Получаване и свойства на композитни покрития на база метал-въглерод с нанокристал
През последните 20-25 години учените по материали започнаха да осъзнават по-ясно специалната роля, която играят свободната повърхност и интерфейсите в материалите в комплекса от техните експлоатационни свойства. Практическото използване на това обстоятелство позволи да се разработят методи за модифициране на повърхността на материалите, като сред тях най-ефективно е отлагането на тънкослойни покрития от 0,01-50 микрона от различни материали с определена структура и физични, механични и химични свойства. С помощта на такива покрития е възможно значително да се променят механичните, оптичните, електрическите, магнитните, топлинните и химичните свойства на изходния материал, като се получават продукти с необходимите (например антикорозионни, устойчиви на износване и др.) свойства. В тази посока имаме натрупан известен опит в научноизследователската и развойна дейност.
Нашата концепция се основава на използването на високоскоростни и ефективни методи за нанасяне на покритие, като: йонно-плазмен магнетрон, йонно-плазмен вакуум-дъга, йонна имплантация, йонно ецване и др.; както и комбинирани методи, например: магнетрон + вакуумна дъга, магнетрон + йонна имплантация, вакуумна дъга + йонна имплантация, електронен лъч + електронна плазма и др. Тези методи са най-универсалните и технологично напреднали, те могат да се използват за нанасяне на почти всеки материал: метали, сплави, химически съединения, композити; за получаване на филми с ултрафина структура от аморфен и аморфоподобен тип; нанасяйте покрития върху продукти, изработени от почти всякакви материали: метали, сплави, керамика, пластмаси, стъкло, въглерод и въглеродни влакна и др.
Оборудване за нанасяне на покритие
За ефективно пръскане на материали и нанасянето им върху работните повърхности на продуктите в моментаРазработени са основните структурни схеми на системи за йонно-плазмено разпрашване: магнетронни и вакуумно-дъгови плазмотрони, използвани поотделно или в комбинирана версия, включително заедно с устройства за йонна обработка и повърхностно ецване. С тяхна помощ се нанасят покрития както върху външните повърхности на продуктите, така и върху вътрешните повърхности, например тръби, втулки, втулки и други кухини с вътрешен диаметър от 300-1500 mm и повече и дължина от няколко милиметра до 10-12 метра. Конструктивните характеристики на тези системи за разпрашаване са, че те позволяват разпрашаване на метали и сплави със специфична плътност на мощността в целевата зона на разпрашаване до 500-800 W/cm 2 ; химични съединения (карбиди, нитриди, силициди и др.) от 70 до 500 W / cm 2.
За широкото използване на прости и универсални системи за разпрашаване е разработена концепцията за катодна мишена (мишена), особено за получаване на покрития от сложни сплави, химични съединения и композити. Като се вземат предвид особеностите на процесите на йонно-плазмено разпрашване (прехвърляне на целевия материал в покритието без значителна промяна в състава), концепцията се основава на използването на целеви катоди, изработени от материал с определен състав. За производството на мишени, например карбиди от огнеупорни метали, се използват както конвенционални металургични методи, така и методи на прахова металургия, вкл. химическа редукция, горещо пресоване и синтероване с ноу-хау в приготвянето на прахове и тяхното горещо пресоване. На същия принцип е разработен нов клас материали от типа метал-въглерод, което позволява да се получат такива състави в покритието като: метал-въглерод, метал-карбид-въглерод, метал-карбид, карбид, карбид-въглерод и др.Тези материали значително опростяват процеса и правят възможно получаването на покрития с различни функционални цели, които отговарят на най-високите изисквания по отношение на състав, химическа чистота, структурна еднородност и специфични физични, механични и химични свойства.
Технология и видове покрития
Въз основа на тези разработки вече са създадени високоскоростни експериментални системи за нанасяне на покрития, които нямат чужди аналози, което позволява нанасянето на покрития от следните материали:
* магнитни, като никел, кобалт, бронирано желязо, сплави на тяхна основа, РЗМ;
* химически съединения на огнеупорни метали с азот, въглерод, бор, силиций, сяра;
* композити на база метал-въглерод;
* псевдосплави като молибден-мед, волфрам-мед, волфрам-калай, волфрам-олово и др.;
*интерметали, като никел-алуминий, никел-магнезий, титан-мед;
* оксиди, включително сложни, така наречените шпинели и др.
Използвайки методите за нанасяне на покритие, описани по-горе, са разработени методологичните основи за създаване на нов клас материали, базирани на смесване на атомни клъстери. В резултат на това стана възможно получаването на нови композитни материали, например на базата на метал-метал (Me-Me), метал-въглерод (Me-C), метал-въглерод-азот (Me-C-M) и някои други. Общото за всички тези материали е хомогенното смесване на атомно ниво и аморфната структура, а редица материали (Me-C, Me-C-N) запазват аморфна структура до температури от 1000-1200°C. Тези материали или са практически невъзможни за получаване чрез конвенционалните методи на металургията и праховата металургия, или за това са необходими много големи и скъпи трикове. Например, известно е, че всички карбидиогнеупорните метали IV - VI групи от периодичната таблица се окисляват при температура на нагряване около 300 ° C. Ние получихме карбиди, по-специално хром и молибден, които не подлежат на окисление в поток от чист кислород до 800-1000 ° C.
Метални покрития
Металните покрития от метали и сплави имат широк спектър от приложения и в зависимост от определените условия на работа могат да бъдат например: втвърдяващи, устойчиви на корозия и ерозия, износоустойчиви, отразяващи топлина и светлина, селективни, порести, с необичайно нисък коефициент на триене ( (с определени параметри на слоя) покрития
Износоустойчиви покрития
Наред с традиционните покрития от титанов нитрид, цирконий и техните карбонитриди са разработени и технологии за:
*към режещия инструмент-за създаване на солидна бариера с необичайно нисък коефициент на триене и ниво на вътрешно напрежение от 200-400 kg/mm 2 при обработка на трудни за рязане материали, където по време на рязане повърхността в точката на контакт на частта с фрезата има температура от 1100-1250°C (трайността, например, на твърдосплавни фрези с покритие, когато обработка на неръждаема стомана и сплави, съдържащи никел и титан, 7-10 пъти).
*към оформящияинструмент-за създаване на солидна бариера с необичайно нисък коефициент на триене, която предотвратява залепването на обработвания материал, например пластичен никел, мед, ниобий, ванадий, тантал към материала на инструмента; животът на инструмента по време на валцуване и изтегляне на тези материали се увеличава с 5-10 пъти.
Покритията на базата на метален карбон, поради техните уникални характеристики, позволяват да се използват за триещи се двойки (плъзгащи и частично търкалящи механизми) - необичайно нискикоефициент на статично и динамично триене ((18000 об./мин.), инсталации за втечняване на газове (турборазширители със скорост на въртене 120000-360000 об./мин.) като опорни лагери в аеростатични лагери при спиране на ротора, в сачмени окачвания на коригиращи двигатели, като противозадирна бариера в натоварени винтови двойки и др.
Функционални покрития
Примерите за функционални покрития включват:
* нанасяне на метални проводими покрития върху керамични корпуси, радиатори и прозорци от оксиди на алуминий, берилий, алуминиев нитрид и др.;
*нанасяне на антикорозионни покрития, регулиращи порьозността на филтри за пречистване на газове от вредни примеси (аерозоли и механични примеси) и газоотделителни филтри с цел оползотворяване на токсични отпадъци (включително сероводород и азотен оксид).
Златото, среброто, платината традиционно се използват като декоративни покрития върху изделия от метал, стъкло, керамика и пластмаса, а бронзът, месингът и алуминият са широко използвани. Напоследък титановите и циркониеви нитриди се използват като заместители на благородните метали.
Особено приложение намери клас тънкослойни покрития на базата на оксиди и оксикарбиди на метали IV - VI A от групи, алуминий, желязо, кобалт, никел.
За тези цели е разработена технология, чиято отличителна черта е, че тънкослойните покрития от оксиди се получават без използването на чист кислород (експлозивен при използване на вакуумни помпи с пара-масло) и процеса на разпръскване на HF оксид.
Чрез използване на конвенционална пулверизация с постоянен ток на метални материали и специални газови смеси, инертни към масло, е възможно постоянно да се получават прозрачни,полупрозрачни и непрозрачни тънкослойни оксидни покрития върху повърхността на продукти, изработени от различни материали, включително стъкло и керамика.
Технологията е универсална и дава възможност за получаване на еднослойни и многослойни покрития с променлив състав в един работен цикъл.
Тази технология дава възможност за получаване на оксидни покрития от следния тип:
* прозрачен чист с коефициент на пречупване 2.1 - 2.3;
* прозрачен, леко оцветен тип "полилей" с богата гама от нюанси, например сребристо, златисто, синкаво, синкаво, рубинено, зеленикаво, златисто кафяво и др.;
* полупрозрачен цвят, например лилаво, синьо, синьо, зелено, жълто, кафяво, черно и др.
*непрозрачни с подчертан цвят, като лилаво, синьо, изумрудено зелено, лилаво и др.
Физико-химични и механични характеристики на покритията:
*Химическият състав е близък до стехиометричния.
* Порьозността на покритието е на ниво 95-98% от теоретичната.
* Електрически характеристики, близки до тези на чистите оксиди или
шпинели в случай на пръскане на сложни сплави.
* Химическа устойчивост, сравнима с тази на чисти оксиди или
* Механичните свойства на тънките оксидни филми са много по-високи,
отколкото масивни продукти, направени от оксиди, например тънкослоен оксид
покритието от силициев оксид увеличава здравината на фибростъклото от
силициев оксид с диаметър 100 микрона с 15-20%.
* Твърдост HV (H / кв.м при стайна температура) на ниво
твърдост на чисти оксиди или шпинели (например диоксид
цирконий) и е около 7,9 - 8,0.
*Адхезия към основата на нивото на якост на основатаматериал върху
разтягане. Оксидното покритие е в добро съответствие с оксидната основа.
виене, например стъкло, керамика, стъклен емайл и глазура
слой върху керамика.
*Устойчивост на износване при ниво на износване на електроем с висока якост
леви корици. Повишава устойчивостта на силикатните стъкла към прах
ерозия 2-3 пъти.
Области на използване
Обмисля се широка област на използване на оксидни покрития.Понастоящем оксидните покрития са тествани и практически използвани в следните области:
* художествена декорация на съдове от силикатно стъкло, кристал, порцелан, фаянс - това е цветно тониране, придаващо блясък и висока светлоотразителна и пречупваща сила;
* художествена обработка на облицовъчни строителни плочки - това е цветно боядисване на повърхността в желания цвят, придаващ блясък и висока отражателна способност;
* художествена обработка на повърхността на бижута и копчета от стъкло и керамика, метален обков за дрехи, обувки и аксесоари.
Други приложения, които изискват създаването на специализирано оборудване за мащабно производство:
* затъмняване на прозорци и витрини за гражданско и промишлено строителство. Използването на оксидни покрития за тези цели значително намалява разходите и опростява процеса на нанасяне на светло- и топлоотразяващ слой и в сравнение със съществуващите технологични процеси за нанасяне на многослойни покрития на основата на метали, увеличава експлоатационния живот на тонираното стъкло и разширява цветовата гама на неговия цвят;
* тониране на строителни профили от пластмаса и фибростъкло, използвани за производство на дограма (рамки), облицовъчни панели. Покритиесъответната цветова гама имитира цвета на дървото от различни видове светли и тъмни цветове