Przygotowywanie powierzchni.
Aby uzyskać odpowiednią czystość podłoża przed naniesieniem warstwy przygotowuje się powierzchnię:
chemicznie, oczyszczanie zgrubne aby pozbyć się wszelkich tłuszczów, zanieczyszczeń, tlenków czy korozji.
jonowe, stosuje się przed samym procesem nanoszenia powłok, powoduje bardzo dobre oczyszczanie, aktywację i podgrzanie do założonej temperatury [2,3].
Etapy powstawania powłok
Większość powłok powstaje w prostych etapach:
na początku uzyskane są pary nanoszonego materiału,
kolejno następuje transport par na podłoże,
końcowym etapem jest kondensacja par na podłożu oraz wzrost warstwy z zaabsorbowanych cząstek.
Nanoszenie par materiału może się odbywać poprzez rozpylanie, napylanie, platerowanie jonowe [2,3].
Warunki osadzania
Warunki w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej mają istotny wpływ. Zatem zmiana parametrów ma znaczący skutek na postać powłok. Podstawowe parametry to:
temperatura podłoża,
ciśnienie,
energia jonów bombardujących [2,3].
Podział powłok
Uzyskane powłoki możemy podzielić na dwie grupy [2]:
proste, inaczej jednowarstwowe
złożone, które stanowią więcej niż jeden materiał i one jeszcze dzielą się na:
wieloskładnikowe, podsieć danego pierwiastka jest w części wypełniona drugim,
wielowarstwowe, powstają w wyniku nakładania na siebie kolejno różnych warstw,
wielofazowe, stanowią one mieszaninę różnych faz i mają dużą odporność na zużycie ścierne,
gradientowe, odmiana wielowarstwowych powłok różniących się własnościami warstw pojedynczych i składem chemicznym,
kompozytowe, jest to mieszanina, dana faza jest dyspersyjnie rozproszona w drugiej,
metastabilne, skupiają w sobie różne właściwości materiałów metalicznych z kowalencyjnymi, powstają w skutek syntezy faz nierównowagowych.
Istnieje także podział PVD na [2,3]:
• pierwszej generacji,
• drugiej generacji,
• trzeciej generacji.
Czynniki wpływające na skład i własności powłok
Skład i własności powłok zależą od czynników takich jak [2]:
szybkość rozpylania,
odległość między materiałem, a podłożem,
ciśnienie argonu i gazu reaktywnego,
gęstość rozpylanych atomów,
stopień jonizacji gazu.
W wyniku licznych procesów, metody PVD różnią się [2,3]:
umiejscowieniem sfery otrzymania i jonizacji par,
technologią otrzymywania par osadzanych metali i związków (odparowywanie, sublimacja, rozpylanie katodowe lub anodowe),
metodyką nanoszenia par.
W wyniku zbieżności nanoszenia powłok dzieli się je jeszcze na dwie grupy [2,3]:
techniki klasycznego nanoszenia. Nanoszenie występuje w próżni lub w atmosferze gazu niezjonizowanego na czystej i zimnej powierzchni. Proces zazwyczaj przebiega powolnie. Pary metali nie mogą wybić atomów z podłoża, ponieważ posiadają niską energię i dlatego osiadają na niej. W związku z tym powłoki mają małą gęstość, nieznaczną adhezję i znaczącą ilość zanieczyszczeń.
techniki jonowego nanoszenia próżniowego, zachodzą na czystym, zimnym, a także podgrzanym podłożu. Zawiera ona wiele technik, które nazywamy platerowaniem jonowym.
Proces fizycznego osadzania z fazy gazowej często stosowany do ulepszania i żywotności narzędzi. Efektywnym sposobem zwiększenia trwałości narzędzi jest nanoszenie powłok na ostrza i skutkiem tego jest [3]:
bardzo duża odporność na ścieranie oraz wysoka twardość powierzchni roboczych narzędzi,
zmniejszenie liczby awarii narzędzi,
poprawienie właściwości tribologicznych zatem zmniejszenie współczynnika tarcia,
poprawa jakości powierzchni obrabialnej,
możliwość zwiększenia parametrów skrawania,
poprawę jakości produktów.
Proces fizycznego osadzania z fazy gazowej to rozległe i różnorodne procesy.
W większości technik PVD nanoszona powłoka powstaje ze zjonizowanej plazmy, która jest kierowana poprzez wyładowanie elektryczne na dane podłoże. Zdarza się, że techniki nanoszenia z plazmy posiadają miano nanoszenia lub pokrywania jonowego wspomaganego plazmą PAPVD lub, które wykorzystują jony IAPVD. PAPVD w odróżnieniu od techniki PVD coraz częściej stosuje się do nanoszenia cienkich powłok. W tej technice jest większa energia kinetyczna cząsteczek w komorze, co skutkuje lepszą adhezją miedzy powłoką, a podłożem. Znacząca jest też duża energia plazmy wpływająca na dobre oczyszczanie powierzchni, na którą chcemy nanieść materiał. PAPVD jest procesem nierównowagowym, w którym ważnym czynnikiem podczas krystalizacji jest plazma. Użycie bombardowania krystalizującej powłoki w niskotemperaturowych procesach w zakresie energii 1 eV – 1 keV skutkuje wzrostem ruchliwości zaadsorbowanych atomów. Umożliwia także aktywowanie reakcji chemicznych poprzez doprowadzenie energii. Uznaje się, że gęstość prądu jonowego odpowiada strumieniowi jonów, a szybkość nanoszenia powłok jest proporcjonalna do strumienia kondensujących atomów [2,3].
Metody PVD
Używane są różnorakie metody PVD nanoszenia na narzędzia i dzielą się na [3]:
ARE- aktywowane reaktywnie naparowanie przy użyciu działa elektronowego wysokonapięciowego, celem odparowania materiału. Źródłem par oraz elektronów jest roztopione lustro.
BARE- aktywowane reaktywnie naparowanie przy użyciu działa elektronowego z ujemną polaryzacja podłoża. Jest to ulepszenie metody ARE. Różnicą jest zastosowanie ujemnej polaryzacji podłoża. Skutkiem tego jest polepszenie przyczepności powłok. Zastosowano dodatkowo tutaj jonizujące elektrody dodatnie.
CAD- katodowe odparowanie łukowe lub też CAE- katodowe naparowanie łukowe
RMS- reaktywne rozpylanie magnetronowe
ICB- reaktywne nanoszenie ze zjonizowanych klastrów. Polega na prowadzeniu wcześniej zjonizowanych klastrów na podłoże z prędkością ponaddźwiękową.
RIP- reaktywne napylanie jonowe. Bazuje na stopieniu i odparowaniu metali za pomocą wysokonapięciowego działa elektronowego.
PPM- odparowanie metalu następuje impulsowo plazmowo
HHCD- aktywowane odparowanie gorącą katodą wnękową
Wiele wymaga się od tak utworzonych powłok metodą PVD. Przyczepność powłok jest bardzo ważna i jeśli jest ona nieodpowiednia to całe pokrycie jest niewłaściwe i nie spełnia oczekiwań. Natomiast mikrostruktura, obciążenia zewnętrzne, a także środowisko zewnętrzne wpływają na adhezję. W wyniku adhezji dwie powierzchnie przylegają do siebie dzięki oddziaływaniom walencyjnym, a także połączeniom mechanicznym. Adhezja zależna jest także od czystości i należnego przygotowania podłoża przed procesem nakładania. Często też pojawia się tutaj dyfuzja.
Literatura
[2] Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo : materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002
[3] Dobrzański L.A., Dobrzańska-Danikiewicz A.D., Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich, Open Access Library Volume 5, 2011