titAutori v článku predstavujú možnosti zariadenia ZIP-12, ktoré je určené na vytváranie tenkých vrstiev na funkčných povrchoch strojových súčiastok vákuovými metódami – PVD a PECVD. Popisujú ako metódy, tak aj rozsah technologických parametrov, ktoré ukazujú na možnosti použitia predstavovaného zariadenia.


V článku sú krátko charakterizované rozmery, tvar a materiály povlakovaných súčiastok, ako aj druh použitej metódy a materiály deponovaných tenkých vrstiev.

Užitočné pre životnosť strojových súčiastok
Tenké vrstvy (TV) deponované (pripravované, vytvárané) z pár na funkčnú plochu strojovej súčiastky sú často výhodne použité za účelom predĺženia životnosti strojovej súčiastky. Po ich deponovaní je povlakovaný povrch pripravený na použitie.

* * * * *
Delenie TV štruktúr
monovrstvy - multivrstvy - gradientné vrstvy [1]
* * * * *

Monovrstva je deponovaná pri konštantných technologických parametroch. Multivrstva je zložená z množstva TV, kde chemické zloženie každej je iné. Každá z nich má svoju funkciu. Prvá TV zabezpečuje dobrú adhéziu a posledná, krycia TV zabezpečuje dobrú odolnosť voči opotrebovaniu. Vrstvy medzi nimi majú za úlohu napríklad eliminovať zvyškové napätia po deponovaní TV z dôvodu rozdielnych koeficientov tepelnej rozťažnosti.
Gradientná vrstva je deponovaná tak, že technologické parametre sa menia v priebehu deponovania. Tak sa mení chemické zloženie, a tým aj mechanické a tribologické vlastnosti TV. Používajú sa predovšetkým tvrdé, oteruvzdorné vrstvy na báze uhlíka, dusíka a bóru. Metódy deponovania TV z pár delíme na fyzikálne (physical vapor deposition – PVD) a chemické (chemical vapor deposition – CVD).
Deponovanie TV z pár prebieha v uzavretom priestore, často s nízkym tlakom a pri zvýšených teplotách. Ako vyplýva z názvu, TV sa na povrchu súčiastky vytvárajú tak, že na povrch dopadnú atómy, ióny a molekuly látky, z ktorej následne v niekoľkých etapách rastie TV.
PVD metódy delíme na naprašovanie a naparovanie. V oboch prípadoch sú umiestnené zdroje odparovaného, odprašovaného materiálu TV vo vákuovej komore v tuhom stave. Ostatné prvky ako N2, C a iné sú napúšťané do komory vo forme plynov. Výhodou PVD metód sú nízke teploty deponovania (do ~500 °C). Preto sa s výhodou používajú na povlakovanie oceľových súčiastok a súčiastok z neželezných kovov a ich zliatin.
Nevýhodou je TV s nekonštantnými vlastnosťami, ako je hrúbka a tvrdosť. CVD TV sú deponované tak, že všetky prvky, z ktorých vznikne TV, vstupujú do vákuovej komory v plynnom skupenstve. Proces deponovania prebieha pri teplotách až 1 100 °C, čo je ich nevýhodou. Tieto TV majú vynikajúcu adhéziu a TV sa vytvára na všetkých plochách súčiastky s rovnakými vlastnosťami (hrúbka, zloženie, tvrdosť, ...) V procese deponovania TV na zníženie teploty možno použiť nízkotlakovú nízkoteplotnú plazmu, čo je ionizovaný plyn. Najčastejšie sa používa Ar. Táto plazma sa umiestňuje v priestore vákuovej komory tak, aby všetky častice ňou prechádzali a zrážkami s ionizovanými časticami Ar a tak ich kinetická energia narástla tak, ako je to v prípade vysokej teploty deponovania TV. Týmto možno znížiť teplotu deponovania na hodnoty do 450 °C. Poznáme CVD TV: PECVD, PACVD, PICVD. V podstate hovoríme o plazmou zosilnenom (enhanced), plazmou indukovanom (inducted) alebo aktivovanom (activated) procese CVD. CVD metódy delíme podľa teploty a podľa tlaku. Podľa tlaku sú to APCVD, LPCVD, ... a podľa teploty HTCVD, LTCVD, ... Cieľom predkladaného článku je predstavenie možností deponovania TV zariadením ZIP-12.

Popis zariadenia ZIP-12
Je to vákuové zariadenie s komorou v tvare valca (obr. 1) z nehrdzavejúcej ocele s rozmermi priemer 500 mm; výška 500 mm. Bolo navrhnuté tak, že je možné povlakovať súčiastky PVD metódou naparovania pomocou elektrónového lúča alebo odparovania materiálu umiestneného v tzv. lodičkách alebo metódou PECVD.

obr1
Obr. 1: Zariadenie ZIP 12: 1 – vákuová komora, 2 – priechodka, 3 – sublimačná komora, 4 – motýlikový ventil, 5 –prekurzor W(CO6), 6 – ventil, 7 - rotačná a difúzna výveva, 8 – magnetron, 9 – elektrónové delo.


Vákuová komora zariadenia je navrhnutá podľa [2]. V komore je rotačný prípravok na zabezpečenie planetárneho pohybu súčiastok počas procesu deponovania TV [3]. Vákuový systém zariadenia je tvorený dvoma olejovými rotačnými vývevami (rýchlosť čerpania 30 m3.h-1), ktoré odčerpajú vzduch z komory na tlak nižší než 20 Pa. Ďalšie zníženie tlaku plynulo zabezpečujú dve difúzne vývevy (rýchlosť čerpania 2 000 dm3.s-1), ktoré znížia tlak na 5.10-3 Pa. Na ohrev podložiek a na preddepozičné čistenie povrchov podložiek iónovým odprašovaním adsorbovaných vrstiev iónmi Ar a stimuláciu plazmy slúži vysokonapäťový zdroj nastaviteľný v intervale 0 až -5 kV oproti uzemnenej vákuovej komore s maximálnym prúdom 3A. Zariadenie obsahuje systém pre napúšťanie štyroch plynov (Ar, N2, H2, C2H2 / N2+SiH4) s nastaviteľným prietokom (elektronický regulačný prietokomer 306KA/Ro – Tesla ELSTROJ Praha a riadiaca jednotka 436 GA – TESLA Rožnov) a jedného plynu s reguláciou prietoku na konštantný totálny alebo parciálny tlak vo vákuovej komore (regulačná jednotka RVG 040 a ventil RMS 01 – BALZERS).
Zariadenie umožňuje prípravu vrstiev na substráty z materiálov, ktoré neuvoľňujú plyny a nečistoty. Sú to rýchlorezné ocele, nástrojové ocele, spekané ocele a spekané karbidy (tvrdokovy), konštrukčné ocele, hliníkové a titánové zliatiny, mosadze, keramické materiály, sklo, vybrané druhy umelých hmôt. Nanášanie vrstiev je možné už od izbových teplôt povlakovaného povrchu [4]. PVD metóda – naparovanie (pomocou elektrónového lúča alebo odporové), reaktívne naparovanie (obr. 2).
Proces naparovania prebieha vo vákuovej komore, po jej odčerpaní na požadovaný tlak (vákuum) a po procese bombardovania povrchu súčiastky prúdom Ar iónov (nazývame etching). Vplyvom etchingu dochádza nielen k čisteniu povrchu, ale aj k zvýšeniu teploty bombardovaného povrchu.

obr2
Obr. 2a: vákuová komora schematicky; b: pohľad do vákuovej komory zariadenia ZIP 12: 1 – katóda (držiak vzoriek, 2 – pomocná anóda, 3 – rotačný prípravok, 4 – odparovacie lodičky, 5 – téglik s odparovaným materiálom, 6 – ku vývevám, 7 – napúšťacie miesta (ventily) plynov.

 

Povlakovaná súčiastka (vzorka) je umiestnená na držiaku 1 alebo v rotačnom prípravku 3 (katóda). Odparovaný materiál TV je umiestnený v lodičke 4 alebo v 5 (odparovanie pomocou el. lúča). Pomocná anóda 2 slúži na umiestnenie plazmy vo vákuovej komore. Komora je odčerpávaná cez 6 a reaktívne plyny sú napúšťané cez 7.

Vrstvu požadovanej kvality možno získať na ploche kolmej na smer dopadajúcich odparovaných častíc. Keď odparovaný materiál reaguje s napúšťanými plynmi a tak dopadá na povlakovaný povrch, je vytváraná TV: TiN, CrN, TiCN a ďalšie, napríklad boridy uvedených chemických prvkov. PECVD metóda – využíva sublimačnú komoru umiestnenú na dverách vákuovej komory. V nej sú umiestnené materiály na deponovanie TV vo forme karbonylov W(CO)6, Cr(CO)6, Mo(CO)6, Co2(CO)8, Os3(CO)12, Rh6(CO)16, Ru3(CO)12, Mn(CO)5, Re2(CO)10. Tie sú pri izbovej teplote v tuhom stave, presnejšie vo forme prášku. Menej vhodné sú Fe(CO)5 a Ni(CO)4, ktoré sú za týchto podmienok kvapalné. Sublimačná komora je vyrobená podľa [5 – 7].

Deponovanie, napríklad WC TV, prebieha ako pri PE CVD metóde s jednosmerným elektrickým napätím, kde na elektricky vodivé podložky je pripojený záporný elektrický potenciál oproti kovovej vákuovej komore PVD zariadenia, čím sa v parách W(CO)6 alebo v zmesi týchto pár s Ar, alebo aj s C2H2, prípadne s N2 vytvára plazma. Rozklad W(CO)6→W + 6 CO a reakcia 2 CO → C + CO2 a vytváranie WC prebieha v priestore plazmy a na povrchu podložky. Reálny mechanizmus rozkladu zrážkami molekúl W (CO)6 s elektrónmi a iónmi je zložitý proces a možno pri ňom predpokladať existenciu fragmentov rozkladu W(CO)6 aj v exitovanom a ionizovanom stave [8].

Záver
Na základe rozmerov vákuovej komory zariadenia ZIP 12 možno povedať, že zariadenie je určené na experimentálne aj výrobné účely. Možno povlakovať vonkajší povrch predmetov metódami PVD – odparovaním materiálu TV pomocou elektrónového dela a metódou PE CVD použitím karbonylov kovov s vysokou teplotou tavenia. Vnútorný povrch valcov možno povlakovať metódou PE CVD. Na základe publikovaných vedeckých článkov podobných [8] možno získať tvrdé oteruvzdorné TV deponované aj na funkčných povrchoch súčiastok z ocelí a zliatin neželezných kovov, napríklad Al a Ti. Hrúbky povlakov sa pohybujú od 1 µm do 5 µm. Boli potvrdené možnosti získavania uhlíka pre tvorbu TV WC reakciou 2CO → CO2 + C, kde CO sa získava rozkladom W(CO)6 → W + 6CO. Z uvedeného vyplýva, že na prípravu TV WC nie je nutné použiť uhľovodík [8]. Uvedený spôsob možno analogicky použiť na prípravu TV kovov, nitridov, karbidov, silicidov a boridov, rozkladom Cr(CO)6, Mo (CO)6, Os3(CO)12, Rh6(CO)16, Ru3(CO)12, Re2(CO)10, ktoré sú pri izbových teplotách a atmosférickom tlaku v tuhom stave, majú dostatočne vysoký tlak nasýtených pár a dostatočne nízku teplotu rozkladu [8].

TEXT/FOTO Peter Horňák1 , Fakulta priemyselných technológií, Univerzita A. Dubčeka, Púchov, a kol.
Ďalší spoluautori: 2 – Jozef Trebuňa, Katedra strojárskych technológií a materiálov, Strojnícka fakulta, Technická Univerzita v Košiciach, 3 – Piotr Kurylo , Zakład Automatyzacji Procesów Produkcyjnych, Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn, Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra

Literatúra:
[1] D. Kottfer: Vákuové technológie prípravy tenkých vrstiev z pár, TU Košice, 2018, 125 strán, ISBN 978-80-553-2998-7
[2] D. Liška, I. Pecár, L. Semsey, A. Gajdoš, M. Ferdinandy, J. Král: Vákuová komora pre zariadenie na iónové plátovanie a iónovú implantáciu, Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Patentový spis č.: 252966
[3] D. Liška, I. Pecár, L. Semsey, A. Gajdoš, M. Ferdinandy, J. Král: Zariadenie na rotáciu súčiastok vo vákuových zariadeniach počas vytvárania vrstiev, Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Patentový spis č.: 252970
[4] P. Horňák: Vplyv technológie povlakovania na vybrané vlastnosti WC-C povlakov, dizertačná práca, Trenčianska univerzita A. Dubčeka v Trenčíne, Púchov, 2016, s. 105
[5] M. Ferdinandy, M. Czajlik, J. Král, D. Liška, M. Timková: Spôsob vytvárania tenkých vrstiev wolfrámu na pevnom substráte, Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Patentový spis č.: 248976.
[6] M. Ferdinandy, M. Czajlik, J. Král, D. Liška: Spôsob vytvárania tenkých vrstiev wolfrámu na elektricky vodivom substráte, Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Patentový spis č.: 252859
[7] M. Ferdinandy, M. Czajlik, J. Král, D. Liška: Spôsob vytvárania tenkých vrstiev wolfrámu na elektricky vodivom substráte, Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Patentový spis č.: 252860.
[8] M. Ferdinandy, F. Lofaj, J. Dusza, D. Kottfer: Chemické listy. 105 (2011) p. s 442 – 444.