Wang Chengbiao
1 Introducción
La falla de una pieza de trabajo generalmente es causada por daños en su superficie. Mejorar la morfología, composición química y estructura de la misma. Superficie del material y cerca de la superficie La estructura y el rendimiento son medios efectivos y económicos para mejorar la calidad de la pieza de trabajo, extender la vida útil y evitar fallas. La ingeniería de superficies es una ingeniería sistemática que mejora la morfología, la composición química, la estructura organizativa y el rendimiento de la superficie del material mediante la modificación de la superficie, el recubrimiento de la superficie o múltiples tratamientos compuestos de tecnología de superficie después de que el material ha sido pretratado, obteniendo así las propiedades superficiales requeridas.
La ingeniería de superficies se basa en el núcleo de investigación de "superficie" e "interfaz". Sobre la base teórica de disciplinas relevantes, se aplican diversas tecnologías de ingeniería de superficies e ingeniería de superficies compuestas para mejorar los materiales según la falla. Mecanismo de la superficie del material. La ciencia del rendimiento. Su contenido incluye la teoría básica de la ingeniería de superficies, la tecnología de superficies y la tecnología de superficies compuestas, la tecnología de procesamiento de superficies, la tecnología de detección y control de superficies y el diseño de superficies y la tecnología de superficies compuestas son la base técnica y el núcleo de la ingeniería de superficies.
La tecnología de superficies y la tecnología de superficies compuestas combinan electrónica, vacío, plasma, física, química, metalurgia, materiales y otras tecnologías para tratar la superficie y la matriz del material como un todo unificado para mejorar el rendimiento de los materiales u obtener nuevos. unos. Las tecnologías de superficies de uso común se pueden dividir en tecnología de modificación de superficies, tecnología de recubrimiento de superficies y tecnología de superficies compuestas.
2 Tecnología de modificación de superficie
La tecnología de modificación de superficie no cambia las dimensiones geométricas macroscópicas de la superficie original, solo cambia las propiedades físicas y químicas de la superficie. Hay dos métodos de tecnología de modificación de superficies: uno cambiará la composición química de la superficie de la pieza de trabajo, incluido el tratamiento térmico químico y la implantación de iones; el otro no cambia la composición química de la superficie de la pieza de trabajo, solo cambia el estado del tejido de la superficie, incluido; fortalecimiento de la deformación de la superficie, cambio de fase de la superficie y fortalecimiento, etc.
2.1 Tratamiento térmico químico
El tratamiento térmico químico permite que uno o más elementos penetren en la superficie para mejorar la composición química, la estructura y el rendimiento de la superficie colocando la pieza de trabajo en un medio activo a una determinada temperatura para el aislamiento. El tratamiento térmico químico puede mejorar la resistencia de la superficie, la dureza, la resistencia al desgaste y otras propiedades de la pieza de trabajo manteniendo una buena resistencia y tenacidad del núcleo, lo que le da al producto propiedades mecánicas integrales más altas. El tratamiento térmico químico también puede mejorar significativamente las propiedades físicas y el rendimiento; de la superficie de la pieza de trabajo.
Los tratamientos térmicos químicos utilizados habitualmente incluyen carburación, nitruración, sulfuración, boro, siliconación, aluminización, cromatización, cincado, vanadio, carbonitruración, carbonitruración de azufre* **penetración, otras penetraciones múltiples, etc. Según el medio utilizado en el tratamiento térmico químico, se puede dividir en infiltración sólida, infiltración líquida, infiltración de gas, infiltración en baño de sal, infiltración al vacío y tratamiento térmico químico con plasma. La carburación, nitruración, carbonitruración, etc. pueden mejorar la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo. Procesos como la sulfuración, la nitrocarburación con azufre, la nitrocarburación con azufre y otros procesos pueden mejorar significativamente la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo. Reducción de la fricción, resistencia al desgaste y resistencia a las mordidas, etc.
Existen muchos tipos y métodos de proceso de tratamiento térmico químico. Con la mejora de los requisitos de rendimiento de la superficie de las piezas de trabajo, el sistema de aleación y los métodos de tratamiento originales no pueden cumplir completamente los requisitos de las condiciones de servicio en diferentes condiciones de trabajo. Se utilizan cada vez más métodos como la infiltración y el tratamiento compuesto. Están surgiendo varias tecnologías nuevas para proporcionar nueva energía para el tratamiento térmico químico. El tratamiento térmico químico con plasma, la aleación de superficies por láser y la aleación de superficies por haz de electrones están comenzando a aplicarse en la industria.
2.2 Implantación de iones
El principio de la implantación de iones es ionizar átomos de un determinado elemento en iones. Después de ser acelerados bajo la acción de un campo eléctrico de alto voltaje, los iones son. incide sobre el sólido a muy alta velocidad. Los iones incidentes sufren una serie de interacciones físicas y químicas con átomos o moléculas del material, perdiendo gradualmente energía y finalmente permaneciendo en el material, provocando cambios en la composición superficial y estructura del material, optimizando las propiedades superficiales del material u obteniendo Algunas propiedades nuevas excelentes.
La implantación de iones mejora significativamente la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la oxidación y otras propiedades físicas y químicas de la pieza de trabajo. Se utiliza ampliamente en herramientas de corte, moldes y resistencia al desgaste de precisión. Piezas y piezas resistentes a la corrosión, medicina y microelectrónica y otros campos.
2.3 Refuerzo por deformación superficial
El principio del refuerzo por deformación superficial es utilizar métodos mecánicos para producir una fuerte deformación plástica en la superficie del material, produciendo un cierto espesor de capa de endurecimiento por trabajo en frío. en la superficie y produciendo tensión de compresión residual, mejora la resistencia a la fatiga superficial y la resistencia a la corrosión. Los métodos de deformación de superficies incluyen granallado, laminado, extrusión, impacto ultrasónico, etc.
2.4 Fortalecimiento por cambio de fase superficial
El refuerzo por cambio de fase superficial es un proceso de tratamiento térmico que cambia la estructura y propiedades del material sin cambiar la composición química de la capa superficial mediante tratamiento térmico en la superficie de la pieza de trabajo. El principio del proceso es utilizar inducción electromagnética, llama, láser, haz de electrones y otros métodos de calentamiento para calentar rápidamente la superficie de la pieza de trabajo por encima del punto crítico de transformación de fase, de modo que el material de la superficie se transforme en una estructura fina de austenita, mientras que el material del núcleo. aún permanece en el punto crítico de transformación de fase, se mantiene la estructura original, luego la capa superficial se enfría mediante un enfriamiento rápido del centro o exterior de la pieza de trabajo, obteniendo una estructura de martensita fina y mejorando la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste; de la pieza de trabajo. El corazón aún mantiene sus características originales de buena resistencia y dureza.
El fortalecimiento del cambio de fase de la superficie incluye enfriamiento de la superficie de calentamiento por inducción, enfriamiento de la superficie de calentamiento por llama, endurecimiento de la superficie del haz de electrones, endurecimiento del cambio de fase de la superficie del láser y enfriamiento de la superficie del haz de alta densidad de energía, etc., que se usan comúnmente en engranajes. piezas de trabajo de ejes y cilindros. Refuerzo de superficies de camisas de cilindros, pistones, etc.
3 Tecnología de recubrimiento de superficies
La tecnología de recubrimiento de superficies es un proceso de crecimiento de una capa de nuevas sustancias en la superficie de un sustrato con una interfaz obvia con el sustrato, incluida la galvanoplastia y el recubrimiento químico. , pulverización térmica, deposición física de vapor, deposición química de vapor, tecnología de recubrimiento de conversión, etc.
3.1 Galvanoplastia y revestimiento no electrolítico
3.1.1 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una tecnología que utiliza métodos electroquímicos para depositar metales o aleaciones en la superficie de un sustrato. Puede Los iones metálicos disueltos uniformemente en la solución obtienen electrones en la superficie de contacto solución/sustrato de manera ordenada y se reducen a átomos metálicos depositados sobre la superficie del sustrato para formar un recubrimiento de metal o aleación.
Las capas de galvanoplastia incluyen recubrimientos metálicos individuales, recubrimientos de aleaciones, recubrimientos compuestos, etc. Los recubrimientos prácticos generalmente combinan varios recubrimientos metálicos individuales o recubrimientos con diferentes propiedades para formar un recubrimiento combinado con un rendimiento integral excelente. La capa de galvanoplastia se utiliza principalmente para mejorar la resistencia a la corrosión, la decoración, la resistencia al desgaste y otras funciones de la pieza de trabajo.
3.1.2 Revestimiento con cepillo
La tecnología de revestimiento con cepillo utiliza una fuente de alimentación de CC especial. El electrodo positivo de la fuente de alimentación está conectado al bolígrafo de revestimiento con cepillo y el electrodo negativo de. la fuente de alimentación está conectada a la pieza de trabajo; la pluma de revestimiento del cepillo generalmente se utiliza como material de ánodo. Bloques de grafito fino de alta pureza, y los bloques de grafito están envueltos con algodón y cubiertas de poliéster-algodón resistentes al desgaste. Durante el revestimiento con brocha, la pluma de revestimiento con brocha empapada en la solución de revestimiento se mueve sobre la superficie de la pieza de trabajo a una cierta velocidad bajo la presión adecuada. En aquellas partes donde el pincel de recubrimiento está en contacto con la pieza de trabajo, los iones metálicos en la solución de recubrimiento se difunden a la superficie de la pieza de trabajo bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico y se reducen a átomos metálicos, que se depositan en la superficie. de la pieza de trabajo para formar un recubrimiento.
El revestimiento con brocha no requiere un tanque de revestimiento, es de tamaño pequeño, liviano, fácil de usar en el sitio y tiene una alta tasa de deposición. Es ampliamente utilizado en los campos de reparación de piezas de trabajo desgastadas, remediación de productos fuera de máquina, fortalecimiento de superficies de piezas de trabajo, mejora de la resistencia a la corrosión de las piezas de trabajo, reducción de los coeficientes de fricción de las piezas de trabajo y decoración.
3.1.3 Recubrimiento electrolítico
El recubrimiento electrolítico es un proceso que utiliza agentes reductores en la solución para reducir los iones metálicos y depositarlos en la superficie de la pieza de trabajo. Los procesos de revestimiento no electrolítico utilizados habitualmente incluyen el niquelado no eléctrico, el revestimiento de cobre no electrolítico y el revestimiento compuesto no electrolítico. El revestimiento electrolítico puede obtener un recubrimiento uniforme en la superficie de piezas de trabajo complejas. El recubrimiento tiene buena densidad, buena resistencia a la corrosión y alta dureza. Puede mejorar significativamente la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la decoración y otras propiedades físicas y químicas de la pieza de trabajo. y es ampliamente utilizado en petroquímicos, electrónica, automóviles, maquinaria y otros campos.
3.2 Pulverización térmica
La tecnología de pulverización térmica utiliza una determinada fuente de calor para calentar el material de pulverización hasta un estado fundido o semifundido, y lo pulveriza y deposita sobre la superficie del sustrato pretratado en una cierta velocidad para formar una capa para lograr el propósito de dar funciones especiales a la superficie del sustrato. El proceso de formación de un recubrimiento mediante pulverización térmica generalmente pasa por cuatro etapas: la etapa de calentamiento y fusión del material de pulverización, la etapa de atomización, la etapa de vuelo y la etapa de deposición por colisión. Según las diferentes fuentes de calor utilizadas, la pulverización térmica se divide principalmente en pulverización por llama, pulverización por arco, pulverización por plasma, pulverización por láser, etc.
La pulverización con llama utiliza el calor generado por la combustión mixta de gas combustible o líquido y gas de apoyo a la combustión en una cierta proporción para calentar y derretir el material de pulverización, y luego rociarlo sobre la superficie de la pieza de trabajo en una cierta velocidad para formar un recubrimiento. El material de pulverización inicial puede estar en forma de polvo, en forma de varilla, con forma de alambre o lineal. Incluye pulverización con llama de alambre, pulverización con llama de varillas de cerámica, pulverización con llama de polvo, pulverización con llama de alta velocidad y soldadura por pulverización con llama de polvo, etc.
La pulverización por arco utiliza dos alambres metálicos del material rociado como electrodos consumibles. Cuando los dos alambres metálicos se cortocircuitan para encender el arco, la alta temperatura del arco se utiliza para fundir el material del electrodo y pulverizar. se coloca sobre la pieza de trabajo. Se forma un recubrimiento en la superficie y se alimentan continuamente alambres metálicos para reponer la parte fundida y mantener una combustión estable del arco.
La pulverización por plasma es un proceso de pulverización térmica en el que el polvo pulverizado se introduce en una llama de plasma y se calienta hasta que se derrita o semifunde, y luego se pulveriza sobre la superficie de la pieza de trabajo a una cierta velocidad para forma un recubrimiento. Tiene una temperatura de llama alta y puede tener las ventajas de una buena controlabilidad y una alta velocidad de vuelo de las partículas fundidas. Los materiales que se pueden usar para la pulverización por plasma incluyen todos los materiales que se pueden convertir en polvos actualmente. La pulverización por plasma incluye la pulverización por plasma atmosférico, la pulverización por plasma en atmósfera controlada, la pulverización por plasma a baja presión, la soldadura por pulverización por plasma, etc.
Elija diferentes materiales de recubrimiento y métodos de proceso, y la pulverización térmica se puede utilizar para preparar recubrimientos con antifricción, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación a altas temperaturas, función de barrera térmica, función catalítica, biocompatibilidad, etc. Radiación infrarroja y otros recubrimientos funcionales. La pulverización térmica se utiliza ampliamente en maquinaria, transporte, industria petroquímica, aeroespacial, metalurgia, energía, defensa nacional y otros campos para mejorar las propiedades superficiales de las piezas de trabajo y reparar piezas de desgaste y corrosión.
3.3 Deposición física de vapor
La deposición física de vapor utiliza ciertos procesos físicos, como la evaporación térmica o la pulverización catódica de sustancias, para lograr una transferencia controlable de sustancias desde la sustancia fuente a la superficie del Proceso de transferencia atómica. Las principales características de la deposición física de vapor son: ① Es necesario utilizar sustancias sólidas o fundidas como materiales de origen para el proceso de deposición; ② El material de origen ingresa a la fase gaseosa a través de un proceso físico. ③ Requiere un entorno de presión de gas relativamente baja; Los procesos comunes de deposición física de vapor se pueden dividir en evaporación al vacío, pulverización catódica y revestimiento iónico.
3.3.1 Evaporación al vacío
La evaporación al vacío consiste en utilizar una determinada fuente de calor para calentar el material fuente en condiciones de vacío para vaporizarlo y formar vapor y partículas de vapor con una determinada presión de vapor. El flujo se dirige hacia el sustrato y se produce la cristalización en la superficie del sustrato para formar una película delgada. El proceso físico de la evaporación al vacío incluye: varias fuentes de energía se convierten en energía térmica para vaporizar el material fuente, el flujo de partículas de vapor se transporta a la superficie del sustrato, las partículas gaseosas se condensan y se nuclean en la superficie del sustrato, y crecen hasta formar una película sólida y los átomos que forman la película se reorganizan o se producen enlaces químicos.
Los métodos de calentamiento del material fuente en el proceso de evaporación al vacío incluyen calentamiento por resistencia, calentamiento por haz de electrones, calentamiento por inducción, calentamiento por arco y calentamiento por láser. La evaporación al vacío puede preparar películas de metal puro, películas de aleaciones y películas compuestas. Sus ventajas son una alta tasa de deposición, un alto grado de vacío y una calidad de película relativamente buena; sin embargo, también existen problemas como la baja densidad de la película preparada y una mala fuerza de unión; con el sustrato.
La evaporación al vacío se usa ampliamente. La evaporación de películas delgadas de Al en la superficie de materiales de embalaje es su campo de aplicación más amplio. Además, también ocupa una cierta posición en la preparación de películas ópticas, películas decorativas y. películas conductoras.
3.3.2 Sputtering
La tecnología de sputtering utiliza iones cargados acelerados por un campo eléctrico para bombardear el electrodo objetivo pulverizado. Cuando la energía iónica es apropiada, los iones incidentes interactúan con la superficie objetivo. Durante la colisión de átomos, este último se pulveriza; los átomos pulverizados con una determinada energía cinética se disparan hacia el sustrato en una determinada dirección, formando una fina película sobre la superficie del sustrato.
Los principales métodos de pulverización catódica incluyen pulverización catódica de CC, pulverización catódica por radiofrecuencia, pulverización catódica por magnetrón, pulverización catódica por haz de iones, pulverización catódica reactiva, etc. Estos métodos también se pueden combinar con diferentes métodos de aplicación de polarización combinando varios métodos, como la radio. La pulverización catódica de frecuencia, la pulverización catódica por magnetrón y la pulverización catódica reactiva forman mediciones reactivas de radiofrecuencia y controlan la pulverización catódica.
3.3.2.1 Sputtering CC
El sputtering CC digital utiliza el material que se va a pulverizar como cátodo y aplica un voltaje de varios miles de voltios al sustrato como ánodo.
Después de evacuar el sistema a alto vacío y llenarlo con gas inerte de presión adecuada, los átomos de gas se ionizan en grandes cantidades bajo la alta presión entre los electrodos positivo y negativo, el proceso de ionización ioniza los átomos de Ar en Ar y electrones, y el positivo; El Ar cargado es acelerado por el campo eléctrico de alto voltaje, vuela hacia el objetivo como cátodo a alta velocidad y, durante la colisión con el objetivo, una gran cantidad de átomos del objetivo ganan una energía considerable y escapan de las limitaciones del objetivo. Los átomos objetivo de alta energía vuelan a la superficie del sustrato para formar una película delgada.
El dispositivo de pulverización catódica de diodo CC es simple y adecuado para pulverizar objetivos metálicos y semiconductores. Sin embargo, el voltaje de descarga es alto, la temperatura del sustrato aumenta y se daña fácilmente. La corriente del objetivo del cátodo es baja y. la tasa de chisporroteo es baja, no puede chisporrotear en condiciones de alto vacío. Para evitar las deficiencias de la pulverización catódica de diodos CC, las personas introducen un cátodo de filamento calefactor en el dispositivo de pulverización catódica de diodos y utilizan la emisión térmica de electrones para mejorar la ionización del gas de pulverización catódica, reduciendo así la presión del gas de pulverización catódica y el voltaje de pulverización catódica. y aumentar la corriente de descarga y permitir el control independiente.
3.3.2.2 Sputtering por radiofrecuencia
El uso del método de sputtering DC para depositar películas delgadas requiere que el material objetivo tenga buena conductividad y no es adecuado utilizar objetivos no metálicos. con mala conductividad para preparar películas delgadas. Si se aplica una corriente alterna entre los dos electrodos, cuando la frecuencia de la corriente alterna excede los 50 kHz, los electrones que oscilan constantemente entre los dos electrodos pueden obtener suficiente energía del campo eléctrico de alta frecuencia para ionizar las moléculas de gas, de modo que puedan ser pulverizado a una frecuencia más alta que los dos electrodos; la presión de aire requerida es un orden de magnitud menor que la presión de aire requerida para la pulverización; además, se pueden acoplar campos eléctricos de alta frecuencia a la cámara de deposición a través de otras formas de impedancia, consiguiendo deshacerse de la limitación de que el electrodo es un conductor. La pulverización catódica por radiofrecuencia no sólo puede pulverizar objetivos metálicos, sino también objetivos dieléctricos. La pulverización catódica por radiofrecuencia utiliza principalmente 13,56 MHz.
3.3.2.3 Pulverización con magnetrón
Para aumentar la velocidad de pulverización de la pulverización catódica de diodos y debilitar los efectos adversos de los electrones secundarios que impactan el sustrato y el calentamiento, el cátodo de la pulverización catódica de diodos es A. Se establece un campo magnético cerrado en forma de anillo en la superficie del objetivo. El componente del campo magnético paralelo a la superficie del objetivo y el campo eléctrico perpendicular a la superficie del objetivo forman una trampa de electrones que confina los electrones secundarios. Los electrones secundarios generados a partir de la superficie objetivo se aceleran y ganan energía en la zona de caída del cátodo y se convierten en electrones de alta energía. Cuando caen en la trampa de electrones del campo electromagnético ortogonal, no pueden ser absorbidos directamente por el ánodo, sino que giran. el campo electromagnético ortogonal. El movimiento de los electrones secundarios aumenta en gran medida la distancia antes de que alcancen el ánodo, aumenta la probabilidad de colisión con el gas de pulverización y aumenta la corriente de pulverización y la velocidad de pulverización. Además, el ánodo del dispositivo de pulverización catódica del magnetrón está cerca del cátodo y el sustrato no está sobre el ánodo, lo que inhibe significativamente el bombardeo y calentamiento del sustrato por electrones secundarios.
Las formas de objetivos de pulverización catódica de magnetrón comúnmente utilizadas incluyen objetivos de pulverización catódica de magnetrón planos, objetivos de pulverización catódica de magnetrón cilíndricos y objetivos de pulverización catódica de magnetrón S-gun. La pulverización catódica original cerró el campo magnético cerca de la superficie objetivo. La densidad del plasma cerca de la pieza de trabajo era muy baja y el efecto de interferencia en la deposición de la película no era obvio. Con el fin de utilizar un flujo de iones de alta densidad con la energía adecuada para bombardear el sustrato y mejorar la calidad de la película, se desarrolló un equipo de pulverización catódica con magnetrón en desequilibrio, que se caracteriza por extender el alcance del plasma al sustrato aumentando el campo magnético parásito. y utilizando interferencia de bombardeo de iones el proceso de deposición de la película mejora las propiedades de la película.
3.3.2.4 Pulverización reactiva
La pulverización catódica se puede lograr utilizando un compuesto como material objetivo, pero en algunos casos el compuesto se descompondrá durante el proceso de pulverización, lo que resultará en la deposición de La química de la película delgada es bastante diferente a la del material objetivo. Una forma de resolver este problema es limitar el proceso de descomposición del compuesto ajustando la composición del gas y la presión en la cámara de pulverización catódica. Además, se puede mezclar una cantidad adecuada de gas activo con el gas de pulverización catódica y se produce una reacción química durante la deposición por pulverización catódica para generar un compuesto específico, completando el proceso desde la pulverización catódica, la reacción hasta la deposición. Este proceso de pulverización catódica se denomina pulverización catódica reactiva.
La película preparada mediante pulverización catódica reactiva tiene alta pureza, buena controlabilidad de la composición, baja temperatura de deposición y pocas restricciones sobre el sustrato. Sin embargo, es adecuada para recubrimientos uniformes de grandes superficies y producción industrial; Es difícil preparar películas dieléctricas de alta resistencia. Cuando la presión del gas de reacción es demasiado alta, provocará envenenamiento del objetivo, formación de arcos y desaparición del ánodo, etc., lo que hará que el proceso de pulverización sea inestable y se reduzca la calidad de la película.
Para evitar estos efectos adversos, es necesario cambiar el modo de suministro de energía y el modo de suministro de gas del gas de reacción. Los modos de suministro de energía que se pueden seleccionar incluyen suministro de energía de extinción automática de arco, suministro de energía de pulverización catódica de pulso asimétrico y frecuencia intermedia. Suministro de energía CA. El modo de suministro del gas de reacción incluye el suministro de aire dividido, la entrada de aire por impulsos, etc.
3.3.2.5 Pulverización con magnetrón de frecuencia media
La pulverización catódica con magnetrón de frecuencia media generalmente utiliza una estructura de objetivo doble y conecta la fuente de alimentación de CA a los dos objetivos cuando está en el medio ciclo negativo. El primer objetivo sirve como cátodo y es bombardeado y pulverizado por iones positivos, mientras que el otro objetivo sirve como ánodo. Cuando está en el medio ciclo positivo, el primer objetivo se convierte en el ánodo. acelera a la superficie del objetivo y neutraliza la superficie del objetivo. La carga positiva se acumula en la parte aislante mientras que otro objetivo actúa como cátodo y se pulveriza. Cuando la frecuencia de la corriente alterna alcanza un cierto valor, los dos objetivos sirven como cátodos y ánodos entre sí, lo que puede eliminar la formación de arcos y la desaparición de los ánodos, asegurando la estabilidad del proceso de pulverización catódica. Los métodos de suministro de energía más utilizados son fuente de alimentación simétrica, forma de onda sinusoidal, 40 kHz y fuente de alimentación de CA con red autocompatible.
El objetivo de pulverización catódica del magnetrón de frecuencia media utiliza un campo magnético no equilibrado, que mejora el efecto de intervención del plasma en el proceso de deposición de la película mediante la adopción de un modo de suministro de gas reactivo optimizado, la estabilidad del proceso de pulverización catódica; Se puede mejorar aún más, que es un método ideal para preparar varias películas de alto rendimiento con mala conductividad; se ha desarrollado una variedad de películas funcionales, incluidas películas de carbono tipo diamante (DLC).
La película DLC es una película de carbono amorfo con una estructura de red espacial que contiene enlaces sp2 y sp3. Tiene muchas propiedades similares al diamante y tiene una temperatura de deposición baja, una superficie lisa y una tecnología relativamente madura. en muchas aplicaciones tiene más ventajas que la película de diamante en los campos de aplicación. Actualmente se usa ampliamente en herramientas de corte, moldes, piezas de precisión resistentes al desgaste, parlantes, discos ópticos, discos magnéticos, películas protectoras y antirreflectantes ópticas, emisión de campo. Dispositivos de pantalla plana, células solares, medicina y otros campos.
3.3.2.6 Aplicación del recubrimiento por pulverización catódica
El recubrimiento por pulverización catódica puede preparar películas de metal puro, películas de aleaciones y películas compuestas, etc., y se usa ampliamente en maquinaria, industria electrónica y energía solar. Utilización, óptica, decoración, industria química, militar, biomedicina y otros campos.
3.3.3 Recubrimiento iónico
El recubrimiento iónico es una nueva tecnología de recubrimiento desarrollada en base a la tecnología de evaporación al vacío y pulverización catódica. El revestimiento iónico es un proceso que utiliza la descarga de gas para ionizar parcialmente gas o sustancias evaporadas en condiciones de vacío, y deposita sustancias evaporadas o sus reactivos en la superficie de un sustrato bajo la acción del bombardeo iónico de iones de gas de trabajo o sustancias evaporadas. La actividad del plasma reduce la temperatura de síntesis del compuesto y el bombardeo de iones puede mejorar la densidad, la estructura organizativa y la fuerza de unión de la película y la matriz.
El revestimiento de iones se puede dividir en revestimiento de iones de diodo CC, revestimiento de iones tripolar y multicátodo, revestimiento de iones de radiofrecuencia, revestimiento de iones de cátodo hueco, revestimiento de iones de arco de alambre caliente, revestimiento de iones de cátodo al vacío y pulverización catódica controlada magnética. revestimiento de iones, etc.
3.3.3.1 Revestimiento de iones de diodo de CC
El revestimiento de iones de diodo de CC aplica un voltaje de CC entre la fuente de evaporación y la pieza de trabajo, siendo la pieza de trabajo el electrodo negativo; La descarga luminosa de dos polos ioniza el gas de trabajo y las sustancias evaporadas, y los iones formados son acelerados por la zona de caída del cátodo cerca del sustrato y bombardean la superficie del sustrato a alta velocidad para interferir con la deposición de la película.
3.3.3.2 Recubrimiento de iones tripolar y multicátodo
La tasa de ionización del recubrimiento de iones de diodo de CC es baja y es difícil estimular y mantener la descarga luminosa. Para superar estas deficiencias, se añaden emisores y colectores de electrones entre la fuente de evaporación y el sustrato, y una gran cantidad de electrones emitidos por el filamento de alta temperatura se introducen en la región del plasma, lo que aumenta la probabilidad de colisión con la evaporación. partículas y mejora la tasa de ionización, por lo que el proceso de revestimiento de iones se denomina revestimiento de iones tripolar; A veces, para mejorar aún más la tasa de ionización, se introducen múltiples emisores de electrones en el equipo de revestimiento de iones de diodo de CC, lo que se denomina revestimiento de iones multicátodo.
3.3.3.3 Recubrimiento de iones de radiofrecuencia
El recubrimiento de iones de radiofrecuencia se logra colocando una bobina de inducción de alta frecuencia entre el sustrato y la fuente de evaporación para mejorar la ionización del gas de trabajo. y sustancias evaporadas. Un proceso de revestimiento de iones donde la evaporación, la ionización y la aceleración se controlan de forma independiente. Este método tiene una alta tasa de ionización, se puede depositar a alto vacío y es fácil de realizar el revestimiento de iones reactivos activos.
3.3.3.4 Revestimiento iónico de cátodo hueco
Utilice un tubo metálico de tantalio (o tungsteno) de alto punto de fusión como cátodo y el crisol como ánodo. Después de evacuar el equipo a temperatura alta. vacío, el tubo de tantalio se usa para aspirar La habitación se llena con gas argón y la fuente de alimentación del arco se enciende para encender el gas y producir una descarga luminosa del cátodo debido al efecto del cátodo hueco, la densidad de corriente en el tantalio hueco; El tubo es muy grande y una gran cantidad de Ar bombardea la pared del tubo de tantalio, lo que hace que la temperatura aumente por encima de 2000 K, y el tubo de tantalio emite una gran cantidad de Los electrones calientes convierten la descarga luminosa en una descarga de arco, y el El bombardeo de electrones de alta densidad vaporiza el material en el crisol. Durante el proceso de movimiento hacia el crisol, los electrones chocan continuamente con el gas argón y las sustancias evaporadas para ionizarlos. Cuando se aplica un cierto voltaje de polarización negativa al sustrato, una gran cantidad de iones bombardearán la superficie del sustrato durante la deposición de la película. . El revestimiento de iones de cátodo hueco tiene una alta tasa de ionización y buenas propiedades de revestimiento, y puede usarse para películas metálicas, películas de aleaciones y películas compuestas.
3.3.3.5 Revestimiento de iones de arco con alambre caliente
Se instala una cámara de pistola de iones de cátodo caliente en la parte superior del equipo de revestimiento de iones de arco de alambre caliente. El cátodo caliente está hecho de metal refractario. Se emite una gran cantidad de electrones calientes a alta temperatura, y una gran cantidad de electrones calientes chocan con el gas argón en la cámara del cañón de iones del cátodo caliente para generar una descarga de arco, produciendo plasma de alta densidad. Un ánodo auxiliar o crisol que está cargado positivamente con respecto al cátodo caliente se instala en la parte inferior de la cámara del cañón de iones del cátodo caliente y la cámara de recubrimiento los electrones en el plasma en la cámara del cañón de iones se introducen en la cámara de recubrimiento, formando una. Haz de electrones estable, de alta densidad y baja energía en el espacio de deposición. Desempeña el papel de fuente de evaporación y fuente de ionización. La característica del revestimiento iónico por arco de alambre caliente es que un arco tiene múltiples usos. La pistola de iones de cátodo caliente no solo es una fuente de evaporación, sino también una fuente de ionización de sustancias evaporadas, una fuente de calentamiento del sustrato y una fuente de purificación por bombardeo. La tasa de ionización del metal es alta, la densidad del plasma es alta y la película delgada es de buena calidad, adecuada para depositar TiN, TiCN, TiAlN, carbono similar al diamante (DLC), diamante y otras películas delgadas. Entre ellos, la película TiN tiene una buena combinación de dureza, tenacidad y estabilidad química. Es el sistema de película protectora más maduro y se usa ampliamente en muchos campos, como materiales de construcción, materiales decorativos, materiales para herramientas y materiales acústicos. La aleación y la multicapa de películas de TiN pueden mejorar aún más el rendimiento de las películas de TiN.
3.3.3.6 Revestimiento iónico de arco catódico al vacío
El revestimiento iónico de arco catódico al vacío utiliza un arco catódico para evaporar directamente e ionizar altamente el material recubierto (la tasa de ionización de las partículas actuales alcanza el 75~ 95), bajo la acción de la polarización de la pieza de trabajo, se depositan partículas altamente ionizadas en la superficie de la pieza de trabajo con alta energía, formando una película sólida. La introducción de gases reactivos en la atmósfera de deposición puede realizar un recubrimiento de iones reactivos activos para generar películas compuestas.
La tecnología de deposición por arco catódico al vacío puede preparar diversas películas metálicas, películas de aleaciones, películas compuestas, películas multicapa y películas compuestas, etc. Es especialmente adecuada para películas protectoras para herramientas, moldes y piezas resistentes al desgaste. Además, es adecuado para la preparación de revestimientos decorativos resistentes a la corrosión y de alta gama y ha sido ampliamente utilizado en diversos campos como la defensa nacional, maquinaria, industria química, industria ligera, textiles y ferretería diaria.
3.3.3.7 Revestimiento iónico por pulverización catódica con magnetrón
El revestimiento iónico por pulverización catódica con magnetrón es una tecnología de recubrimiento que combina la pulverización catódica con magnetrón y el revestimiento iónico. Es diferente de la pulverización catódica ordinaria. es que se aplica un voltaje de polarización negativa al sustrato para modular la energía de los iones que llegan a la superficie del sustrato, lo que no solo logra una pulverización estable del objetivo del magnetrón, sino que también permite que los iones objetivo de alta energía intervengan en el proceso de deposición de la película. .
El revestimiento iónico por pulverización catódica con magnetrón puede preparar películas metálicas, películas de aleaciones y películas compuestas, que se utilizan ampliamente en películas duras, películas resistentes a la corrosión, películas decorativas, películas ópticas, películas microelectrónicas, películas médicas y otros campos. .
3.4 Deposición química de vapor
La deposición química de vapor es un proceso que utiliza reactivos precursores gaseosos para generar películas sólidas a través de reacciones químicas de átomos y moléculas en la superficie sólida.
Es a través de la interacción entre el gas mezclado y la superficie del sustrato, lo que hace que ciertos componentes del gas mezclado se descompongan y formen una película de metal, aleación o compuesto en la superficie del sustrato.
Desde la perspectiva de la cinética de reacción, para lograr una reacción de deposición, debe haber una cierta cantidad de energía de activación durante la interacción entre el gas mezclado inicial y la superficie sólida y la reacción de deposición. Según los diferentes métodos de activación, la deposición química de vapor se divide en deposición química de vapor térmica, deposición química de vapor asistida por plasma (PACVD), deposición química de vapor asistida por láser (LCVD), deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD), etc.
La deposición química térmica de vapor utiliza la interacción entre un gas mezclado y la superficie para generar una película delgada bajo ciertas condiciones de temperatura. Tiene un equipo simple, buena repetibilidad, buenas propiedades de bobinado y alta fuerza de unión entre la película. y el sustrato Sin embargo, la temperatura de deposición es alta y la elección del sustrato es limitada. Se utiliza principalmente para preparar películas duras sobre carburo cementado o herramientas cerámicas.
PACVD se basa en la energía del plasma para activar reacciones químicas de gases en superficies sólidas. Ha sido ampliamente utilizado en la industria electrónica y se utiliza cada vez más en la deposición de películas protectoras en las superficies de herramientas de corte. Moldes y piezas resistentes al desgaste.
LCVD utiliza láser para inducir y promover el proceso de deposición química de vapor. Su proceso de deposición es el proceso de interacción entre el láser y el gas reactivo o la superficie del sustrato. Se utiliza en células solares, circuitos integrados, películas funcionales especiales. óptica Tiene importantes aplicaciones en la preparación de películas delgadas, películas duras y películas superduras.
El uso de compuestos orgánicos metálicos en lugar de precursores de reacción química en fase gaseosa inorgánicos puede reducir significativamente la temperatura de la reacción química en fase gaseosa. MOCVD puede depositar diversos materiales inorgánicos a bajas temperaturas y se usa ampliamente en dispositivos optoelectrónicos y de microondas, láseres avanzados, etc.
3.5 Tecnología de recubrimiento por conversión
El material de aleación de aluminio se coloca en el electrolito como ánodo y se puede formar una película de conversión en su superficie mediante electrólisis para mejorar la dureza de la superficie y la resistencia a la corrosión. Después del tratamiento de anodizado duro, se puede formar una capa de película con un espesor de 30-50 my una dureza de aproximadamente Hv500 en la superficie de la aleación de aluminio, que tiene excelentes propiedades de resistencia a la corrosión y al desgaste, aislamiento, estabilidad química y adsorción. El tratamiento de anodizado es adecuado para camisas de cilindros, pistones, engranajes, impulsores, rieles guía, cojinetes y componentes de ingeniería de moldes. Además, también es una buena película base de recubrimiento.
4 Tecnología de superficie compuesta
Una tecnología de superficie única a menudo tiene ciertas limitaciones en aplicaciones prácticas y no puede cumplir con los requisitos de rendimiento más altos requeridos para las condiciones de servicio. Esto requiere el uso de múltiples superficies. Las tecnologías de procesamiento para maximizar las fortalezas y evitar debilidades y mejorar significativamente las propiedades de la superficie de la pieza de trabajo se denomina tecnología de superficie compuesta. Por ejemplo, para mejorar la fuerza de unión entre la película depositada con vapor y el sustrato, el sustrato generalmente se somete a un tratamiento térmico químico antes de depositar la película para obtener una capa de transición más gruesa y de mayor dureza. La combinación de la pulverización térmica con la refundición por láser reduce la tensión interna del recubrimiento y mejora la compacidad del recubrimiento y la fuerza de unión con el sustrato. La deposición asistida por haz de iones se ha desarrollado combinando la implantación de iones con técnicas de evaporación o pulverización catódica, mejorando significativamente el rendimiento de las películas delgadas.
5 Conclusión
Como medio eficaz y económico para mejorar el rendimiento de las piezas de trabajo, la tecnología de superficies se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente una variedad de tecnologías de superficies y materiales de superficie avanzados. desarrollado. Ha realizado importantes contribuciones al desarrollo de la economía nacional. Sin embargo, a medida que las condiciones de servicio de las piezas de trabajo se vuelven cada vez más duras, las tecnologías de superficie y los materiales de superficie tradicionales no pueden cumplir con los requisitos cada vez más estrictos presentados por la industria. Esto requiere el desarrollo continuo de nuevas tecnologías de superficie y materiales de superficie desde el diseño de materiales, la superficie. equipos y procesos de tecnología, condiciones de servicio y otros aspectos, tratan el sustrato, la superficie y el medio ambiente como un sistema, y combinan una variedad de tecnologías de superficie para mejorar aún más el rendimiento de la superficie de la pieza de trabajo.
Referencias
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