Przygotowywanie powierzchni.

Aby uzyskać odpowiednią czystość podłoża przed naniesieniem warstwy przygotowuje się powierzchnię:

• chemicznie, oczyszczanie zgrubne aby pozbyć się wszelkich tłuszczów, zanieczyszczeń, tlenków czy korozji.

• jonowe, stosuje się przed samym procesem nanoszenia powłok, powoduje bardzo dobre oczyszczanie, aktywację i podgrzanie do założonej temperatury [2,3].

Etapy powstawania powłok

Większość powłok powstaje w prostych etapach:

• na początku uzyskane są pary nanoszonego materiału,

• kolejno następuje transport par na podłoże,

• końcowym etapem jest kondensacja par na podłożu oraz wzrost warstwy z zaabsorbowanych cząstek.

Nanoszenie par materiału może się odbywać poprzez rozpylanie, napylanie, platerowanie jonowe [2,3].

Warunki osadzania

Warunki w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej mają istotny wpływ. Zatem zmiana parametrów ma znaczący skutek na postać powłok. Podstawowe parametry to:

• temperatura podłoża,

• ciśnienie,

• energia jonów bombardujących [2,3].

Podział powłok

Uzyskane powłoki możemy podzielić na dwie grupy [2]:

• proste, inaczej jednowarstwowe

• złożone, które stanowią więcej niż jeden materiał i one jeszcze dzielą się na:

• wieloskładnikowe, podsieć danego pierwiastka jest w części wypełniona drugim,

• wielowarstwowe, powstają w wyniku nakładania na siebie kolejno różnych warstw,

• wielofazowe, stanowią one mieszaninę różnych faz i mają dużą odporność na zużycie ścierne,

• gradientowe, odmiana wielowarstwowych powłok różniących się własnościami warstw pojedynczych i składem chemicznym,

• kompozytowe, jest to mieszanina, dana faza jest dyspersyjnie rozproszona w drugiej,

• metastabilne, skupiają w sobie różne właściwości materiałów metalicznych z kowalencyjnymi, powstają w skutek syntezy faz nierównowagowych.

Istnieje także podział PVD na [2,3]:

• pierwszej generacji,

• drugiej generacji,

• trzeciej generacji.

Czynniki wpływające na skład i własności powłok

Skład i własności powłok zależą od czynników takich jak [2]:

• szybkość rozpylania,

• odległość między materiałem, a podłożem,

• ciśnienie argonu i gazu reaktywnego,

• gęstość rozpylanych atomów,

• stopień jonizacji gazu.

W wyniku licznych procesów, metody PVD różnią się [2,3]:

• umiejscowieniem sfery otrzymania i jonizacji par,

• technologią otrzymywania par osadzanych metali i związków (odparowywanie, sublimacja, rozpylanie katodowe lub anodowe),

• metodyką nanoszenia par.

W wyniku zbieżności nanoszenia powłok dzieli się je jeszcze na dwie grupy [2,3]:

• techniki klasycznego nanoszenia. Nanoszenie występuje w próżni lub w atmosferze gazu niezjonizowanego na czystej i zimnej powierzchni. Proces zazwyczaj przebiega powolnie. Pary metali nie mogą wybić atomów z podłoża, ponieważ posiadają niską energię i dlatego osiadają na niej. W związku z tym powłoki mają małą gęstość, nieznaczną adhezję i znaczącą ilość zanieczyszczeń.

• techniki jonowego nanoszenia próżniowego, zachodzą na czystym, zimnym, a także podgrzanym podłożu. Zawiera ona wiele technik, które nazywamy platerowaniem jonowym.

Proces fizycznego osadzania z fazy gazowej często stosowany do ulepszania i żywotności narzędzi. Efektywnym sposobem zwiększenia trwałości narzędzi jest nanoszenie powłok na ostrza i skutkiem tego jest [3]:

• bardzo duża odporność na ścieranie oraz wysoka twardość powierzchni roboczych narzędzi,

• zmniejszenie liczby awarii narzędzi,

• poprawienie właściwości tribologicznych zatem zmniejszenie współczynnika tarcia,

• poprawa jakości powierzchni obrabialnej,

• możliwość zwiększenia parametrów skrawania,

• poprawę jakości produktów.

Proces fizycznego osadzania z fazy gazowej to rozległe i różnorodne procesy.

W większości technik PVD nanoszona powłoka powstaje ze zjonizowanej plazmy, która jest kierowana poprzez wyładowanie elektryczne na dane podłoże. Zdarza się, że techniki nanoszenia z plazmy posiadają miano nanoszenia lub pokrywania jonowego wspomaganego plazmą PAPVD lub, które wykorzystują jony IAPVD. PAPVD w odróżnieniu od techniki PVD coraz częściej stosuje się do nanoszenia cienkich powłok. W tej technice jest większa energia kinetyczna cząsteczek w komorze, co skutkuje lepszą adhezją miedzy powłoką, a podłożem. Znacząca jest też duża energia plazmy wpływająca na dobre oczyszczanie powierzchni, na którą chcemy nanieść materiał. PAPVD jest procesem nierównowagowym, w którym ważnym czynnikiem podczas krystalizacji jest plazma. Użycie bombardowania krystalizującej powłoki w niskotemperaturowych procesach w zakresie energii 1 eV – 1 keV skutkuje wzrostem ruchliwości zaadsorbowanych atomów. Umożliwia także aktywowanie reakcji chemicznych poprzez doprowadzenie energii. Uznaje się, że gęstość prądu jonowego odpowiada strumieniowi jonów, a szybkość nanoszenia powłok jest proporcjonalna do strumienia kondensujących atomów [2,3].

Metody PVD

Używane są różnorakie metody PVD nanoszenia na narzędzia i dzielą się na [3]:

ARE- aktywowane reaktywnie naparowanie przy użyciu działa elektronowego wysokonapięciowego, celem odparowania materiału. Źródłem par oraz elektronów jest roztopione lustro.

BARE- aktywowane reaktywnie naparowanie przy użyciu działa elektronowego z ujemną polaryzacja podłoża. Jest to ulepszenie metody ARE. Różnicą jest zastosowanie ujemnej polaryzacji podłoża. Skutkiem tego jest polepszenie przyczepności powłok. Zastosowano dodatkowo tutaj jonizujące elektrody dodatnie.

CAD- katodowe odparowanie łukowe lub też CAE- katodowe naparowanie łukowe

RMS- reaktywne rozpylanie magnetronowe

ICB- reaktywne nanoszenie ze zjonizowanych klastrów. Polega na prowadzeniu wcześniej zjonizowanych klastrów na podłoże z prędkością ponaddźwiękową.

RIP- reaktywne napylanie jonowe. Bazuje na stopieniu i odparowaniu metali za pomocą wysokonapięciowego działa elektronowego.

PPM- odparowanie metalu następuje impulsowo plazmowo

HHCD- aktywowane odparowanie gorącą katodą wnękową

Wiele wymaga się od tak utworzonych powłok metodą PVD. Przyczepność powłok jest bardzo ważna i jeśli jest ona nieodpowiednia to całe pokrycie jest niewłaściwe i nie spełnia oczekiwań. Natomiast mikrostruktura, obciążenia zewnętrzne, a także środowisko zewnętrzne wpływają na adhezję. W wyniku adhezji dwie powierzchnie przylegają do siebie dzięki oddziaływaniom walencyjnym, a także połączeniom mechanicznym. Adhezja zależna jest także od czystości i należnego przygotowania podłoża przed procesem nakładania. Często też pojawia się tutaj dyfuzja.

Literatura

[2] Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo : materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002

[3] Dobrzański L.A., Dobrzańska-Danikiewicz A.D., Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich, Open Access Library Volume 5, 2011