Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

Лисовская В.В., Беляев Г.Я., Котов С.Ю.

Белорусский национальный технический университет, Республика Беларусь

Методы оценки шероховатости тонкопленочных покрытий

Тонкие прозрачные покрытия получают все более широкое применение в различных отраслях науки и техники. К настоящему моменту разработано несколько способов модификации поверхности материалов. Наиболее эффективный среди них - нанесение тонкопленочных 0,01-50 мкм покрытий из различных материалов с заданными структурой и физико-механическими и химическими свойствами. При помощи таких покрытий можно существенным образом изменить механические, оптические, электрические, магнитные, тепловые и химические свойства исходного материала, получая изделия с требуемыми свойствами. Высокие темпы развития наукоемких отраслей промышленности требуют непрерывного повышения качества, и эксплуатационных свойств покрытий.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные методы. Это обусловлено их экологической безопасностью, высокой чистотой технологических процессов и качеством продукции. Известно также, что в ионизованном или возбужденном состоянии атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным.

Повышение качества выпускаемой продукции требует решения многочисленных проблем в самых различных областях. Оценка влияния шероховатости, волнистости и отклонений формы поверхностей деталей на их функциональные свойства является одной из таких проблем. Шероховатость или микрогеометрия поверхности это одна из важнейших характеристик материалов. Она влияет на износостойкость, коррозионную стойкость, контактную жесткость и другие функциональные характеристики поверхности. Однако, вопросы достоверности оценки шероховатости все еще изучены недостаточно, а определение существующих стандартных и нестандартных критериев шероховатости достаточно трудоемки, что не всегда позволяет использовать их для решения многих задач в производственных условиях.

Актуальность проблемы подтверждается тем, что в настоящее время нет в мировой практике единого подхода к оценке шероховатости. Например, даже у таких стран как США, Англия, ФРГ, Япония количество параметров шероховатости значительно различается. Однако существует шесть параметров, которые характеризуют высоту поверхностных неровностей и линейные показатели этих неровностей. Эти параметры используют для практического нормирования в большинстве стран мира.

Проведение исследований по нахождению наиболее достоверных критериев шероховатости, а также разработка методик и устройств, которые позволят автоматизировать процесс измерения, все еще является актуальной задачей, направленной на повышение качества продукции и развитие производства.

Целью работы является анализ известных методов контроля шероховатости тонкопленочных покрытий и выявление зависимостей шероховатости от толщины покрытия, напряжения и силы тока на подложке.

Опыт использования существующих критериев оценки шероховатости показал, что они не всегда отвечают требованиям практики по следующим причинам:

• критериев достаточно много, что уже само по себе затрудняет оценку шероховатости;

• применяемые критерии не определяют однозначно и достаточно полно влияние микрогеометрии поверхности на эксплуатационные свойства материалов.

Контроль шероховатости поверхностей осуществляется двумя следующими основными методами.

Качественный метод оценки основан на визуальном сопоставлении обработанной поверхности с эталоном невооруженным глазом или под микроскопом, а также по ощущениям при ощупывании рукой (пальцем, ладонью, ногтем). Визуальным способом можно достаточно точно определять шероховатость поверхности, за исключением весьма тонко обработанных поверхностей. Эталоны, применяемые для оценки шероховатости поверхности визуальным способом, должны быть изготовлены из тех же материалов, с такой же формой поверхности и тем же методом, что и деталь. Качественную оценку весьма тонко обработанных поверхностей следует производить с помощью микроскопа или лупы с пятикратным и большим увеличением.

Количественный метод оценки заключается в измерении микронеровностей поверхности с помощью приборов: профилографов и профилометров.

Профилографы – это приборы, позволяющие получатть изображение микронеровностей профиля в увеличенном масшттабе на каком-либо носителе (фотоплёнке, фотобумаге).

Профилометры – минуя этап получения изображения, производят необходимые измерения профиля микронеровностей.

Нами были проведены исследования зависимостей шероховатости образцов с нанесенными PVD-покрытиями от толщины покрытия, напряжения и силы тока на подложке на профилографе-профилометре мод.252. Результаты измерений представлены на графиках 1,2,3.

Рисунок 1 – График зависимости величины шероховатости покрытия от его толщины

С ростом толщины покрытия увеличивается погрешность, вносимая толщиной на геометрию поверхности при шероховатости Ra 0,4 мм: в результате осаждения покрытия под небольшим углом к поверхности происходит практически линейный рост выступов на микрорельефе поверхности.

Рисунок 2 – График зависимости величины шероховатости покрытия от напряжения на подложке

Наличие напряжения на подложке позволяет за счет разницы потенциалов увеличить количество и равномерность осаждаемого вещества.

Рисунок 3 – График зависимости величины шероховатости покрытия от силы тока на подложке

С ростом силы тока происходит увеличение мощности дуги (при катодно-дуговом способе нанесения покрытия), в результате чего происходит неравномерная эрозия катода малыми «порциями» с образованием в паровой фазе «крупных» фрагментов электрода, так называемой капельной фазы. Попадая на поверхность крупные капли титана оказывают существенное воздействия на микрорельеф поверхности. С уменьшением силы тока вероятность образования капельной фазы снижается.

В ходе работы было выведено уравнение, описывающее зависимость толщины покрытия от силы тока на подложке, имеющее линейный характер:

h = 0,057I - 4,1211.

Влияние напряжения на подложке на толщину покрытия можно описать следующим уравнением:

h = 3E-05U² - 0,0139U + 1,4517.

Полученные функциональные зависимости могут позволить на практике добиваться заданной шероховатости поверхности. При нанесении плазменных покрытий следует учитывать влияние различных параметров (материала порошка, размера частиц, толщины наносимого покрытия, напряжения и силы тока на подложке) на величину шероховатости. На основании проведенных исследований можно утверждать, что величина микронеровностей покрытия возрастает с увеличением толщины наносимого покрытия и снижается с ростом напряжения на подложке. Необходимо избегать образования капельной фазы при катодно-дуговом способе нанесения покрытия, появление которой отрицательно сказывается на шероховатости поверхности. Учитывая сказанное выше можно значительно увеличить прочность сцепления покрытий с основой.

Литература:

1.Плазменные покрытия (методы и оборудование): учебное пособие/В.П. Кривобоков, Н.С. Сочугов, А.А. Соловьев; Томский политехнический университет (ТПУ). - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 104 с.

2. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов. Ю.Ф. Назаров*, А.М. Шкилько, В.В. Тихоненко, И.В. Компанеец. Украинская инженерно-педагогическая академия (Харьков) Украина, *Московский государственный открытый университет. Россия.

3. http://osntm.narod.ru/scherochowatost.html.