовать именно эту характер«-

стику, поскольку отношение указанной площади износа покрытия к площади частицы среднего диаметра с1у, дающее значение потока частиц, не будет соответствовать экспериментальным данным вследствие дробления частиц в зоне трения.

Полученная зависимость интенсивности линейного изнашивания /Л от уи определяет влияние варьируемого фактора уа на долговечность покрытия и имеет вид:

Л'

Л =-

ав

4*(1-/|)

N

Я/)Ц 1-гД

лВЦ\-уа)Я„т0

2г

Я

г4к

(4)

N

-В

к, ЮЦ\-уо)

Проверкой по критерию Фишера была установлена адекватность полученных теоретических зависимостей (3) и (4) экспериментальным данным' при доверительной вероятности 95%.

Определенные экспериментально значения линейной интенсивности изнашивания составляют /к=1(Т10-1(г", что на один-два порядка лучше по сравнению с имеющимися на сегодняшний день достижениями.

Разработанные теоретические зависимости (3) и (4) составляют расчетную базу для определения характеристик пар трения с тонкопленочным ТСП, нанесенным иа поверхность трения с микрорельефом. Построенные по указанным зависимостям кривые представлены на рис.7 и отражают влияние относительной площади микрокарманов уа на поток частиц износа- А^ из.пары трения и линейную интенсивность изнашивания /Л. Данные кривые позволяют определить значения параметра при которых или поток частиц имеет допустимые значения А^, или достигается допустимая интенсивность износа соответствующая требуемой долговечности механизмов с ТСП. Таким образом, получен метод регулирования эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей с ТСП на основе \IoSj.

• И пятой главе представлена методика выбора покрытий для пар трения ВТО и проектирования пар трения с ТСП на основе ИПН МоБ: с заданными вакууг-'ымк и фрикцион-_

ными характеристиками (поток частиц износа и интенсивность изнашивания) путем варьи-

*

рования параметром у,.

Рассмотренное i> paóoie покрытие не охватывает всех областей использования в вакуумном технолот ическом оборуловании. а наиболее притодно лля применения в прецизионных механизмах и парах трения, используемых в условиях высоких температур (до 400°С), при жестких требованиях к газовыделению (поток - менее 10 8 м'Па/с и отсутствие сероуг-леродов и серосодержащих соединении) и потокам МДЧ (менее 1 шт/с). Для ускорения процесса выбора покрытий. используемых при дру гих условиях эксплуатации в ВТО. па основе анализа предмет ной области методов нанесения и покрытий на основе твердых смаюк была разработана автоматизированная экспертная система (АЭС) по технологиям нанесения и характеристикам ГСП. При выборе покрытия из базы данных АЭС следует проводить анализ задаваясь требуемыми эксплуатационными характеристиками, например, рабочей температурой, при которой используется покрытие, интенсивностью изнашивания и толщиной покрытия, ресурсом его работы, коэффициентом трения, нагрузочной способностью и другими.

В случае выбора покрытия, получаемого ИНН MoSi для создания механизмов с заданными эксплуатационными характеристиками необходимо определять параметр микрорельефа Ya исходя из следующих соображении:

1. При ограничении потока износа из пары трепня предельным значением по полученной для проектируемого механизма зависимости (3) (рис.7) определяется необходимое значение параметра Yo микрорельефа.

2. Для достижения требуемой долговечности покрытия (при оптимальной толщине до 1-3 мкм), ограничиваясь максимальным значением интенсивности изнашивания

по зависимости (4) определяется возможное значение параметра микрорельефа y* при котором мннимхтен поток частиц износа (рис.7).

Предложенная оригинальная операция формирования микрокарманов на поверхности трепня в едином вакуумном цикле с нанесением ТСП позволяет уменьшить поток изношен-м>;о покрытия из пары трения в 8-15 раз по сравнению с покрытием без микрокарманов, при незначительном увеличении интенсивности изошивання (в 2-3 раза).

Представленная в работе методика проектирования пар трения с ТСП и выбора технологических режимов нанесения покрытия могут использоваться при создании механизмов вакуумного техно югического оборудования кластерного типа, например установки "Оратория 3 -200". с допустимым потоком МДЧ. Кроме того, полученные теоретические и экспериментальные данные мотуг быть использованы ття регулирования потоков износа

при созданин пар трения с .юнкоплеиочнымн ГСП, используемых в таких эколог нчески чистых ггротводствах, как, например, медицинская промышленность, оборудование нанесения тонких пленок па предметы бьпа (тонированные стекла, художественные гплелич и др.).

1'ис.7. Теоретические зависимости площади продуктов износа .-(„,„, выделяющихся из пары трения и линейной интенсивности изнашивания Л, в зависимости 01 относительной плошали мнкрокарманоя ма поверхности покрытия

Оаюпнис выш 1.7ы:

Анализ тенденций развития современного вакуумного технологического оборудования выявил, что для повышения качества выпускаемой на этом оборудовании ироду мши необходимо учитывать потоки частиц износа из механизмов с туердосмазочнычи покрытиями, работающих в вакууме.

Анализ методов нанесения и характеристик твердосмазочных покрытий позволил рекомендовать, - как наиболее перспективное, - покрытие на основе \foSj, получаемое вакуумным нонно-плазменным нанесением на поверхности нар трения.

Для повышения достоверности и ускорения выбора параметров технологического оборудования и режимов нанесения ТСГ1 рекомендуется использовать соч иную бачу данных "Вакуумные методы нанесения покрытий".

Дня выбора наиболее рациональных режимов нанесения и параметров пар трения рекомендуется использовать впервые разработанную модель изнашивания тинкопленочного

10

ТСП. Установлено, что параметр шероховатости Ra подложки, для покрытия, формируемого ионио-плазменным нанесением M0S2 должен составлять не более 0,5 мкм.

5. Для определения вакуумных и фрикционных характеристик механизмов вакуумного технологического оборудования рекомендуется использовать оригинальный стенд, оснащенный средствами измерения потока частиц износа из механизмов, работающих в вакууме.

6. Для варьиров '.пня параметрами износа (интенсивностью изнашивания и потоком частиц) пар трения рекомендуется использовать оригинальную операцию формирования микрорельефа на поверхности трения с помощью автономного источника ионов. Рекомендуемый диапазон значений относительной площади микрорельефа - уа =0,3-0,5.

7. Узлы трения с ИГ1Н M0S2 рекомендуется использовать в многокамерных (кластерных) установках типа "Оратория 36-200", а при выборе покрытия для других условий эксплуатации может использоваться автоматизированная экспертная система rio технологиям нанесения и характеристикам ТСГ1.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Панфилов Ю.В., Беликов А.И. Использование технологических методов формирования тонкопленочиых покрытий изделий электронной техники в общем машиностроении // Тонкие пленки в электронике: Материалы VI Международного Симпозиума. - М., 1995. -С.74-78. • .

2. Панфилов Ю.В., Беликов А.И. Систематизация методов нанесения тонких пленок в вакууме // Тонкие пленки в электронике: Материалы VIII Международного Симпозиума. -Харьков, 1997,-С.388-392.

3. Панфилов Ю.В., Беликов А.И. Вакуумные методы формирования покрытий для прецизионных пар трения // Высокие технологии в промышленности России: Материалы 2-й

-у.

Российской конференции. - М., 1997. - С.25-31.

Панфилов Ю.В., Беликов А.И. Расчет допустимой дозы привносимой дефектности интегральных микросхем и выбор класса чист^уы производственного помещения: Учеб. пособия по курсу '"Основы расчета и конструирования вакуумного технологического оборудования". - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана., 1998. - 24 с.