Осаждение углеродных и алмазоподобных пленок при помощи плазменных струй тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

УДК 681.7:068 На правах рукописи

ЦЫГАНОВ Дмитрий Леонидович

ОСАЖДЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ И АЛМАЗОПО-ДОБНЫХ ПЛЕНОК ПРИ ПОМОЩИ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЙ

01.04.14 —Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Учреждения образования "Брестский государственный технический университет"

Наччный руководитель: доктор технических наук, профессор, Сазонов Михаил Иванович_

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор.

Кч.пшов Владимир Владимирович

- доктор технических наук, профессор. Лесневский Леонид Николаевич_

Ведчлая организация: Институт Высоких Технологий Экспериментального Машиностроения Р1Ш Курчатовский Институт

Защита состоится "_"_2005г. в_часов на заседании Диссертационного Совета Л 212.125.08 в Московском авиационном институте (гос\ дарственном техническом университете) по адресу: 125993. г. Москва. Волоколамское ш.. 4

С диссертацией можно познакомится в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан "_"_

Ученый секретарь

Диссертационного Совета, доцент, к.т.н

2005г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время проблемы повышения надежности отдельных деталей механизмов, машин и износостойкости рабочего инструмента приобрели большое значение. Это связано с тем, что стоимость сырья и материалов специального назначения, необходимых для создания деталей механизмов и машин с высоким ресурсом работы, достаточно высокая. Энергоемкие технологические процессы обработки деталей требуют создания технологий, позволяющих повысить износостойкость рабочего инструмента.

Поэтому, проблемы создания эффективных технологий упрочнения рабочих поверхностей деталей механизмов, машин и повышения износостойкости рабочего инструмента, являются актуальными. Отметим, что подобные технологии упрочнения входят в число приоритетных высоких технологий государственного уровня, т.к. формирование поверхности с новыми свойствами позволяет существенно повысить качество и долговечность деталей. Например, в Германии изготовляется и используется режущий инструмент с износостойким покрытием, причем доля такого инструмента на рынке обрабатывающего инструмента составляет около 90% и постоянно растет.

В настоящее время наряду с традиционными способами упрочнения рабочих поверхностей находят все большее применение способы нанесения на рабочие поверхности углеродных, алмазоподобных или алмазных пленок (АПП и АП).

Как известно, такие пленки обладают уникальными свойствами, которые характеризуются низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью и износостойкостью рабочих поверхностей деталей механизмов и машин и инструмента. Кроме высокой твердости, алмазоподобные пленки имеют высокую теплопроводность и обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

В настоящее время существует ряд методов получения и осаждения углеродных и алмазоподобных пленок. Одним из наиболее эффективных является метод осаждения пленок из газовой фазы при пониженном давлении способом химического осаждения (СУЭ). Наиболее перспективными для практического использования является СУЭ метод с использованием плазменной струи, генерируемой плазмотроном. Применение плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) позволяет достигать заданной мощности при умеренных токах, и благодаря этому варьировать характеристики струи в широких пределах.

Актуальность работы подтверждается вовлечением ее в тематические планы ГНТП по направлению "Алмазы", государственной программой "Плазмодинамика" и фантом Министерства образования республики Беларусь по теме диссертации.

Целью работы является разработка методики процесса осаждения алмазоподобной пленки на плазматронах с МЭВ и разработка технологиче-

ского процесса осаждения АПП на поверхности. В соответствии с этой формулировкой определяется общая научная задача: в экспериментально-теоретическом плане - разработка научно-обоснованных положений, обеспечивающих оптимизацию взаимосвязанных положений тепловых и аэродинамических режимов осаждения АПП и разработка специализированного плазмотрона с МЭВ для осаждения АПП: п экспериментально-прикладном плане - создание на основе полученных результатов технологического процесса осаждения АПП и реализация наукоемких плазменных технологий, установление особенноеги изнашивания АПП на твердосплавных пластинках типа TI5K6.

Объект и предмет исследования. Износостойкие покрытия рабочих поверхностей режущего инструмента на основе АПП; физико-механические (твердость, модуль упругости) и триботехнические (коэффициент трения, износостойкость) характеристики покрытий различной конструкции, их морфология и химический состав, плазмотрон.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод получения алмазоподобной пленки на высокоэнтальпийном плазмотроне (ПА-19В) постоянного тока с межэлектродными вставками (МЭВ):

2. Результаты экспериментальных исследований по осаждению алма-зоподобных и углеродных пленок при помощи высокоэнтальпийного плазмотрона постоянного тока с МЭВ. Наилучшая АПП получена при степени ионизации плазмы около 25%. температуры подложке 800-1200оС.;

3. Конструкция высокоэнтальпийного плазмотрона с межэлектрод-пыми вставками с тепловым КПД до 0.8. Для плазмотрона: экспериментально определены тепловые потери и вольтамперные характеристики; был рассчитан тепловой КПД. среднемассовая температура и средняя степень ионизации. Выла разработана конструкторская документация;

4. Рекомендации по выбору режимов осаждения в виде технологической инструкции и технологического процесса при осаждении АПП на режущий инструмеш. а также по рекомендации по выбору режимов для точения и фрезерования для режущего инструмента, оснащенного твердосплавными пластинками типа Т15К6, которые покрыты АПП.

Научная значимость и новизна. В результате проведенных исследований БрГТУ впервые на территории СНГ удалось получить алмазоподобные пленки при помощи плазменной струи методом химического осаждения (CVD) с использованием высокоэнтальпийного плазмотрона с МЭВ. Проведенное исследование свойств полученных пленок методами КРС, Оже-спектроскопии и др. показали, что пленки относятся к типу а-С.

Проведены исследования для выяснения связи факторов технологического процесса напыления с твердостью покрытия, с величиной коэффициента трения, износостойкостью. Показано также, что увеличение энергии осаждающихся частиц оказывает положительное влияние на качество реализующегося покрытия.

• , 4,1.i 1 ♦ t i <

* «Я» СП '

Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, обеспечивающих существенное повышение износостойкости режущего инструмента в 4-8 раз.

Практическая и экономическая значимое!ь полученных результатов Разработана методика нанесения АПП на режущий инструмент. Упрочненные пластинки для режущего инструмента методом CVD на нлазменно-вакуумной установке ВПУ-2 успешно прошли исиьиания на РУМП «Куз-литмаш» (г. Пипск), ОАО "Березовский могороремошиый завол " (i. Береза) и ОАО "Металлист" (г. Брест).

Произведена модернизация плазменно-вакуумной установки ВПУ-2 Увеличена надежность ее работы при осаждении алмазоподобных пленок методом CVD.

Расчет экономического эффекта при напылении АПП на плаепшки для режущего инструмента составил 100-200% от стоимости режущей пластинки или в ценовом исчислении 2-3$ на одну пластинку или при средней потребности одного небольшого предприятия типа РУМП «К\ мшмаш» 8000 шт. - 22420$.

Был отработан технологический режим осаждения алмазоподобныч пленок в зависимости от режимов работы плазмотрона и состава решенюв

Личный вклад соискателя. Авюр принимал непосредс1 венное \частив в постановке задачи исследования, в проведении экспериментов, в анализе экспериментальных результатов, подютовке рукописей публикаций, в проведении работ по выпуску опытных партий изделий, в создании опьпно-конструкторской документации и технологического процесса осаждения АПП.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований были представлены на следующих научно-тсхиическич конференциях, ассамблеях и симпозиумах: "Материалы и технологии - 2000" (Гомель. 2000), "Теоретические и технологические основы упрочнения и восстанов ie-ния изделий машиностроения" (Новополоцк, 2001), "Фуллерены и фу пере-ноподобные структуры в конденсированных средах" (Минск, 2002), "Уие-род: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технолог ни" (Москва, 2002 и 2003), Харьковская научная ассамблея (Харьков. 2003).

Опубликованность результатов. По результатам исследований, проставленных в диссертации, опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 статьи в научных рецензируемых журналах, 3 статьи в научно-технических сборниках, 5 тезисов докладов на конференциях. 5 заключительных отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. 4-ех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 105 стр., из которых 7 сtp. занимай список используемых литературных источников, включающие 59 наименований, из 78 рисунка. 19 таблицы и 55 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение приводится общая характеристика работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ литературных данных по: методам напыления алмазной и алмазоподобной пленки; технологиям, по которым можно реализовать данные методы и их технико-экономические показатели.

Проведенный обзор имеющихся в литературе сведений по вопросам нанесения осаждения АПГ1 и традиционных покрытий позволил сделать следующие выводы:

1) нанесение функциональных покрытий является одним из наиболее эффективных путей формирования поверхности, которые удовлетворяют требованиям современного машиностроения.

2) первым условием при выборе технологии, которая обеспечивает эффективную работу изделия, является максимально высокая твердость материала покрытия. Вторым условием для пленки является хорошее сцепление ею с материалом основы. Третьим условием применимости любой технологии при обработке изделий должна быть не очень высокая требовательность к предварительной подготовке поверхности перед напылением АПП.

3) Наиболее распространено получение АПП методом химического па-рофазного осаждения (СУО-метод). Методом химического осаждения осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, в которой содержится компоненты получаемой АПП пленки - углерод, водород,...

4) Широкого практического использования пленок, следует ожидать, только если СУЭ-технология выйдет на более высокий качественный уровень, который сможет обеспечить следующие условия осаждения:

• скорость роста покрытия > 100 мкм/ч;

• температура иодложки <500°С;

• площадь подложки, на которой равномерно осаждается пленка, должна быть > 10 см2;

• формирование высококачественных пленок, не содержащих загрязнений от материала стенок реактора, электродов и т.д.

5) В силу недостаточной практической разработанности методов с использованием ВЧ - плазмы и неудовлетворительных для практического применения технико-экономических показателей метода с использованием СВЧ - плазмы, метод с использованием плазменной струи, генерируемой плазмотроном, является наиболее перспективным для получения АПП.

Исходя из сделанных выводов, был определен круг задач, решение которых и составляет дальнейшее содержание диссертационной работы.

Во второй главе диссертации приводятся основные показатели оборудования для нанесения АПП - пламенно-вакуумной установки ВПУ-2 (и ее

более совершенного аналога ВПУ-2М (см. рисунок 2.1 и таблицу 2.1)). Привидятся расчеты теплового КПД плазмотрона, напряженности электрического поля вдоль дуги, степени ионизации плазмы, .... Разработана конструкторская документация на плазмотрон.

Основными узлами установки являются высокоэнтальпийный плазмотрон постоянного тока с МЭВ, водоохлаждаемый подложкодержатель. источник электропитания плазмотрона, устройство автоматического поджига дуги в плазмотроне, вакуумная камера, система контроля и измерения давления в вакуумной камере, в откачном посту и вакуумной магистрали, система подачи и контроля расхода газов - аргона, водорода, метана и т.д.

—, I

нго-

Аг

& —Аг.Н ¡•Ч —сн .си. — сих II

Рисунок 2.1. Общий вид установки ВПУ-2М

н .сн.

11 о

Рисунок 2 2 Схема \становки ВПУ-2М 1 - плазмотрон с межэлектродной вставкой, 2 - химический реактор, 3 - кольцо для подачи газов в реактор. 4 -подложка, 5 - водоохлаждаемый подложкодержатель, 6 - термопара, 7 -откачной пост

Плазмотрон 1 установлен на реакторе 2 (рисунок 2.2). Химические реагенты (Н2, С2Н2, СН4) могут инжектироваться в плазменную струю как через отверстия в кольцевой трубке 3, так и через секции в разрядную камеру плазмотрона. Площадь осаждения пленки может изменяться как изменением расстояния Ь между плазмотроном и подложкой 4, так и изменением конфигурации выходного канала анода-сопла. Температура подложки может регулироваться как расходом воды, так и мощностью плазмотрона. Контроль температуры осуществляется термопарой 6.

Температура подложки регулируется различными способами: воздействием плазменной струей путем изменения мощности плазмотрона и его расстояния до подложки; интенсивностью охлаждения подложки, изменением толщины столика под подложкой и выбором различных материалов столика.

Наиболее эффективным является комбинированный метод: изменение мощности плазмотрона, расстояния и принудительное охлаждение подложки.

Плазмотрон, принципиальная схема которого приведена на рисунке 2.3., состоит из внутреннего стержневого электрода - катода 1, выходного электрода - анода 2, между которыми устанавливается секционированная межэлектродная вставка (МЭВ). МЭВ набраны из интенсивно охлаждаемых водой электрически изолированных друг от друга медных секций. Диаметр электроразрядной камеры и сопла плазмотрона может составлять 4; 6; 8 или 10 мм. Число секций МЭВ может, изменяется (от 3 до 24). Это позволяет заранее определить необходимую эксплуатационную мощность плазмотрона.

70Г

.5(?г 0,^.2 ив

• ••

Рисунок 2 3 Принципиальная схема плазмотрона с МЭВ 1 - катод, 2 - анод, 3 - секции МЭВ, 4 - дуга, 5 - изолятор, 6 - кольцо закрутки потока рабочего газа, 7 - соленоид, С„ - основная подача газа, О, - дополнительная подача газа для организации газовой завесы стенок разрядной камеры

40 60 80 1,А 100

Рисунок 2.4. Вольтамперные характеристики душ в плазмотроне с МЭВ при различных расходах аргона 0: 1)-10,2л/мин, 2)-15,5л/мин; 3)-20,0л/мин.

(1=6 мм, Рк=(6 Па, Ь=40мм

7) 10 Па, Рс=(2 .4)-10"

Для обеспечения стабильного горения дуги на оси электроразрядной камеры и исключения шунтирования дуги в канале плазмотрона толщина секций выбирается такой, чтобы падение потенциала на участке дуги внутри секции не превышало суммарную величину анодного и катодного падения потенциала вдоль дуги.

Третья глава посвящена отработке процесса осаждения алмазоподобных пленок.

Для исследования структуры и примесного состава углеродных пленок использовались методы рентгеноструктурного анализа, которые получили наибольшее распространение: Оже-электронной спектроскопии; ИК-спектроскопии; спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС). Образцы для исследования готовились в виде пластин размерами 10x10 мм. Спектры КРС регистрировались на двухлучевом спектрометре комбинационного рассеяния 8РЕХ-1405 при возбуждении аргоновым лазером с длинами волн Х=488 и 514,5 нм. Рент-геноструктурный анализ проводился с использованием диффрактометров

ДР0Н2М и ДРОНЗ. Оже-электронные спектры регистрировались на сканирующем Оже-микрозонде РН1-660 фирмы Регкш-Е1шег (США). Спектры ИК-поглощения регистрировались на двухлучевом спектрометре Зресогс! 1Я75.

Таблица 3 1

Техническая характеристика вакуумно-плазменной установки ВПУ-2М

№ Параметры, характеристики Величина

1 Давление в камере при общем натекании газа 40 л/мин. Па (1 -9)-102

2* Расход аргона в основную камеру, л/мин 5-20

3' Расход аргона для поддува между секциями, л/мин 2-10

4" Расход водорода, л/мин 1-8

5' Расход метана в зазор между секциями, л/мин 0.2-2

6 Расход воды на охлаждение, л/мин

катода 1,0

на каждой секции 0,5

анода 3,0

7 Расход воды на охлаждение установки, л/мин 14

8 Скорость осаждения пленки, мкм/час 30-50

9 Род тока дуги постоянный

10 Ток дуги, А 50-320

11 Напряжение дуги, В 90-190

12 Рабочий газ аргон

13 Размеры вакуумной камеры:

диаметр, мм 700

высота, мм 700

14 Средний уровень звуков, дБа, не более 80

15 Среднеквадратичные значения виброскорости в октавных поло-

сах частот 16-63 Гц по общей вибрации, м/с, не более 20

16 Средняя наработка на отказ, час, не менее 320

17 Среднее время восстановления, час, не более 3

18 Средний срок службы, лет, не менее 8

19 Мощность, потребляемая вакуумной установкой, кВт, не более 65

21 Общая площадь, занимаемая вакуумной установкой, м2, не более 20

22 Высота вакуумной установки, мм 2050

Примечание' *расход газов укашн при давлении Ю'Па

Был проведен ряд экспериментов. На первой стадии отработки технологии плазмохимического осаждения проведено три серии экспериментов по осаждению пленок. В первой серии реагентом служил природный газ, основой- которого является метан (СН4). Было использовано два типа подложек -кремний и молибден. Во второй серии пленки наносились на молибденовые подложки. Были использованы различные типы реагентов - метан, метиловый спирт (СНзОН), ■этиловый спирт (С2НяОН) и ацетон (СН3СОСН3). В третьей серии реагентом служил метан и дополнительно в плазматрон подавался водород. В качестве подложки использовался молибден.

Наиболее показательные спектры КРС пленок первой серии приведены на рисунках 3.1. 3.2. Различия в структуре пленок, нанесенных на кремниевые и молибденовые подложки, обнаружено не было. Спектры КРС пленок обоих типов характеризуются наличием двух более или менее выраженных линий, расположенных вблизи 1350 и 1585 см'1. Наиболее вероятной структурой таких пленок является структура мелкодисперсного графита с высокой концентрацией дефектов.

''im

«

*

i

Н I

S-"" * >1 Л

И " Г *

х-

1 КМ' i:m I iiiu 1411" ИОН IMHI ПК1 I Hill i;iki 15WI 14(1(1 IMIII U,IH) Poll

Сдвиг частот камбинтщпнипгп рассеяния, с «"' Сдвиг частот комбинационного рассеяния, си'

Рисунок 3 1 Спектры КРС (подложка Рисунок 3 2 Спектры КРС подложка кремневая) в центральной (с) периферий- (молибденовая) в центральной (с) периной (р) области ферийной (р) области

Примеры результатов исследования примесного состава пленок первой серии методом Оже-электронной спектроскопии приведен в таблице 3.1. Основными примесями в исследованных покрытиях являются кислород, медь и вольфрам. В периферийной части пятна нагружения отмечается присутствие примеси железа (до 2 ат. %). Источниками меди, вольфрама и железа являются конструкционные элементы плазмотрона. Примесь меди распределена равномерно по площади пятна нагружения. Концентрации вольфрама и железа в периферийной области существенно выше, чем в центре. Примесь кислорода (до 35 ат % в периферийной части пятна нагружения) может быть связана с низкой степенью очистки используемых газов (метан и аргон) или с недостаточно высоким исходным вакуумом.

Пример спектров КРС пленок второй серии приведены на рисунке 3.2. Для большинства пленок спектры характеризуются наличием тех же двух линий, расположенных вблизи 1350 и 1585 см'1, что и для пленок первой серии. Этот факт говорит о схожести их структуры. Для пленок, осаждаемых из паров спиртов, и в случаях низкой скорости подачи реагента сигнал от какой-либо модификации углерода зафиксирован не был. Этот результат, по-видимому, связан с низкой толщиной получаемых покрытий.

Результаты исследования примесного состава пленок второй серии методом Оже-электронной спектроскопии показали, что от пленок первой серии они отличаются наличием примеси азота (1.5 - 4 ат %) и более выраженным проявлением для некоторых пленок примесей Na (до 4 ат.%) и Ca (до 2 ат.%).

Для большинства пленок этой серии в Оже-электронных спектрах, полученных с глубины 10-20 нм, регистрируется сигнал карбидной фазы. Изучаемая пленка имела толщину порядка 120 нм. На поверхности располагается слой аморфного углерода толщиной ~ 25 нм. Под ним - слой оксида и карбида молибдена толщиной до 100 нм. Такая картина является следствием высокой температуры подложки в ходе эксперимента. Сопоставление общего содержания углерода в пленке с расходом углеродосодержащего реагента говорит о достаточно низком коэффициенте захвата 10'5) атомов углерода растущим покрытием. Причиной этого являться низкая степень возбуждения плазмы.

Таблица 3.1.

Результаты количественного Оже-электронного анализа примесного состава

Образец Концентрация элемента, ат. %

С О Fe Си W

Пленка №1.1. (центральная область) 77,82 13,28 - 5,69 3,21

Пленка №1.1. (периферийная область) 44,16 35,10 2,19 6,57 11,98

Примеры исследования структуры и примесного состава пленок третьей серии приведены на рисунке 3.4. Структура полученных пленок близка к структуре пленок первой и второй серий. Влияние водорода как травителя "неалмазного" углерода не проявилось. Примесный состав пленок в целом не изменился. Данная серия эксперимента, показали, что при использовании в качестве реагента метилового спирта (СН3ОН), этилового спирта (С2Н5ОН) и ацетона (СН3СОСН3) в спектрах исследуемых плёнок наблюдается значительное число примесей СЫ, Ог, Си и т.д.). Поэтому в дальнейших экспериментах в качестве реагента был выбран метан (СН4) и ацетилен (С2Н2).

На следующем этапе отработки технологии были проведены исследования также 3 серий пленок. В ходе первой серии экспериментов была исследована зависимость структуры углеродных покрытий, получаемых из смеси ацетилен - водород на молибденовой подложке, от расстояния сопла плазмотрона - мишень. Наиболее типичные результаты исследований приведены на рисунках 3.5, 3.6, 3.7. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. При малых расстояниях до подложки (расстояние до подложки 140...160 мм) в центральной части пятна нагружения пленка практически отсутствует (рисунок 3.5). В периферийной части формируется достаточно толстый слой, представляющий собой смесь карбидной фазы и мелкодисперсного графита. Наблюдаемая картина, по-видимому, является результатом слишком высокой скорости плазменной струи. Углеводородные радикалы отражаются от поверхности, не успев вступить во взаимодействие с подложкой. Осаждение пленки происходит в более холодной периферийной области, где вероятнее образование графитовой фазы.

500 f400

1.100 8

|2oo 1100 0

*

| «Ю I 250

I 200

150 KM)

-i

II(И) 12(Ю 1300 1400 1500 1600 1700 Сдеиг частот комбинационного рассеяния, см Рисунок 3.3. Спектр К PC в центральной (с) периферийной (р) области

II00120013(H) 14(H) 15(H) I (.00 17(H)

-1

Сденг частот комбинационного рассеяния, см

Рисунок 3.4. Спектр КРС в центральной области

При средних расстояниях до подложки (расстояние - 170...240мм) покрытие равномерно (рисунок 3.6). Структура покрытия - карбид молибдена, покрытый тонкой пленкой аморфного углерода. Толщина покрытия достигает 2 мкм. С увеличением расстояния толщина покрытия уменьшается, и в периферийной части начинается образование графитовой фазы.

При больших расстояниях от подложки (расстояние более 240 мм) наблюдается образование толстого слоя мелкодисперсного графита (рисунок 3.7). Таким образом, оптимальным, с точки зрения разогрева подложки и равномерности осаждения покрытий, является расстояние сопло плазмотрона - мишень ~ 200 мм.

Во 2-ей серии экспериментов расход газа-носителя (аргон) был снижен в 1,5-2 раза при неизменном расходе газа-реагента (ацетилен). Проведенные оценки показали, что в результате снижения расхода газа, степень ионизации плазмы возросла в 2-3 раза.

«25(H)

J2(KK) |

¡15(H) МНЮ 5(H)

1200 1300 1400 15(H) IA00 1700 Сбеиг частот комбинационного рассеяния, см''

Рисунок 3.5. Спектр КРС 1- центральная область; 2 - периферийная область.

120(1 1300 1400 1500 1Д00 1700 Сдеиг частот комбинационного рассеяния, см"*

Рисунок 3.6. Спектры КРС 1 - центральная область; 2 - периферийная область.

Спектры КРС большинства исследованных пленок содержат две широкие линии с максимумами вблизи 1350 и 1580 см"1, которые характерны для типа а-С.

Для отдельных пленок (при выборе объектов принимались во внимание толщина и равномерность пленки, а также отсутствие сажи на поверхности покрытия) был проведен рентгено-структурный анализ. Рентгеновские спектры всех исследованных образцов характеризуются сильным диффузным рассеиванием в интервале <ШКЬ=3.5...2.0 А. Сильное рассеивание рентгеновских лучей обусловлено аморфной структурой покрытий. На рентгенограммах четко проявляется дифракционные линии 81 (400) (в качестве подложки были использованы пластины кремния с ориентацией (100)) и а-БЮ. Кроме того, наблюдается ряд слабых размытых дифракционных линий, принадлежащих различным модификациям углерода как ер2 так и ер3 -гибридизацией, что подтверждается данными Оже-электронной спектроскопии и говорит о достаточно сильной эрозии элементов конструкции плазмотрона в процессе нанесения покрытий. На основании полученных результатов большинство пленок серии №2 можно отнести к типу а-С с мелкодисперсной структурой.

В 3-ей серии экспериментов степень ионизации аргоновой плазмы была доведена до а=0,2...0,3. Кроме того, была увеличена подача водорода в плазмотрон с целью подавления роста паразитных углеродных образований. Полученные покрытия имели диаметр ~ 40 мм. В центральной части взаимодействия плазменной струи на подложке наблюдалось пятно диаметром ~ 10 мм, покрытое тонкой пленкой из смеси а-С и карбида железа. В периферийной области происходило образование довольно толстой (толщиной 10-30 мкм) прозрачной пленки. Пленки имели выраженный желтый цвет. При царапании покрытий твердосплавным скрайбером наблюдался хрупкий излом.

На одном образце удалось без повреждения отделить от подложки достаточно большой фрагмент пленки. Полученный образец был исследован методом ИК-спектроскопии. Спектр ИК-поглощения в диапазоне 4000 - 400 см'1 приведен на рисунке 3.8. В спектре наблюдаются интенсивные широкие по-

.9500 .

75001_I_1_1___I_._I_,_I___I_.

1200 1300 1400 1500 I600 1700 Сдюг частот комбинационного рассеяния, си"' Рисунок 3 7. Спектр КРС (центральная область).

3678 3340 4 2710 2224 ^3460^ 3172 2^1 23 ^

1422 1038 1627 *1340* 800

лж -

2000

он

4000 3000

Рисунок 3.8. Спектр ИК-поглощения.

1000

лосы поглощения с максимумами вблизи 3340, 2900, 1620 и 1440 см"1, а также ряд менее интенсивных полос поглощения с максимумами 3680, 2730, 2320. 2230. 1350 и 800 (широкая полоса) см'1. Широкая полоса поглощения в диапазоне 3100 - 2750 см'1 обусловлена наложением нескольких линий, связанных с колебаниями связей С-Н в различных радикалах типа СНХ. Большая ширина полосы поглощения и наличие коротковолнового крыла (3100 - 2950 см'1) говорит о том, что углерод в исследованной пленке находится как в spJ-, так и в Бр'-гибритизации. Широкая полоса с максимумами 3340 см'1 обусловлена колебаниями связей С-Н в радикале -С=С-Н. Наличие этой полосы в спектре может быть связано с присутствием в пленке карбина, который является промежуточной фазой между графитом и алмазом. Интенсивное поглощение в диапазоне 3500-2750 см'1 говорит о высоком содержании углеводородных радикалов в исследованной пленке, что, по-видимому, является следствием неполного разложения ацетилена. Полоса поглощения 1350 см'1 говорит о присутствии в пленке аморфного углерода. Кроме того, наличие длинноволновых плеч у полос поглощения 1350 и 2730 см'1 свидетельствует о включении алмазной фазы.

Таким образом, структура исследованной пленки представляет собой смесь карбина, аморфного углерода и алмазной фазы.

Следующим этапом было исследование опытных образцов углеродных пленок и определение влияния параметров нанесения на структуру выращиваемых покрытий. В проведенной серии экспериментов были зафиксированы следующие параметры нанесения покрытий: мощность плазмотрона (2-2,5 кВт); расход газа-носителя (3-3,5 л/мин). Подложки крепились на водоохла-ждаемом столике. Разогрев подложки в ходе эксперимента осуществлялся непосредственно газовой струей. В ходе проведения эксперимента использовались медные и стальные столики толщиной от 2 до 7,5 мм (температура на поверхности подложки увеличивается с ростом толщины столика). Расход газа-реагента изменялся от 0,2 до 0,7 л/час. В одной из серий экспериментов на подложку подавалось отрицательное смещение потенциала, значения которого варьировались от 0 до 90 В.

Для всех исследованных пленок данного этапа спектр КРС состоит из 5 широких полос с максимумами в интервалах 1080 -1180 см'1 (полоса №1), 1230 -1290 см'1 (полоса №2), 1350 -1375 см'1 (полоса №3), 1450 -1490 см'1 (полоса №4) и 1575 -1600 см'1 (полоса №5). Полосы №3 и №5 (D- и G-полосы) характерны для алмазоподобных пленок. Отношение интегральных интенсивностей этих полос (Wc) обратно пропорционально размерам кристаллитов spj-связанного углерода. Полоса №1 может быть связана с присутствием в пленке разупорядоченного врз-связанного углерода, а полоса №4 -искаженного Брз-связанного углерода. Наконец полоса №2 соответствует мелкодисперсному алмазу.

Для стального столика спектр КРС пленки, выращенной при максимальной температуре, состоит из двух широких полос 1350 см"1 (О-полоса) и 1580 см'1 (в-полоса) с одинаковой интенсивностью, что позволяет характеризовать ее как алмазоподобную. При снижении температуры на поверхности подложки соотношение интенсивностей О- и О-полос уменьшается. При минимальной температуре эксперимента в спектре КРС пленки наблюдается только одна слабая размытая О-полоса. Подобный спектр характерен для аморфного углерода. Для медного столика, как и для стального, наблюдается увеличение интенсивности О-полосы с ростом температуры подложки.

Увеличение температуры нанесения за счет увеличения толщины столика и увеличение расхода газа реагента приводит к увеличению соотношения 1„ЛС. При расходе метана 0,7 л/час повышение температуры подложки приводит к заметному росту интегральных интенсивностей полос №1 и 4. Интенсивность полосы №2, соответствующей мелкодисперсному алмазу, практически не изменяется. Снижение расхода метана при максимальной толщине водоохлаждаемого столика приводит к росту интегральной интенсивности полосы №2.

На рисунке 3.9 приведены спектры КРС пленок, при росте которых дополнительно подавалось отрицательное смещение потенциал. Пленка, выращенная без смещения, характеризуется только одной слабой размытой О-полосой. При подаче отрицательного смещения напряжения 50 В наблюдается появление О-полосы, которая по интенсивности практически сравнивается с интенсивностью О-полосы. При дальнейшем увеличении смещения напряжения до 90 В наблюдается уширение как О-, так и С-полосы, и смещение О-полосы в сторону больших волновых чисел. Подобный характер изменения спектра КРС с ростом напряжения смещения говорит в пользу возможности разрушения кристаллических углеродных кластеров ускоренными ионами газовой струи. На основании полученного результата можно сделать вывод о том, что существует оптимальное смещения напряжение, которое для наших условий составляет -50 В.

По данным Оже-электроноой спектроскопии пленки содержат 12 - 15 ат.% кислорода; 8-10 ат.% меди и 1 - 2 ат.% железа и вольфрама. Данные ВИМС говорят о значительном содержании водорода в исследованных пленках. Соотношение интенсивностей линий в спек-

.4000

1500

1000 1200 1400 1600 1X00 Сдвиг частот комбинационного рассеяния, см'' Рисунок 3.9. Спектры КРС углеродных пленок, выращенных с использованием отрицательного смешения на подложке 1-0 В, 2-50 В, 3-90 В

тре ВИМС с массовыми числами 12 и 13 равно 5. Нормальное соотношение интенсивностей линий изотопов Сп и Сц равно 89. Остальной вклад в интенсивность линии с массовым числом 13 вносят радикалы С^Н. Таким образом, содержание водорода в пленке находится на уровне 20 ат.%.

На рисунке 3.10 представлены фотографии поверхностей исследуемых дисков с нанесенной алмазоподобной пленкой. Фотографии поверхности выполнены при помощи электронного сканирующего микроскопа типа Hitachi S3000-N (SEM).

Рисунок 3.10 Микрофотографии поверхностей исследуемых материалов с алмазными покрытиями (8ЕМ):а) ферритная сталь 0Н13, 800х; Ь) аустенитная сталь 0Н18Ж0. 800х; с) аустенитная сталь 00Н18№Т, 1200х; ф медь, 1000х;е) алюминий, 1500х. 0 алюминиевой бронза, 800х

Для того чтобы оценить пригодность использования полученных АПП в условиях нагружения, были проведены сравнительные исследования микротвердости поверхностей материалов с АПП. Исследования проводились на стимуляторе трения в дисково-кольцевой системе при вращательно-реверсивном движении. Частота движения достигала 1 Нг, максимальная скорость скольжения - \рпалг 0,018 м/сек, нагрузка задавалась переменной по синусоидальной зависимости - от 0 до 8 МРа, время испытаний составляло 4 часа. В качестве смазки применен 2% раствор карбоксиметилцеллюлезы. В качестве детали пары трения использовалось кольцо из коррозионно-стойкой хромистой стали ОН 13, закаленной до твердость 55 НЯСз, поверхность была полированная до шероховатости Я<,= 0,07 мкм.

При трении мягких сталей: ферритной 0Н13 и аустенитной 00Н18Ы9Т влияние покрытия на величину усилий трения - отрицательное. Максимальные величины усилий на образцах с покрытиями значительно больше, чем для не модифицированных материалов, в течение всего четырехчасового периода исследований. Но в обоих случаях покрытие не оказало влияния на величину износа.

Для стали 0Н18>П0, где покрытие характеризовалось лучшим качеством и адгезией к подложке, результаты исследований показали положительное влияние покрытия на снижение усилий трения. На поверхности стали после четырех часов трения видны еще следы покрытия и образовавшихся вторичных пленок, ответственных за снижение усилий трения.

Для алюминия и меди влияние покрытия на усилия трения незначительное. На мягком алюминиевом и медном образце слой покрытия был разрушен уже в начале исследования, после чего наступило интенсивное изнашивание, как и для материала без покрытия.

Наиболее положительное влияние покрытия получено при трении алюминиевой бронзы ВА93 (~ 30%) снижение усилий трения и значительное уменьшение износа по сравнению с непокрытым материалом. На поверхности образца видны еще следы покрытия, несмотря на плохую его начальную адгезию. В начале трения образовались вторичные защитные пленки с участием углеродного покрытия.

Рисунок 3.10. Топография поверхности образцов с АПП.а) ферритная сталь ОН 13, ПООх; Ь) аустенитная сталь 0Н18Ж0, ЮООх; с) аустенитная сталь 00Н18^Т, 450х, (1) медь, 900х;е) алюминий, 450х; 0 алюминиевой бронза, 250х

Механизм изнашивания АПП можно рассматривать как двухстадийный трибохимический процесс, в результате которого происходит графитизация поверхностных слоев (эр'-^р1) и последующим или растворение в металле или окисление с образованием летучих соединений из ер2 гибридизирован-ных атомов углерода.

Эксперимент с отжигом показал, что концентрация частиц алмаза может быть увеличена под действием внешних факторов радиационно-термического воздействия. Отжиг приводился на воздухе при температуре 400 °С в течение одного часа. При этих температурах алмазный и алмазопо-добный углерод практически не вступает во взаимодействие с кислородом, а углероды должны полностью сгореть. После отжига был получен спектр

КРС, который приведен на рисунок 3.11. В результате отжига полностью исчезли полосы 1350 и 1580 см"1 и более рельефно выделились полосы с максимума 1145 и 1420 см'1, которые могут быть связаны с нанокристаплами алмаза.

»1УОО

60«

коо 1200 1600 2000 Сдвиг частот комбинационного рассеяния, см'

а)

,500коо 1000 1200 1400 i (>()<) i коо Сдвиг частот комбинационного

рассеяния, см'' g^

Рисунок 3 11 Спектр КРС 1)-до отжига; 2)-после отжига при Т=400°С.

В четвертой главе приведены исследования изнашивания алмазоподоб-ных пленок на пластинках из твердых сплавов для режущего инструмента, на которые была осажаена АПП при различных соотношениях расходов Аг, Н2, СЬЦ. Осаждение пленок проводилось при мощности плазмотрона 2,5-3,0 кВт, расходах аргона 3-6 л/мин, метана 0,03-0,1 л/мин, водорода 0,4-1,2 л/мин, расстояниях от плазмотрона до подложки 90-190 мм и давлении газа в реакторе 150-280 Па. Осаждение пленок производилось на режущие пластины типа Т15К6 для резцов и фрез. Изучение нанесенных на режущие кромки пластин АПП спектра показало, что пленку следует отнести к алмазоподоб-ной пленке типа а-С с включениями нанокристаллических алмазов.

Проверка ресурса работы режущих пластинок проводилась для точения и фрезерования. Экспериментальные исследования по сравнительному определению износостойких пластин при точении проводилась на токарном станке для цилиндрических заготовок с диаметром 35 мм., из стали типа Ст. X ГОСТ 5950-73. На подобном образце для сравнения определялась износостойкость контрольных пластинок.

Обработка заготовок проводилась при отсутствии принудительного охлаждения пластин. Глубина резания составляла 1=1,5 мм, подача - 8=0,2 мм/об, число оборотов — п— 1 ООО об/мин, длина прохода резания — Ь—100-600 мм. Такие режимы, выбранные для данной марки стали, являются интенсивными. Проточка осуществлялась до полного износа пластинок, после чего производился расчет времени стойкости пластин. Результаты резания показали, что износостойкость пластин Т15К6 из партии №2 в сравнении с контрольной повысилась в 3-4 раза, пластин из партии №1 - в 3-5 раз, а пластин из партии Х°3 - в 5-8 раз.

Большая износостойкость пластин из партии №3 в сравнении с № I определяется, как показывают спектры комбинационного рассеивания света (КРС) АПП при таких режимах работы установки ВПУ-2М, наличием в АПП на пластинах из партии №3 нанокристалических алмазов.

Экспериментальные исследования по сравнительному определению износостойких пластин при фрезеровании проводились на фрезерном станке для прямоугольных заготовок с размерами 225x50 ммг, фрезой диаметром 125 мм. Обработка заготовок проводилась при отсутствии принудительного охлаждения пластин. Глубина резания составляла 1=0,5 мм, подача - 8=250 мм/мин, скорость резания у=255 м/мин. Фрезерование осуществлялось до полного износа пластинок, после чего производился расчет времени стойкости пластин. Результаты резания показали, что износостойкость пластин Т15К6 с АПП по сравнению с пластинами, на которые был нанесен нитрид титана, повысилась в 1,3 раза, а для контрольных пластин (которые не проходили никакую обработку) - 1,7 раза. При исследовании возможности работы пластинок в более интенсивных режимах фрезерования была произведена обработка заготовки из специальной нержавеющей стали Ст. 08X17Т с твердостью НВ 130. Обработка заготовок проводилась при отсутствии принудительного охлаждения пластин. Глубина резания составляла 1=2 мм, подача -8=500 мм/мин, скорость резания у=402 м/мин.

Таблица 4.1

Сводная таблица расчетно-экспериментальных данные для точения

№ образцов Число оборотов вращения шпинделя п, об/мин Диаметр заготовки О, мм Скорость резания V, м/мин Подача в, мм/об Средняя длина прохода резания Ц мм Среднее время работы до отказа Т, мин Дисперсия Примечания

1 534 2,67 0,4

2 1000 35 109,9 0,2 468 2,34 0,2

3 844 4,22 0,6

124 0,62 0,2 контрольная

Результаты резания показали, что износостойкость пластин Т15К6 с АПП по сравнению с пластинами, на которые был нанесен нитрид титана, повысилась в 1,1 раза. Точение контрольными пластинками было невозможно вследствие быстрого разрушения.

На основании проведенных исследований были разработаны технологический процесс и технологическая документация на технологию осаждения алмазоподобной пленки на пластинки из карбида вольфрама типа Т15К6 для режущего инструмента.

В заключении диссертации сформулированы следующие выводы:

1. Разработан высокоскоростной метод (скорость осаждения пленки до 30-50 мкм/час) осаждения алмазоподобной пленки при помощи высокоэн-галмжйного плазмотрона (Г1А-19В) постоянного тока с межэлектродными секционированными вставками (МЭВ).

а) Получсна алмазоподобная пленка на различных материалах: кремний. медь, сталь, алюминиевая бронза, карбид вольфрама и др.

б) Наилучшие результаты (отсутствие в составе пленок графитовой . фазы) были получены при наиболее высокой степени ионизации аргоновой

плазмы (около 25%).

в) Устойчивое осаждение алмазных и алмазоподобных пленок происходило при нагреве подложки до температуры 800-1200 °С.

г) Лу чший реагент - метан.

д) Положительное влияние на свойства алмазоподобной пленки оказывает отжиг на воздухе (температура 400 °С. в течение 1 часа).

2. Разработана и испытана конструкция катодного узла и секции NOB плазмотрона с гаювой завесой стенок разрядной камеры холодным газом.

а) Измерены тепловые потери и получены вольт-амперные характеристики.

б) Рассчитаны основные параметры плазмотрона (диаметр сопла, тепловой КПД плазмотрона, среднемассовая температура, средняя степень ионизации плазмы и др.)

в) Разработана конструкторская документация на высокоэнтальпий-ный плазмотрон ПА-19В и на модернизацию пламенно-вакуумной установки ВПУ-2.

г) Модернизирована установка ВПУ-2.

3) Проведены экспериментальные исследования по осаждению алмазоподобных пленок на твердосплавных пластинках типа TI5K6 для режущего инструмента. Проведенные испытания опытной партии образцов показали, что эксплуатационные качества пластин увеличились по сравнению с контрольными пластинками: в 4-5 раз при точении и 1,7-2 раза при фрезеровании. Износостойкость пластин Т15К6 с АПП по сравнению с пластинами, на » которые был нанесен нитрид титана, повысилась в 1,3 раза.

4) Разработан технологический процесс (ТП) осаждения алмазоподобных пленок с помощью установки ВПУ-2М для твердосплавных пластин типаТ!5К6.

5) Экономический эффект от внедрения составил до $2-3 на режущую пластинку Результаты работы внедрены на предприятиях - ОАО '"Металлист" и РУМП «Кузлитмаш».

Список опубликованных работ

Статьи в журналах

1. Ватажин А.Б., Улыбышев К.Е., Холщевникова Е.К., Цыганов Д.Л "Электрические диффузионные процессы на высокотемпературной турбинной лопатке и ее вклад в ток выноса из авиационного двигателя" // М. ТВТ. 2002. Т. 40 №3. 1-12с.

2. Граджска-Далке М., Сазонов М.И., Цыганов Д.Л., Якушевш С Изучение трибологических свойств алмазоподобных пленок. // "Вестник БГТУ. -Машиностроение, автоматизация, ЭВМ", № 4,2002 г. Брест - 5-11с.

3. Сазонов М.И., Цыганов Д.Л Плазмотрон с межэлектродными вставками для осаждения алмазоподобных и алмазных пленок// М. ПТЭ. 2005. №1. 1-4с.

Тезисы

1. Сазонов М.И., Хвисевич В М., Кузмич В А., Каролинский В Г, Пекун А.И, Цыганов Д.Л. "Осаждение из газовой фазы алмазоподобных пленок с применением вакуумно-плазменной установки ВПУ-2'7/ Материалы и технологии :Тез. 4-ой респуб. конф. 2000. Гомель. С.87.

2. Сазонов М.И., Цыганов Д.Л. "Плазмотрон с графитовым катодом для получения фуллеренов "// Тез. 2-го международного симпозиума «Ф> ллере-ны и фуллереноподобных структуры в конденсированных средах». Минск 2002. С. 145.

3. Цыганов Д.Л. "Увеличение износостойкости твердосплавных пластин при осаждении алмазоподобной пленки"// Тез. 1-ой международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технология". М. 2002. С.203

4. М. Сгаскка-йаМке, Сазонов М И., Цыганов ДЛ "Получение алмазоподобных пленок при помощи плазмотрона постоянного тока и изучение их трибологических свойств" // Тез. 1-ой международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технология". М. 2002. С.82

5. Д.Л. Цыганов, М.И. Сазонов, В.М. Хвисевич "Упрочнение фрез на основе твердосплавных сплавов алмазоподобным покрытием" Тез. 2-ой международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технология". М. 2003. С.217

Статьи в материалах конференции

1. Сазонов М.И., Хвисевич В.М., Кузмич В А., Каролинский В Г. , Пекун А.И, Цыганов Д.Л., "Использование СУР-метода на установке ВПУ-2 для увеличения износостойкости твердосплавных пластин"// Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения Сборник научных трудов Международной конф. Новополоцк. 2001. 696-699.с.

2 Цыганов Д Л Исследование стойкости режущего инструмента (фрезы) при нанесении алмазоподобной пленки// 15-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в оптике и электронике» Харьков. - 2003. с. с.201-204

3. Веремейчик А.И., Сазонов М.И., Цыганов Д.Л. Плазмотрон для осаждения алмазоподобных пленок// 15-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в оптике и электронике» - Харьков. 2003. с. 205-208

Отчеты

1. Цыганов Д.Л. Осаждение алмазоподобных пленок при помощи плазменных струй. // Отчет (заключительный) по заданию МО РБ №02/205. -Брест, 2002. - 59 с.

2. Сазонов М.И., Хвисевич В.М., Цыганов Д.Л. и др. Модернизировать, изготовить и внедрить вакуумно-плазменную установку ВПУ-2. Исследовать и разработать технологический процесс осаждения нанокристалличе-ских алмазоподобных пленок методом СУО на режущий инструмент и пары трения. // Отчет (заключительный) по заданию 3429/4.16 РНТП "Алмазы". -Брест, 2002. - с.88

3. Сазонов М.И., Хвисевич В.М., Цыганов Д.Л. и др. Создать экспериментальную установку для исследования процессов теплообмена. Построить математические модели задачи теплопроводности.// Отчет (заключительный) по заданию РПФИ "Плазмодинамика -16" - Брест, 2002. - с. 101

4. Сазонов М.И., Хвисевич В.М, Цыганов Д.Л. и др. Исследовать процессы роста алмазоподобных и алмазных пленок с помощью плазмотрона постоянного тока с МЭВ, создать и внедрить опытный образец высокопроизводительной плазменной установки// Отчет (заключительный) по заданию 3339/4.03 "Алмазы". - Брест, 2000. - с.98

5. Каролинский В Г, Сазонов МИ, Цыганов ДЛ., и др. Разработать плазмотрон, создать опытную плазменную установку для нанесения тонких износостойких алмазных пленок. Разработать технологии нанесения углеродных пленок на детали КПМ. // Отчет (заключительный) по заданию 4.12 РНТП "Алмазы". - Брест, 1998. - 139 с.

РЕЗЮМЕ

Цыганов Дмитрий Леонидович

ОСАЖДЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ И АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК ПРИ ПОМОЩИ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУМ

Ключевые слова. Плазмотрон, углерод, электрическая дуга. аргон, осаждение, алмазные и алмазоподобная пленка, вакуумно-плазменные установки, напряжения, методы спектроскопии, структура пленок.

Объект и предмет исследования. Износостойкие покрытия рабочих поверхностей режущего инструмента на основе АПП. Физико-механические (твердость, модуль упругости) и триботехнические (коэффициент трения, износостойкость) характеристики покрытий различной конструкции. и\ морфология и химический состав.

Цель работы является исследование процесс осаждения алмазоподобной пленки с целью определения оптимальных энергетических параметров, доработка имеющего плазмотрона, разработка рекомендаций по совершенствованию технологического процесса осаждения АПП на поверхности с высокими трибологическими свойствами и внедрение на машиностроительное производство. В соответствии с этой формулировкой формулируется общая научная задача: в экспериментально-теоретическом плане - разработка научно-обоснованных положений, обеспечивающих оптимизацию взаимосвязоных положений, обеспечивающих оптимизацию взаимосвязанных электрических, тепловых и аэродинамических режимов осаждения АПП и усовершенствование отдельных узлов плазмотрона, как составной части оборудования ля осаждения АПП, в экспериментально-прикладном плане - создание на основе полученных результатов технологического процесса осаждения АПП и реализация наукоемких плазменных технологий, установить особенности изнашивания АПП.

Для исследования структуры и примесного состава углеродных пленок наибольшее распространение получили методы рентгеноструктурного анализа. Оже-электронной спектроскопии, ИК-спекфоскопии. спектроскопии, комбинационного рассеяния света (КРС) и вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС).

На основании проведенных исследований были разработаны техно.™ и-ческий процесс и технологическая документация на технологию осаждение алмазоподобной пленки на пластинки из карбида вольфрама типа Т15К6 для режущего инструмент.

The summary

Tsyganov Dmitry Leonidovich Deposition carbonic and diamond-like films by means of plasma jets

Key words, plasmatron. a carbon , an electric arc, argon, sedimentation, a carbonic films, diamond and a diamond-like films, vacuum-plasma installations, voltage, methods of spectroscopy, structure of films.

Object and object of research. Wearproof coverings of working surfaces of cutting tool on basis diamond-like films. Hardness, the module of elasticity and triboteennical characteristics of coverings of a various design, their morphology and a chemical compound.

The purpose of a work. Research process of deposition of a diamond-like films with the purpose of definition of optimum power parameters, completion having plasmatron, development of recommendations for perfection of technological process of sedimentation a diamond-like films on a surface with is high triboteennical properties and introduction on machine-building manufacture. According lo this formulation the general scientific problem is formulated: in the experimental - theoretical plan - development of the scientifically-grounded positions providing optimization interconnected of positions, the interconnected electric interconnected electric, thermal and aerodynamic modes of sedimentation a diamond-like films and improvement of separate units plasmatron as component of the equipment for sedimentation a diamond-like films, in experimental - applied plan - creation on the basis of received results of technological process of sedimentation a diamondlike films and realization of the high technology plasma technologies, to establish features of wear process a diamond-like films.

For research of structure and foreign structure of carbon films the greatest distribution was received with methods X-ray structure analysis, -electronic spectroscopy, Auger spectroscopy, spectroscopy, combinational dispersion of light and pulse-time modulation spectroscopy.

Based on the carried out researches technological process and the technological documentation on technology sedimentation of a diamond-like films on a plate from k carbide tungsten such as T15K6 for cutting tool were developed.

ЦЫГАНОВ Дмитрий Леонидович

ОСАЖДЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК ПРИ ПОМОЩИ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЙ

01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 07.02.2005 Формат 60x84 1/6 Бумага тип № 2. Офсет, печать. Усл. иеч.л. 2.8 Уч.-изд.л. 2.2. Тираж 100. Зак I Издатель и полиграфическое исполнение: Московский физико-технический институт (государственный университет)

26

«-2266

РНБ Русский фонд

2005-4 48531

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 . СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА.

1.2 СВОЙСТВА ПЛЕНОК И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С МЕТОДАМИ ПОЛУЧЕНИЯ.

1.3 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК.

1.4 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АПП, ОСНОВАННЫЕ НА МЕТОДЕ ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ (CVD-МЕТОД).

1.5 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗНЫХ И АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК СПОСОБОМ ОСАЖЕНИЯ В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ГАЗА (ПЛАЗМОТРОН) ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.6 ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2 УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК.

2.1 ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ВПУ-2М.

2.2 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПЛАЗМОТРОНА.

2.3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАЗРАБОТАННОГО ПЛАЗМОТРОНА С МЭВ.

2.4 СХЕМА ВОДОСНАБЖЕНИЯ.

2.5 ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

2.6 РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ И СРЕДНЕМАССОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ПЛАЗМОТРОНА С МЭВ.

2.7 РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ.

Актуальность темы. В последнее время проблемы повышения надежности отдельных деталей механизмов, машин и износостойкости рабочего инструмента приобрели большое значение. Это связано с тем, что стоимость сырья и материалов специального назначения, необходимых для создания деталей механизмов и машин с высоким ресурсом работы, достаточно высокая. Энергоемкие технологические процессы обработки деталей требуют создания технологий, позволяющих повысить износостойкость рабочего инструмента.

Поэтому, проблемы создания эффективных технологий упрочнения рабочих поверхностей деталей механизмов, машин и повышения износостойкости рабочего инструмента, являются актуальными. Отметим, что подобные технологии упрочнения входят в число приоритетных высоких технологий государственного уровня, т.к. формирование поверхности с новыми свойствами позволяет существенно повысить качество и долговечность деталей. Например, в Германии изготовляется и используется режущий инструмент с износостойким покрытием, причем доля такого инструмента на рынке обрабатывающего инструмента составляет около 90% и постоянно растет.

В настоящее время наряду с традиционными способами упрочнения рабочих поверхностей находят все большее применение способы нанесения на рабочие поверхности углеродных, алмазоподобных или алмазных пленок (АПП и АП).

Как известно, такие пленки обладают уникальными свойствами, которые характеризуются низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью и износостойкостью рабочих поверхностей деталей механизмов и машин и инструмента. Кроме высокой твердости, алмазоподобные пленки имеют высокую теплопроводность и обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

В настоящее время существует ряд методов получения и осаждения углеродных и алмазоподобных пленок. Одним из наиболее эффективных является метод осаждения пленок из газовой фазы при пониженном давлении способом химического осаждения (CVD). Наиболее перспективными для практического использования является CVD метод с использованием плазменной струи, генерируемой плазмотроном. Применение плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) позволяет достигать заданной мощности при умеренных токах, и благодаря этому варьировать характеристики струи в широких пределах.

Актуальность работы подтверждается вовлечением ее в тематические планы ГНТП по направлению "Алмазы", государственной программой "Плазмодинамика" и грантом Министерства образования республики Беларусь по теме диссертации.

Целью работы является разработка методики процесса осаждения алмазоподобной пленки на плазматронах с МЭВ и разработка технологического процесса осаждения АПП на поверхности. В соответствии с этой формулировкой определяется общая научная задача: в экспериментально-теоретическом плане - разработка научно-обоснованных положений, обеспечивающих оптимизацию взаимосвязанных положений тепловых и аэродинамических режимов осаждения АПП и разработка специализированного плазмотрона с МЭВ для осаждения АПП; в экспериментально-прикладном плане — создание на основе полученных результатов технологического процесса осаждения АПП и реализация наукоемких плазменных технологий, установление особенности изнашивания АПП на твердосплавных пластинках типаТ15К6.

Объект и предмет исследования. Износостойкие покрытия рабочих поверхностей режущего инструмента на основе АПП; физико-механические (твердость, модуль упругости) и триботехнические (коэффициент трения, износостойкость) характеристики покрытий различной конструкции, их морфология и химический состав, плазмотрон.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод получения алмазоподобной пленки на высокоэнтальпийном плазмотроне (ПА-19В) постоянного тока с межэлектродными вставками (МЭВ);

2. Результаты экспериментальных исследований по осаждению алмазоподобных и углеродных пленок при помощи высокоэнтальпийного плазмотрона постоянного тока с МЭВ. Наилучшая АПП получена при степени ионизации плазмы около 25%, температуры подложке 800-1200°С.;

3. Конструкция высокоэнтальпийного плазмотрона с межэлектродными вставками с тепловым КПД до 0.8. Для плазмотрона: экспериментально определены тепловые потери и вольтамперные характеристики; был рассчитан тепловой КПД, среднемассовая температура и средняя степень ионизации. Была разработана конструкторская документация;

4. Рекомендации по выбору режимов осаждения в виде технологической инструкции и технологического процесса при осаждении АПП на режущий инструмент, а также по рекомендации по выбору режимов для точения и фрезерования для режущего инструмента, оснащенного твердосплавными пластинками типа Т15К6, которые покрыты АПП.

Научная значимость и новизна. В результате проведенных исследований БрГТУ впервые на территории СНГ удалось получить алмазоподобные пленки при помощи плазменной струи методом химического осаждения (CVD) с использованием высокоэнтальпийного плазмотрона с МЭВ. Проведенное исследование свойств полученных пленок методами КРС, Оже-спектроскопии и др. показали, что пленки относятся к типу а-С.

Проведены исследования для выяснения связи факторов технологического процесса напыления с твердостью покрытия, с величиной коэффициента трения, износостойкостью. Показано также, что увеличение энергии осаждающихся частиц оказывает положительное влияние на качество реализующегося покрытия.

Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, обеспечивающих существенное повышение износостойкости режущего инструмента в 4-8 раз.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов. Разработана методика нанесения АПП на режущий инструмент. Упрочненные пластинки для режущего инструмента методом CVD на плазменно-вакуумной установке ВПУ-2 успешно прошли испытания на РУМП «Кузлитмаш» (г. Пинск), ОАО "Березовский мотороремонтный завод " (г. Береза) и ОАО "Металлист" (г. Брест).

Произведена модернизация плазменно-вакуумной установки ВПУ-2. Увеличена надежность ее работы при осаждении алмазоподобных пленок методом CVD.

Расчет экономического эффекта при напылении АПП на пластинки для режущего инструмента составил 100-200% от стоимости режущей пластинки или в ценовом исчислении 2-3$ на одну пластинку или при средней потребности одного небольшого предприятия типа РУМП «Кузлитмаш» 8000 шт. - 22420$.

Был отработан технологический режим осаждения алмазоподобных пленок в зависимости от режимов работы плазмотрона и состава реагентов.

Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи исследования, в проведении экспериментов, в анализе экспериментальных результатов, подготовке рукописей публикаций, в проведении работ по выпуску опытных партий изделий, в создании опытно-конструкторской документации и технологического процесса осаждения АПП.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований были представлены на следующих научно-технических конференциях, ассамблеях и симпозиумах: "Материалы и технологии — 2000" (Гомель, 2000), "Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения" (Новополоцк, 2001), "Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах" (Минск, 2002), "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технологии" (Москва, 2002 и 2003), Харьковская научная ассамблея (Харьков, 2003).

Опубликованность результатов. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 статьи в научных рецензируемых журналах, 3 статьи в научно-технических сборниках, 5 тезисов докладов на конференциях, 5 заключительных отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-ех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 159 стр., из которых 7 стр. занимает список используемых литературных источников, включающие 97 наименований, из 78 рисунка, 19 таблицы и 55 стр. приложений.

выводы

1. Разработан высокоскоростной метод (скорость осаждения пленки до 30-50 мкм/час) осаждения алмазоподобной пленки при помощи высокоэнтальпийного плазмотрона (ПА-19В) постоянного тока с межэлектродными секционированными вставками (МЭВ). а) Получена алмазоподобная пленка на различных материалах: кремний, медь, сталь, алюминиевая бронза, карбид вольфрама и др. б) Наилучшие результаты (отсутствие в составе пленок графитовой фазы) были получены при наиболее высокой степени ионизации аргоновой плазмы (около 25%). в) Устойчивое осаждение алмазных и алмазоподобных пленок происходило при нагреве подложки до температуры 800-1200 °С. г) Лучший реагент — метан. д) Положительное влияние на свойства алмазоподобной пленки оказывает отжиг на воздухе (температура 400 °С, в течение 1 часа).

2. Разработана и испытана конструкция катодного узла и секции МЭВ плазмотрона с газовой завесой стенок разрядной камеры холодным газом. а) Измерены тепловые потери и получены вольт-амперные характеристики. б) Рассчитаны основные параметры плазмотрона (диаметр сопла, тепловой КПД плазмотрона, среднемассовая температура, средняя степень ионизации плазмы и др.) в) Разработана конструкторская документация на высокоэнтальпийный плазмотрон ПА-19В и на модернизацию пламенно-вакуумной установки ВПУ-2. г) Модернизирована установка ВПУ-2.

3) Проведены экспериментальные исследования по осаждению алмазоподобных пленок на твердосплавных пластинках типа Т15К6 для режущего инструмента. Проведенные испытания опытной партии образцов показали, что эксплуатационные качества пластин увеличились по сравнению с контрольными пластинками: в 4-5 раз при точении и 1,7-2 раза при фрезеровании. Износостойкость пластин Т15К6 с АПП по сравнению с пластинами, на которые был нанесен нитрид титана, повысилась в 1,3 раза.

4) Разработан технологический процесс (ТП) осаждения алмазоподобных пленок с помощью установки ВПУ-2М для твердосплавных пластин типа Т15К6.

5) Экономический эффект от внедрения составил до $2-3 на режущую пластинку. Результаты работы внедрены на предприятиях - ОАО "Металлист" и РУМП «Кузлитмаш».

4.3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 4

Проведены исследования по напылению и испытанию твердосплавных пластинок с осажденной АПП. Показано, что происходит заметное увеличение стойкости режущего инструмента, оснащенного данными пластинками (в сравнении с контрольными пластинками). Проведенные исследования позволяют разработать технологическую инструкцию (см. приложения) по нанесению АПП на режущие поверхности инструмента методом плазмохимиче-ского осаждения в вакууме.

Кроме того, необходимо отметить, что установка ВПУ-2М позволяет наносить алмазную пленку не только на пластины из твердого сплава, но и на пресс-формы, штампы, сверла, фрезы и т.д. В настоящее время в БрГТУ проводятся исследования по отработке оптимальных режимов осаждения АПП на различный инструмент. Решение поставленной задачи позволит значительно повысить износостойкость различного инструмента, что в конечном итоге позволит повысить производительность труда и получить экономический эффект.

1. Диесперова И. И., Слепцов В.В. Наукоемкие иоино-плазменные технологии инженерии поверхности: положения сегодня и преспективы развития российского рынка // Приложение №7 к инженерному журналу: Справочник. М.: «Машиностроение», 2001, № 1, с. 59-61.

2. Старт Б.В., Белянин АФ. Предисловие // Электронные, ионные и плазменные технологии. Приложение № 7 к инженерному журналу: Справочник. М.: «Машиностроение», 2000, № 7, с. 2-3.

3. Б.В. Спицын, А.Ф. Белянин и др. Строение и механическая обработка слоев алмаза, выращенных из газовой фазы //Техника средств связи. Серия: ТПО. 1987, вып. 1,. с. 61—70.

4. Спицын А.Б. Кристаллизация из газовой фазы пленок алмаза и алмазоподобных нитридов /Автореф. канд. дис. М.: МИСИС (ТУ), 2002.

5. Стщин Б.В. Методы нанесения и свойства углеродных алмазоподобных пленок // Приложение № 7 к инженерному журналу: Справочник. М.: «Машиностроение», 2000, № 7, с. 3-10.

6. Lifshitz Y. Diamond-like carbon — present status //Diamond and Related Materials. 1999, v. 8, p. 1659-1676.

7. Yamamoto K., Wazumi K. and other. Tribological properties of diamond-like carbon films pre-parated by mass-separated ion beam deposition //Diamond and Related Materials. 2002, v. 11, p. 1130-1134.

8. Yamamoto fC, Wazumi K., Watanabe Т., Koga Y., Iijima S. Tribological properties of diamond-like carbon films prepared by mass-separated ion beam deposition //Diamond and Related Materials. 2000, v.l 1, p. 1130-1134.

9. Белянин А.Ф., Спицын Б.В. Строение и применение в электронике пленок алмаза, выращенных методом дугового разряда //Алмаз в технике и электронике на пороге III тысячелетия. М.: Полярон, 2001, с. 50-67.

10. Трахтенберг И.Ш., Владимиров А.Б. Трибологические свойства алмазоподобных покрытий на алюминии //Сборник трудов Харьковской научной ассамблеи, Харьков, Украина, 2002, с. 202-205.

11. Елинсон В.М. Управление рельефом поверхности пленок углерода и пленочных структур при ионно-плазменном осаждении. Материалы симпозиума «Алмазные пленки и пленки родственных материалов», Харьков, 2001. с. 129 - 132.

12. Spitsyn В. К, Bouilov L.L., Derjaguin B. V.I I J. Cryst. Growth. 1981. V.52. P.219

13. Matsumoto S., SatoY.ll J. Appl. Phys. Jpn. 1982.V.21P.183

14. Matsumoto S., Hino M., Kobayashi ТУ/ J. Appl. Phys. Lett. 1987.V.51.N10.P.737

15. Kroesen G.M.W., Schram D.C. and van de Sandle M.J.F. Fast Deposition of Amorphous Hy-drogenated Carbon Films Using a Supersonically Expanding Arc Plasma.// Plasma Chem. & Plasma Proc.- 1990. — V. 10.- P.49-69.

16. Morrison P. W., Glass J.T. Applications of flame-grown diamond films. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. — P.391.

17. Okano H., Tanaka N. et al. Preperation of aluminum nitride thin films by reactive sputtering and their applications to GHz-band surface acoustic wave devices //Appl. Phys. Lett. 1994, v. 64, N2, p. 166-168.

18. Diamond deposition: Science and Technology. 1990, v. 1, N 1, p. 3.

19. Polushkin V.M., Polyakov S.N. et al. Diamond film deposition by downstream DC glow discharge plasma chemical vapor deposition //Diamond and Related Materials. 1994, N 3,. p. 531— 533.

20. Robertson J. The deposition mechanisms of diamond-like а- С and a- C:H // diamond and related materials. 1994, v.3, p.361-368.

21. Бабаев В.Г., Новиков НД. и д.р. Получение углеродных пленок импульсно-плазменым методом // Электронные, ионные и плазменные технологии. Приложение № 7 к инженерному журналу: Справочник. М.: «Машиностроение», 2000, № 7, с. 13-15.

22. Белянин А.Ф., Найда С.М., Пащенко П.В. Получение пленок алмазоподобного углерода методом высокочастотного магнетронного распыления //Молекулярная физика неравновесных систем. Материалы 1 Всерос. научной конф. Иваново: ИвГУ. 1999, с. 98-100

23. А.с. СССР. № 1021106 (приоритет от 29.12.1981). Способ наращивания поликристаллического алмаза /Б.В. Спицын, Н.А. Бульенков и др.

24. А.с. СССР № 1082082 (приоритет от 07.04.1982). Способ выращивания слоев алмаза и устройство для его осуществления /Л.Л. Буйлов, А.А. Ботев и др.

25. А.с. СССР. № 1122018 (приоритет от 08.06.1983). Способ получения слоев алмаза /А.А. Ботев, А.Ф. Белянин и др.

26. Haubner R„ Lux В. Techniques of hot-filament assisted deposition of diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. — P.336-348.

27. Schram D.C., Beulens J.J., Buuron A.J.M., Kroesen G.M. W. and others. The physics of plasma jets used for fast atomic deposition // Proc. Int. Symp. on Plasma Jets.- Alma-Ata: 1990. — P.627-637.

28. Bachmann P.K., Beylens J.J., Kroesen G.M.W., Lydtin H, Schram D.C. and Wiechert D.U. Diamond Deposition from a Cascaded Arc DC Plasma // Proc. 3rd on Surface Modification Technologies, Neuchatel, Switzerland.- 1989.

29. Bachmann P.K. Plasma CVD synthesis of diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. — P.354-363.

30. Bachmann P.K. Plasma CVD techniques for low pressure synthesis diamond: an overview. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994.- P.349-353.

31. Bachmann P.K. General aspects of CVD growth of diamond and their correlation. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994.-P.364-367.

32. Shikata S., Nakahata H. et al. SAW filters based on diamond //Applications of Diamond Films and Related Materials: 3 Int. Conf. 1995. USA, p. 29-36.

33. Minoo H. Feasibility of Diamond Formation in the Arc Cathode Region Plasma // Proc. Int. Symp. on Plasma Jets. — Alma-Ata: 1990. — P.685-690.

34. Pfender E., Han Q.Y., Or T. W., Lu Z.P. and Heberlein J Л Diamond and Related Materials. — 1992.-Vol.1. —P.l 27.

35. Zhuang Q.D., Guo #., Heberlein J. V.R. Control of Substrate Temperature and its Uniformity for Thermal Plasma CVD. //Proc. Int. Conf. on Plasma Chem.- England.- 1993.- P.l680-1685.

36. Gat R., Angus J. C. Principles of hot-filament deposition of diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. — P.325-335.

37. Morrison P.W., Glass J.T. Flame characteristics for combustion growth of diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. —P.368-375.

38. Morrison P.W., Glass J.T. The physics and chemistry of flames used for combustion growth of diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed.G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. —P.376-379.

39. Morrison P.W., Glass J.T. Nucleation and film characteristics of combustion-grown diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. — London, Ed G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994.- P.380-390.

40. Watanabe Т., Yamashita N. Kato M., Wada Т. Synthesis of CBN and CNX films by ion beam assisted deposition. Proceedings of Applied Diamond Conrference. 1999, Japan, p. 651-656.

41. Vandersande J. W. Thermal conductivity of thin film diamond. In the book The Properties and Grawth of Diamond. —London, Ed. G.Davies, Roy.Colledge, UK, 1994. — P.399-400.

42. Самойлович М.И., Белянин А.Ф. Алмазные и алмазоподобные углеродные пленки: формирование и строение// Сборник трудов Харьковской научной ассамблеи, Харьков, Украина, 2002, с. 6-385.

43. А.Ф. Белянин, JI.JI. Буйлов. Поликристаллические алмазные пленки в микроэлектронике //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. Украина. 1997, № 2, с. 9-15.

44. А.Ф. Белянин, Б.В. Спщын. Строение и применение в электронике пленок алмаза, выращенных методом дугового разряда //Алмаз в технике и электронике на пороге III тысячелетия. М.: Полярон, 2001, с. 50-67.

45. А.Е. Алексенко, А.Ф. Белянин и др. Установка для выращивания алмазных пленок //Техника средств связи. Серия: ТПО. 1992, вып. 1,2, с. 64-67.

46. А.Е. Алексенко, А.Ф. Белянин и др. Установка для выращивания поликристаллических алмазных пленок методом дугового разряда //Труды Украинского вакуумного общества. Киев, 1995. Т. 1, с. 213-216

47. Collins J.L. Diamond-like carbon (DLC) — a review // Industrial diamond review. 1998, v. 58, N 578, p. 90-92.

48. S. K. Baldwin, Jr., T. G. Owano, and С. H. Kruger, "Increased deposition rate of chemically vapor deposited diamond in a direct-current arcjet with a secondary discharge," Applied Physics Letters, vol. 67, pp. 194-196,1995.

49. Жуков М.Ф., Засыпкин KM. и др. «Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками». Новосибирск: Наука, 1981. 220 с.

50. Бублиевский А.Ф. Анизотропная модель излучающей электрической дуги // ИФЖ. — 1995. -Т. 68,№5-С. 820-826.

51. Бублиевский А.Ф. Критериальные зависимости для безрасходных электрических дуг в канале // ИФЖ. 1997. - Т. 70, № 1. - С. 99-104.

52. Бублиевский А.Ф. Расчет характеристик водородной цилиндрической дуги по обобщенным зависимостям // ИФЖ. 1997. - Т.70, №4. - С. 569-575.

53. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. «Прикладная динамика термической плазмы». Новосибирск: Наука, 1975 296 с.

54. Н.Б. Варгафтинг Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей М.:Наука, 1972, 720ст

55. Каролинский В.Г., Кузьмич В.А., Пекун А.И., Сазонов М.И., Хвисевич В.М., Цыганов Д.Л. Осаждение из газовой фазы алмазоподобных пленок с применением вакуум-но-плазменной установки ВПУ-2. Респ. конф. "Материалы, технологии-2000", г. Гомель, 2000.

56. Вулис Л.А., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела. JI.: Энергия, 1968. -204 с.

57. Кутателадзе С.С. Пристенная турбулентность. Новосибирск: Наука, 1973. -227 с.

58. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: «Наука», 1976, 567 с.

59. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука, 1973. 847 с.

60. Лукьянов Г.А. «Сверхзвуковые струи плазмы». JI: Машиностроение. 1985 -264с.

61. Меккер Г. О характеристиках цилиндрической дуги // Движущаяся плазма. М., ИЛ, 1961. С.438-477.

62. Самарский А.А. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1966. 724 с.

63. Седов Л. И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1965. 386 с.

64. Смирнов Б. М. Отрицательные ионы. М.: Атомиздат. 1978.176 с.

65. Финкельбург В., Мекнер Г. «Электрические дуги и термическая плазма». М., ИЛ, 1961.-369с.

66. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. Т1,Т2//Москва,"Мир"1991

67. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963.

68. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. -742 с.

69. Юдаев Б.Н. «Теплопередача». М:, Высшая школа, 1981. 319 с.

70. Кидин Н. И., Махвиладзе Г. М. Электрическое поле ламинарного пламени с большой степенью ионизации. //Физика горения и взрыва. 1976. Т.12. № 6. С. 865-871.

71. Ватажин А. Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Электрогазодинамические течения. М.: Наука. 1983. 344 с.

72. Абрамович Г.Н. «Прикладная газовая динамика». М:, Наука, 1969 824 с.

73. Bublievsky A.F., Yas 'ко O.I. An Anisotropic Model of an Electric Arc // Journal of High Temperature Chemical Processes. — 1992. — V.l, №3. P. 411-418.

74. Pereverzev KG., Konov V.I., Ralchenko KG., Pozharov A.S., Metev S., Brecht H„ Sepold G. Parametric studies of diamond film deposition by DC arc-jet technique // Proc. of 4-th Intern, symp. Khratov. Ukraine. 1999. P. 110-113.

75. Бордусов C.B., Босяков M.И., Свадковский КВ., Ильюшенко А.Ф., Ануфриев Л.П. Lugsheider Е. «Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники» в 3-х т. Том 1. Мн.: информ, 2000. 424 с.

76. Вакуумное осаждение тонких пленок // Приложение № 7 к инженерному журналу: Справочник. М.: «Машиностроение», 2001, № 2, с. 14-21.

77. Каталог режущего инструмента из твердого сплава фирмы Mitsubishi. 1999. 501 с.

78. Inkin K.N., Kirpilenko G.G. and other A superhard diamond-like carbon film //Diamond and Related Materials. 2000, v. 9, p. 715-721.

79. Sharma J. N., Singh H. Propagation of generalized thermoelastic waves in cubic crystals // Arch. Mech. 1990. - Vol. 42. - No. 1. - P. 19—30.

80. Yas'ko O.I., Marotta A., Laktyushina T.V., Da Silva L.O.M. Current Voltage characteristics generalization for plasma torches operating with different gases, Proc. ISPC, Vol IV, Aug. 21-25,1995, Minneapolis, Minnesota, USA, pp. 1909-1913.

81. Бабичев A. 77., Бабушкина H. А., Братковский A. M. и др. Физические величины. Справочник. //М.: Энергоатомиздат, 1991.1232с

82. Физические величины. Справочник под ред. И. С. Григорьева и Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.1232с.

83. Патент РФ. № 2105379 (приоритет от 29.05.1998). Способ получения сплошной пленки с алмазоподобной структурой и устройство для его осуществления. Капустин В.И, Лысов Г.В. и д.р.

84. Патент РФ. № 2006538 (приоритет от 14.07.1992). Способ выращивания алмазов. Акционерное общество "Компакт ЛТД", КуличенкоВ.А., Маслеников В.Г. и д.р.

85. Патент РФ. № 2054056 (приоритет от 10.02.1996). Способ получения изотопических чистых алмазных пленок. Дженерел Электрик Компани.

86. Патент РФ. № 2040600 (приоритет от 22.12.1992). Способ осаждения алмазных покрытий в плазменной струе. Быкова Н.Г., Першин И.С. и д.р.

87. Патент РФ. № 2049830 (приоритет от 22.09.92). Устройство для выращивания кристаллов из газовой фазы. Способ выращивания алмазов. Акционерное общество "Компакт ЛТД", КуличенкоВ.А., Маслеников В.Г. и д.р.

88. Патент РФ. №2215061 (приоритет от 30.09.2002).Высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда и плазменный реактор для его реализации. Вихарев А.Л., Горбачев A.M. и д.р.

89. Патент РФ. № 2176683 (приоритет от 21.11.1997).Способ получения гомоэпитаксильной алмазной тонкой пленки и устройство для его осуществления. Такеути Даисуке (JP), Оку-си Хидейо (JP) и д.р.

90. J. Коска, Н. Stuchlikova, J. Stuchlik, В. Rezek, Т. Mates, V. Scrcek, P. Fojtik, I. Pelant, A. Fe-jfar, J. Non cryst. Solid./ 299-302. 355 (2002).

91. Patent US (Data of Patent Jul,23,1996) DC Plasma Jet CVD Method for Producing Diamond. Kazuaki Kurihara, Kenichi Sasaki, Tsukasa Itani, Motonobu Kawarada Fujitsu Ltd., Kawasaki, Japan

92. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ1. Статьи в журналах

93. Ватажин А.Б., Улыбышев К.Е., Холщевникова Е.К., Цыганов Д.Л. "Электрические диффузионные процессы на высокотемпературной турбинной лопатке и ее вклад в ток выноса из авиационного двигателя" // М. ТВТ. 2002. Т. 40 №3. 1-12с.

94. Граджска-Далке М., Сазонов М.И., Цыганов Д.Л., Якушевич С. Изучение триболо-гических свойств алмазоподобных пленок. // "Вестник БГТУ. — Машиностроение, автоматизация, ЭВМ", № 4, 2002 г. Брест 5-11с.

95. Сазонов М.И., Цыганов Д.Л Плазмотрон с межэлектродными вставками для осаждения алмазоподобных и алмазных пленок// М. ПТЭ. 2005. №1. 1-4с.1. Тезисы

96. Сазонов М.И., Цыганов Д.Л. "Плазмотрон с графитовым катодом для получения фуллеренов "// Тез. 2-го международного симпозиума «Фуллерены и фуллереноподобных структуры в конденсированных средах». Минск. 2002. С. 145.

97. Цыганов Д.Л. "Увеличение износостойкости твердосплавных пластин при осаждении алмазоподобной пленки"// Тез. 1-ой международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технология". М. 2002. С.203

98. Д.Л. Цыганов, М.И. Сазонов, В.М. Хвисевич "Упрочнение фрез на основе твердосплавных сплавов алмазоподобным покрытием" Тез. 2-ой международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технология". М. 2003. С.217

99. Статьи в материалах конференции

100. Цыганов Д.Л. Исследование стойкости режущего инструмента (фрезы) при нанесении алмазоподобной пленки// 15-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в оптике и электронике» Харьков. -2003. с. с.201-204

101. Веремейчик А.И., Сазонов М.И., Цыганов Д.Л. Плазмотрон для осаждения алмазоподобных пленок// 15-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в оптике и электронике» Харьков. 2003. с. 205-2081. Отчеты

102. Цыганов Д.Л. Осаждение алмазоподобных пленок при помощи плазменных струй. // Отчет (заключительный) по заданию МО РБ №02/205. — Брест, 2002. 59 с.

103. Век-торJE>p ерр;кого государственногоаГ-ГГ,>1. BejEEopJBpeftn1.!адского университета1. С. Пойта 2004г.

104. ОСАЖДЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

105. Технологическая инструкция.1. Начальник НИСа1. Зав. кафедрой СМиТМ1. Руководитель темы1. Разработал1. Киптик В.П.1. Хвисевич В.М.'^Сазонов М.И. Цыганов Д.Л.1. Брест, 2004г.1. СОДЕРЖАНИЕ1 ВВЕДЕНИЕ 3

106. Характеристика плазмохимического метода нанесения алмазо- 3 подобных пленок3 Технологическая схема 4

107. Технологическое оборудование 4

108. Описание основных технологических операций 4

109. Указание по мерам безопасности б1. ВВЕДЕНИЕ

110. ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА НАНЕСЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК.

111. Достоинством данного метода при нанесении покрытия на установке ВПУ-2М является высокая скорость осаждения.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.

112. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

113. Для нанесения алмазоподобных покрытий на режущий инструмент применяется модернизированная вакуумно-плазменная установка ВПУ-2М.

114. Очистка от загрязнений и обезжиривание инструмента осуществляется в установке ультразвуковой типа УЗВ-10.

115. В зависимости от характера загрязнений очистка ведется в соответствующих моющих средах. В качестве моющих сред используются водные растворы щелочных солей в сочетании с поверхностно-активными веществами.

116. Сушка производится конвекционным методом в сушильном лабораторном электрошкафу типа СНОЛ-3,5хЗ,5хЗ,5-Н2У4.2

117. Промывка от щелочных растворов производится в горячей (желательно проточной) воде с температурой от +60 до +90°С.

118. После ультразвуковой обработки необходимо изделия просушить. Инструмент размещают в проволочных корзинах и производят сушку в сушильном лабораторном электрошкафу CHOJ1-3, 5x3, 5x3, 5/3-У4.2 при температуре 50-60°С в течение 10-30 мин.

119. Обезжиривание и обезвоживание.

120. УКАЗАНИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ.

121. К работе на установке ВПУ-2М и приборах, применяемых в технологическом процессе, допускается обслуживающий персонал, хорошо знающий устройство и работу оборудования, его основных узлов и контрольно-измерительные приборы.

122. Персонал, эксплуатирующий установку, должен знать основы вакуумной техники и иметь удостоверение, дающее ему право работать на электроустройствах с напряжением до 1000В.

123. Эксплуатация установки допускается только при наличии в смене не менее двух человек, имеющих квалификационную группу по электробезопасности не ниже третьей.

124. Очистку камеры производить металлической щеткой, скребком и пылесосом.

125. При очистке стенок камеры и пылесоса пользоваться защитными очками и противопылевым респиратором типа «Лепесток 40».

126. Во избежание ожогов выгрузку изделий из камеры производить с помощью пинцета или щипцов.

127. Промывку инструмента и деталей оснастки бензином, ацетоном или спиртом осуществлять в вытяжном шкафу при включенной приточно-вытяжной вентиляции.

128. В помещении, где проводятся работы, должны быть огнетушители (типа ОУ-5 не менее 2 шт).

129. Бензин, ацетон, спирты хранить на стеллажах в плотно закрывающейся небьющейся таре.

130. Курение в помещении запрещается.1. БИЗНЕС -ПЛАНпо проекту НИОТР

131. Модернизировать, изготовить и внедрить вакуумно-плазменнуюустановку ВПУ-2. Исследовать и разработать технологический процесс осаждения нанокристаллических алмазных пленок методом CVD на режущий инструмент и пары трения "

132. Научный руководитель работы: Профессор кафедры СМ и ТМ БГТУ, д.т.н. "Т55""Сазонов М. И.1. Разработал Цыганов Д.Л.г. Брест 20001. ОБЩИЕ ДАННЫЕ

133. Организация-инициатор проекта Брестский государственный технический университет, Сморгонский завод оптического станкостроения.

134. Институт создан в 1966 году по приказу Совета Министров СССР № 533 от 09.05.1963 г.

135. Форма собственности государственное учреждение.

136. Подчиненность Министерство образования РБ.

137. Основные виды деятельности: научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы, преподавательская.

138. Почтовый адрес 224000, г. Брест, ул. Московская 267, БГТУ . Телефон - 42-90-021. Факс -42-21-27

139. Ректор БГТУ профессор, к.т.н. Федоров Владислав Германович1. Телефон 42-74-571. Факс -.42-57-57

140. Заместители ректора по науке:- профессор, к.т.н. Драган Владислав Игнатьевич -телефон 42-42-712. РЕЗЮМЕ.

141. ОСНОВНОЙ ЗАДАЧЕЙ предлагаемого проекта является:

142. Модернизировать и внедрить вакуумно-плазменную установку ВПУ-2.

143. Исследовать процесс осаждения нанокристаллических алмазных пленок методом CVD

144. Разработать технологию их получения.

145. Обеспечить внутренние потребности Республики Беларусь и экспорт установок ВПУ-2М.

146. Брестский государственный технический университет имеет необходимые наработки и специалистов высокой квалификации для проведения разработок и подготовки производства для выпуска установок ВПУ-2М.

147. На основании научно-технического задела предлагается разработать, изготовить и испытать в условиях промышленной эксплуатации опытные образцы инструмента с АП для машиностроительных заводов республики Беларусь.

148. Внебюджетное финансирование осуществляется за счет средств СЗОС.

149. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЯВИТЕЛЯ ПРОЕКТА.

150. Краткая характеристика результатов научной и производственно-хозяйственной деятельности за последние 2 года:1998г.

151. Научно-техническое сотрудничество осуществлялось в рамках 9 межвузовских договоров о сотрудничестве с вузами Польши и Германии.

152. По результатам проведенных исследований только по данной тематике опубликованы 3 тезисов докладов, 5 статей, представлено 1 экспонат на выставке "Белэкспортер".1999г.

153. В 1999 году завершено 103 хозяйственных договоров и 14 госбюджетных тем, в том числе 1 тема по межвузовской программе фундаментальных исследований "Приоритет".

154. Продолжают расширяться международные связи вуза с зарубежнымипартнерами, в 1999 году заключен межвузовский договор о научно-техническом сотрудничестве с Ченстоховской политехпикой (РП).

155. По результатам проведенных исследований только по данной тематике опубликованы 2 тезисов докладов, 3 статьи.4. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА НИОТР.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

156. Модернизировать и внедрить вакуумно-плазменную установку ВПУ-2.

157. Исследовать процесс осаждения нанокристаллических алмазных пленок методом CVD и разработать технологию их получения

158. Создание современной технологической базы для серийного производства установок ВПУ-2 полного импортозамещения и возможности поставки за рубеж.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И НОВИЗНА.

159. Указанный объем работы предполагается выполнить за 2 года. Основным исполнителем по проекту является БГТУ.

160. ХАРАКТЕРИСТИКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ.

161. Для повышения надежности и ресурса работы элементов механизмов и машин, работающих в жестких режимах эксплуатации, исключительно важное значение имеют износостойкие покрытия на рабочих поверхностях.

162. Сопоставительный анализ основных характеристик разрабатываемого оборудования и АП известными аналогами представлен в таблице 1.