ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОТОКОВ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

Оценка свойств поверхностного слоя при воздействии плазменных потоков

Степень изменения исходных поверхностных структур конструкционных металлических материалов при технологическом воздействии потоков газовой и металлической плазмы в процессах ВИП-обработки определяется требованиями конструкторской документации к состоянию поверхностного слоя при изготовлении конкретных деталей с целью получения заданных эксплуатационных свойств. Исходя из этих требований формируется технологический процесс, в котором определяются виды технолотческих воздействий, осуществляемых плазменными потоками, их плотности и энергетические параметры. Под воздействием газовой и металлической плазмы происходят структурные изменения поверхностного слоя, которые определяют конечный комплекс создаваемых эксплуатационных свойств. На различных этапах технологического процесса характер и эффект воздействия плазменных потоков на поверхность меняются, поэтому проводят поэтапные исследования формируемых структурных превращений с использованием методов оценки эффективности воздействия плазменных потоков на поверхность.

Технологический этап предварительной и окончательной подготовки поверхности является одним из основных этапов, определяющих создаваемые служебные свойства, реализуемые при последующих операциях нанесения покрытий. В настоящее время не существует универсального метода очистки и активации поверхности, обеспечивающего эффективное удаление технологических загрязнений всех видов и барьерных оксидных слоев для многообразия конструкционных металлических материалов, применяемых в машиностроении, авиастроении и медицине.

Сложный процесс взаимодействия потоков газовой и металлической плазмы с обрабатываемой поверхностью (подложкой) при формировании модифицированных слоев и нанесении покрытий пока еще недостаточно изучен. Как показал анализ, снижение качества покрытий, модифицированных слоев и ухудшение их работоспособности, как правило, связаны с нарушением выполнения технологических этапов при их формировании и с отсутствием способа объективной оценки эффективности технологических воздействий потоков плазмы на данных этапах. Причинами нестабильности качества проводимых процессов являются отсутствие теоретических обоснований структурных изменений в поверхностных слоях, формируемых при осуществлении технологических этапов нанесения ионно-вакуумных покрытий, модифицирования, а также слабая изученность процессов возникновения различных дефектов в поверхностных слоях.

Причинами образования дефектных покрытий и модифицированных слоев могут быть:

О несоблюдение вакуумной гигиены;

О несоблюдение всех требований к предварительной подготовке и обезжириванию поверхности;

О неправильный выбор и несоблюдение режимов очистки;

О отсутствие контроля эффективности процессов предварительной очистки и активации поверхности, а также процессов осаждения и диффузии модифицирующих элементов и элементов покрытия.

Наиболее эффективным способом качественной оценки исходного состояния поверхностей, а также состояния после технологических воздействий потоков плазмы в процессах очистки, активации и осаждения является энергетический метод, основанный на измерении приведенного поверхностного потенциала.

Как правило, любой вид поверхностной обработки конструкционных металлических материалов приводит к изменению поверхностной структуры, формирующей поверхностный потенциал. Каждому структурному состоянию соответствует определенный поверхностный потенциал. Так, обработка резанием и упрочняющая поверхностная обработка приводят к изменению структуры поверхности (например, при лезвийной обработке нарушаются кристаллическая структура, ее периодичность, из-за поверхностной пластики образуются кристаллические искажения; при упрочняющей обработке формируется структура, свойственная тому или иному виду поверхностной обработки), что в свою очередь вызывает изменение поверхностного потенциала. Процессы анодирования и нанесения защитного покрытия существенно изменяют поверхностный потенциал исходного материала, придавая ему значения, соответствующие образованной новой структуре, что дает возможность контролировать процессы образования защитных покрытий и, следовательно, оптимизировать их эксплуатационные свойства. Исследуя изменение потенциала покрытий в процессе эксплуатации, можно прогнозировать работоспособность покрытий по его состоянию и контролировать изменение свойств, обусловленных покрытием. Таким же образом можно контролировать процесс травления поверхности. В большинстве случаев этот процесс предназначен для удаления оксидов с поверхности материала, поэтому по восстановлению уровня поверхностного потенциала можно судить о полноте их удаления.

Метод экзоэлектронной эмиссии используется для исследования и контроля энергетического состояния поверхности металлов. Сущность метода заключается в регистрации и анализе параметров нестационарных эмиссионных токов малой величины, которые возникают на поверхности при наличии энергии деформации или в результате контакта с активной средой.

Известно, что значение работы выхода электрона (РВЭ) материала само по себе не дает прямой информации о его химическом составе и структуре. Однако наличие связи РВЭ с другими свойствами материала позволяет косвенно судить об изменении состава и свойств поверхности. Широкое применение измерения РВЭ для контроля свойств материалов стало возможным с распространением методов невакуумного измерения. При этом наиболее универсальным является метод измерений РВЭ на воздухе, включенный в ГОСТ 18353—79 в качестве энергетического метода неразрушающего контроля.

Метод измерения контактной разности потенциалов (КРП) является наиболее приемлемым из существующих методов оценки поверхностного потенциала.

По значению КРП металлы располагаются в ряд Вольта, где каждый предыдущий металл ряда при контакте с одним из последующих заряжается положительно. Значения КРП зависят от температуры, поверхностного уровня энергии, наличия слоя различных веществ на поверхности: адсорбированных газов, изменения уровня Ферми в результате химических и структурных изменений. Этот метод можно применять для изучения природы адсорбции различных веществ на поверхности твердого тела, исследования механизма окисления, коррозионных процессов, определения антифрикционных свойств конструкционных материалов, смазывающих и адгезионных способностей, а также для выявления свойств масел и смазок в процессе их эксплуатации.

Наиболее перспективными для контроля состояния поверхности в лабораторных условиях и производстве являются устройства, использующие статический конденсатор для измерения КРП.

Свойства поверхности можно разделить на две группы:

О основные — состав поверхности, ее атомная и электронная структура, движение поверхностных атомов, природа и распределение поверхностных дефектов, топография поверхности;

О производные, зависящие от первичных свойств и характеризующие процессы, происходящие на поверхности, — электрические, магнитные, оптические, адгезионные и каталитические свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, смазываемость и реакционная способность.

Определение взаимосвязи основных и производных свойств — ключ к получению конкретных практических результатов в технологических целях. Эту взаимосвязь можно установить, исследуя изменения поверхностного потенциала.

Как отмечалось, поверхностный потенциал, измеряемый методом КРП, чрезвычайно чувствителен к состоянию поверхности. Введение легирующих элементов изменяет структуру твердого тела, что приводит к изменению потенциала поверхности. Так, растворенные в металле газы изменяют поверхностный потенциал: при растворении кислорода, азота (электроотрицательные элементы) потенциал увеличивается, а при растворении водорода (электроположительный элемент) — уменьшается.

Структуры реальных металлов весьма разнообразны и, как правило, содержат многочисленные дефекты и несовершенства, определяющие степень подвижности электронов, фазовый состав. Это прежде всего различие кристаллической и электронной структур, а также наличие фазовых напряжений, особенно для сталей. Вследствие этого поверхностный потенциал реальных металлов может существенно меняться в зависимости от структуры и фазового состава. Остаточные напряжения, обусловленные энергетическим воздействием на металл, увеличивают энергию электронов и, следовательно, изменяют поверхностный потенциал.

Большое влияние на потенциал оказывают мономолекуляр- ные слои, адсорбированные поверхностью твердого тела. Так, при адсорбции атомов кислорода на поверхности металла образуется отрицательно заряженный ион кислорода и верхняя обкладка двойного электрического слоя заряжается отрицательно. Вследствие этого электрическое поле тормозит выход электронов из металла и потенциал выхода увеличивается. Если технологическое воздействие приведет к структурному, фазовому, энергетическому изменению поверхности, то произойдет изменение его потенциала. При механической обработке, упрочняющей поверхностной обработке изменятся поверхностная структура, ее энергетическое состояние и соответственно поверхностный потенциал. Любое энергетическое воздействие на поверхность металла изменяет кинетическую энергию электронов и, следовательно, изменяет потенциал выхода электрона. Процесс анодирования и нанесения защитного покрытия совершенно изменяет поверхностный потенциал исходного материала, придавая ему новые значения, отвечающие той структуре, которая свойственна поверхности. Вследствие этого можно контролировать процессы образования защитных покрытий и оптимизировать их по эксплуатационным характеристикам. Исследуя процесс стабильности потенциала покрытия в период эксплуатации, можно прогнозировать работоспособность покрытия по его состоянию и контролировать изменение свойств.

В процессе эксплуатации поверхностные слои металла или защитные покрытия под действием внешних факторов претерпевают значительные изменения, которые могут выражаться в фазовых, структурных или энергетических изменениях монослоев поверхности, которые приводят к изменению потенциала; по этим изменениям можно судить о нарушении работоспособности поверхности.

Для выработки критериев качества и работоспособности поверхности металлов, защитных и специальных покрытий необходимы набор статистической информации, анализ и построение номограммы надежности работы этих покрытий в условиях эксплуатации. Первая область исследований изменения поверхностного потенциала — это оценка адекватности свойств исходной поверхности и степени удаления с ее поверхности адсорбированных слоев и оксидов.

В производственных условиях под воздействием различных видов поверхностной обработки формируется поверхностный слой, характерный для каждого вида обработки с последующим образованием оксидных и адсорбционных слоев. В общем виде структура технологически чистого поверхностного слоя металлического твердого тела представлена на рис. 4.1.

Л. Схема формирования композита

Рис. 4Л. Схема формирования композита: металл—поверхностный слой: а - первичная исходная структура; б - видоизмененная поверхностная структура; в - дефектная поверхностная наноструктура; г - оксидная структура поверхности; д — оксидная структура с адсорбированным слоем

Адсорбированный слой содержит адсорбированные газы (например, хемосорбированный кислород), воду и неорганические и органические вещества (например, пленку технических масел или соединений, образовавшихся из моющих средств). На технически чистых поверхностях металлов этот слой обычно имеет толщину от 1 до 10 нм. Суммарная масса поверхностных (загрязняющих) веществ колеблется в пределах 0,1—1 г/м2.

Оксидный слой в зависимости от предыстории образца может быть толщиной от 1 до 100 нм и более.

Внутренний граничный слой имеет нарушения кристаллической решетки и структуры, вызванные предшествующей формообразующей обработкой.

Так как наличие поверхностных слоев может решающим образом влиять на качество потенциала, понятно, что необходима тщательная подготовка поверхности.

Качество покрытия, его сплошность, микропористость в большой степени определяются первой стадией технологического процесса — стадией очистки поверхности [10, 18, 29]. Полнота очистки поверхности в большей степени зависит от правильного выбора способа очистки.

Изменение приведенного поверхностного потенциала V образцов из сталей, подвергнутых различным видам технологических загрязнений после вакуумного отжига

Рис. 4.2. Изменение приведенного поверхностного потенциала Vn образцов из сталей, подвергнутых различным видам технологических загрязнений после вакуумного отжига:

А — вакуумный отжиг; Б — обработка СОЖ (специальной охлаждающей жидкостью); В — обработка веретенным маслом; Г — обработка волокнистым материалом; Д— обработка пылью; Е — декапировка; / — 30ХГСА; 2— 11X11Н2В2МФ

Свойства поверхности можно оценить такой энергетической характеристикой, как поверхностный потенциал V, однако, учитывая его чувствительность к внешним факторам (температура, влажность окружающей среды) и конструктивным особенностям измеряемых устройств, целесообразно использовать поверхностный потенциал, приведенный к условиям исследований Vn. Так, величина приведенного поверхностного Vn существенно изменяется в зависимости от загрязнения поверхности и способа очистки (рис. 4.2, 4.3).

Изменениетопограммы поверхности (а) и приведенного поверхностного потенциала V (б) образцов из сталей, подвергнутых различным способам очистки после предварительного загрязнения

Рис. 4.3. Изменениетопограммы поверхности (а) и приведенного поверхностного потенциала Vn (б) образцов из сталей, подвергнутых различным способам очистки после предварительного загрязнения:

А — загрязнение техническим маслом; Б — очистка ацетоном; В — очистка спиртом; Г— очистка ультразвуком; Д — очистка в расплаве солей; Е — ионная очистка газом;

/- ЗОХГСА; 2— 11X11Н2В2МФ

Нанесение покрытия на неочищенную поверхность сопровождается формированием множества дефектов, вследствие чего получают различные потенциалы поверхности (рис. 4.4).

Влияние вида технологических загрязнений на приведенный поверхностный потенциал сталей с покрытием TiN (предварительная обработка перед загрязнением - УЗО)

Рис. 4.4. Влияние вида технологических загрязнений на приведенный поверхностный потенциал сталей с покрытием TiN (предварительная обработка перед загрязнением - УЗО):

А — ультразвуковая обработка (УЗО); Б — УЗО + AM Г (гидрожидкость); В — УЗО + + СОЖ; Г— УЗО + веретенное масло; Д — УЗО + обтирка волокнистым материалом; Е — УЗО + обработка пылью; Ж — УЗО + декапировка; 3 — УЗО + загрязнение;

/- ЗОХГСА; 2- 11X11Н2В2МФ

Таким образом, по изменению приведенного поверхностного потенциала можно судить о степени загрязнения исходной поверхности и эффективности применения выбранного способа очистки поверхности.

Наиболее эффективным способом очистки поверхности является ионное травление ускоренными потоками газовой плазмы. Диапазон энергий потоков газовой плазмы может изменяться в интервале от 100 до 1000 эВ. В зависимости от энергии потоков изменяется их эффективность при осуществлении технологических воздействий на обрабатываемую поверхность. Чтобы в процессе ионного травления формировались наименьшие поверхностные дефекты, необходима оптимизация энергетических характеристик ускоренных потоков газовой плазмы, так как избыток энергии может способствовать растраву поверхности. Ускоренный поток газовой плазмы реализуется генератором газовой плазмы, в качестве которых применяют различные источники, обеспечивающие равномерное распределение ионного потока в рабочем объеме камеры, например тлеющий разряд, несамостоятельный газовой разряд, низковольтные и высоковольтные источники газовой плазмы. Во время ионной очистки не допускается образование дуговых разрядов на обрабатываемых поверхностях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >