5 · web viewdavis j.r (editor): surface engineering for corrosion and wear resistance, asm...
Post on 04-Apr-2020
7 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
3. modul: Bevonatok, bevonatolási technológiák
2. lecke: PVD, CVD BEVONATOLÁSI TECHNOLÓGIÁK
A lecke célja: A korszerű felületi bevonatolási eljárások áttekintése, technológiai változatainak bemutatása, különös tekintettel a PVD és CVD eljárások fizikai-kémiai alapjaira, valamint gyakorlati alkalmazási területeire.
Követelmények:Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha képes:
kiválasztani a bevonatolási technológiák ipari eredetét, kiválasztani a vékonyréteg bevonatok jellemző vastagságát, kiválasztani a vékonyréteg bevonatok felhasználási területeit, kiválasztani a vékonyréteg bevonatok legfontosabb gépészeti alkalmazását, kiválasztani a gőzfázisból történő leválasztási technológiák típusait, meghatározni a PVD és a CVD vékonyréteg bevonatolási technológiák elveit, kiválasztani a PVD és a CVD vékonyréteg bevonatolási technológiák paramétereit, felsorolni a PVD technológiák különböző eljárásváltozatait, kiválasztani a PVD technológiák elvi különbségeit, jellemezni a különböző PVD eljárásváltozatokat, a bevonatolás menetét, csoportosítani PVD berendezések részeit és megnevezésüket, felrajzolni a PVD berendezések elvi vázlatát, felsorolni a PVD bevonatanyagok leggyakoribb fajtáit, meghatározni a PVD bevonatanyagok tulajdonságait, felírni a CVD bevonatolási technológiánál jellemző legfontosabb kémiai reakciók
egyenleteit, felsorolni a CVD bevonatanyagok leggyakoribb fajtáit, ezek tulajdonságait, meghatározni a CVD bevonatanyagok tulajdonságait, jellemezni a CVD eljárás menetét, felvázolni egy CVD folyamat elvi rajzát.
Időszükséglet: 120 perc
Kulcsfogalmak: vékonyréteg bevonat, hordozó, szubsztrátum, gőzfázisból való réteg leválasztás, rétegépülési sebesség, TiN vegyületi réteg, kopásállóság növelése, funkcionális bevonatok, dekoratív bevonatok, PVD eljárás, CVD eljárás, reaktív ionbesugárzás, fényíves porlasztás, reaktív elektronsugaras párologtatás.
1. Bevonatolási eljárások általános jellemzése
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe és tanulja meg: honnan erednek a bevonatolási technológiák legújabb fejlesztései, széleskörű ipari
alkalmazásai, milyen vastagság, anyagtípusok jellemzőek a vékonyréteg bevonatokra, milyen funkcionális rendeltetéseik vannak a vékonyréteg bevonatoknak, milyen gépészeti területen terjedtek el általánosan a vékonyréteg bevonatok.
1
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
A bevonatolási eljárások széleskörű ipari alkalmazása szorosan kapcsolódik az elektronikai technológiák fejlesztésében az elmúlt évtizedekben elért sikeres kutatási-fejlesztési eredményekhez. A bevonatolási eljárásokat a vékonyréteg technológiák közé szokás sorolni, sajátosságuk, hogy a szubsztrátum (munkadarab) rendkívül gondosan megtisztított felületén igen vékony, többnyire 1-15 mikrométer vastagságú bevonatot (angol jelentése: coating) állítanak elő. A kialakított réteg, amely lehet fémes (pl. alumínium), de az esetek zömében vegyület-típusú (pl. titánnitrid) jellegzetessége, hogy a diffúzió többnyire elhanyagolható szerepet játszik a bevonat és a szubsztrátum közötti kötés (tapadás) kialakításában. A bevonatok – rendeltetésük szerint – lehetnek funkcionális típusúak (ilyenek a tribológiai, optikai, korrózió-gátló, hőszigetelő, stb bevonatok, vagy lehetnek dekoratív jellegűek (ilyenek az ékszereken, dísztárgyakon előállított különböző színhatású bevonatok). A bevonatolási technológiák ipari alkalmazása különösképp széles körű a forgácsolószerszámok gyártása területén. Például a forgácsoló keményfémlapkák többségét ma már ilyen fokozottan kopásálló bevonattal látják el.
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe és tanulja meg: milyen fő csoportjai vannak a gőzfázisból való leválasztási technológiáknak, hogyan készítik elő a felületet a bevonatolás előtt, milyenek a rétegépülési sebességek a két fő csoport esetében,
Az iparban alkalmazott gőzfázisból történő bevonatolási eljárásokat, amelyeknek számos változata ismert, alapvetően két fő csoportba sorolják:
fizikai gőzfázisú leválasztáson alapuló eljárások (PVD, Physical Vapour Deposition), kémiai gőzfázisú leválasztáson alapuló eljárások (CVD, Chemical Vapour
Deposition).
A bevonatolási eljárásokkal – elsődlegesen a felület tribológiai tulajdonságainak javítása végett - vegyületeket, ötvözeteket és kompozitanyagokat választanak le finomra köszörült vagy polírozott, valamint különleges eljárásokkal megtisztított felületekre (ultrahangos felülettisztítás alkalmazása). A keletkező rétegek tömörek, összetételük és vastagságuk (0,1…15 μm között) a kezelés során folyamatosan szabályozható. A rétegépülés sebessége:
a PVD-technológiáknál kb. 1-100 μm/óra, a CVD-technológiáknál kb. 1- 3 μm/óra.
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe és tanulja meg, milyen alapvető különbség van a PVD és a CVD technológiáknál kémiai reakciók lejátszódása szempontjából.
A PVD- és CVD-eljárások lényege, hogy a felületi bevonat kialakításakor a megfelelő kémiai reakciók a hordozó (szubsztrátum) felületén jönnek létre, biztosítva ezzel a bevonatolás egyenletes minőségét. A PVD-eljárásokban a gőzfázis átalakítandó vegyületet vagy nem tartalmaz, vagy a meglévő vegyület bomlása még gőzfázisban megtörténik fizikai úton. A CVD-eljárások ezt a célt valamilyen vegyületnek (vagy vegyületeknek) felületen történő termokémiai bontásával és újabb reakcióval érik el. Mindkét eljárásban lényeges, hogy a rétegek kialakításához szükséges reakciók a hordozó felületén jöjjenek létre:
2
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
Ezt a feltételt CVD eljárásoknál általában a szubsztrát (bevonatolandó alkatrész) magas hőmérsékletével érik el úgy, hogy a gáztér hőmérséklete a reakcióhoz szükséges érték alatt marad.
A PVD technológiák esetében ez más paraméterek kihasználásával történik azáltal, hogy a gáz valamilyen gerjesztett állapota (pl. plazma, termikus gerjesztés stb.) a felületen megszűnik (pl. hideg felületre csapatás; elektron leadási, ionsemlegesítési kényszer stb.).
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe és tanulja meg, miért fontos a kezelés hőmérsékletének csökkentése a vékonyréteg bevonatoló technológiáknál.
A jelenleg is folytatott kutatómunka egyik fontos célkitűzése, hogy a kezelés hőmérsékletét – amely döntően kihat a rétegépülés sebességére, a szubsztrátum tulajdonságaira is – lehetőség szerint csökkentsék, minimalizálják. Minél alacsonyabb a bevonatolási hőmérséklet, annál nagyobb azon anyagok (ötvözetek) köre, amelyre a technológia kiterjeszthető. Bizonyos anyagok (egyes acéltípusok) esetében a bevonatolási technológia alkalmazhatósága eleve korlátokba ütközik, ugyanis a kezelés magas hőmérséklete károsan befolyásolja a szubsztrátum tulajdonságait, és a mikroszerkezet nem kívánatos megváltozása (átkristályosodás, fázisátalakulások, mikroszerkezet változásai) többek között az alapanyag kilágyulásához vezethet.
Mind a CVD-, mind a PVD-technológiáknak többféle változatát alkalmazzák. A különféle típusú bevonatokhoz, alapanyagokhoz más-más technológiai paraméter-választás szükséges. Az 1. táblázatban felsoroljuk a különféle eljárásváltozatok rövidítéseit, angol és magyar elnevezéseit.
Tevékenység: figyelje meg, hogy a különféle eljárásváltozatok elnevezései más-más jelenség alkalmazására utalnak a gőzfázisú bevonatolási technológiákban. 1. táblázat: különféle eljárásváltozatok rövidítései, angol és magyar elnevezései
PVD Physical Vapour Deposition Fizikai gőzfázisú bevonatolásDS-PVD Diode Sputtering-PVD Diódás porlasztású PVDMS-PVD Magnetron Sputtering-PVD Magnetronos porlasztású PVD
LPPD Low Pressure Plating Deposition Alacsony nyomású bevonatolásCVD Chemical Vapor Deposition Kémiai gőzfázisú bevonatolás
EARE Enhanced ARE Növelt aktiválású reaktív párologtatásIP Ion Plating Ionos bevonás
ARE Activated Reactive Evaporation Aktivált reaktív párologtatás
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe, milyen jellemzőkkel minősítik a PVD és CVD bevonatokat. Jegyezze meg a jellemzőket.
A CVD és PVD bevonatok alkalmazásával kapcsolatos legfontosabb paraméterek a következők:
réteg jellemző összetétele (pl. TiN), típus (pl. kemény, kopásálló) azonosító szín (pl. aranysárga) bevonatoló eljárás fajtája,
3
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
bevonatolás hőmérséklete [ºC], rétegszerkezet (mono-, multi-, gradiens-, nano-), rétegvastagság [μm], mikro- vagy nanokeménység (HV0,05), súrlódási tényező (száraz acélon), hővezetési tényező [W/m·K], termikus stabilitás határhőmérséklete (oxidációs hőmérséklet) – maximális
alkalmazási hőmérséklet [ºC], bevonat maradó (nyomó) feszültsége [GPa], bevonatolható anyagok, korrózióállóság, vízoldhatóság, újra-bevonatolhatóság, alkalmazási javaslatok.
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe és tanulja meg, általában milyen bevonatanyagokat alkalmaznak kivágó, lyukasztó és alakító szerszámok élettartamának növelésére.
A 2. táblázatban példát mutatunk arra, hogy kivágó, lyukasztó és alakító szerszámok bevonatainál milyen bevonatanyagok ajánlatosak a szerszám élettartamának növelése céljából. A táblázatban általában titánkarbid, titánnitrid, krómkarbid kerámia anyagok vannak feltüntetve. A MoSTTM rövidítés a kereskedelemben található anyagnév, MoS2
(molibdénszulfid) alapú szilárd kenőanyag, amelyet általában súrlódáscsökkentés céljából alkalmaznak.
2. táblázat. Ajánlott PVD- és CVD-bevonatok az alkalmazás függvényébenAlkalmazás Jó Jobb Legjobb
Lyukasztás (Piercing) TiN TiCNCVD TiC/TiN MoSTTM
(Lemez)kivágás (Blanking) TiN CVD TiC/TiN TiCN
Finomkivágás (Fine Blanking) TiN TiCN MoSTTM
(Mély)húzás (Drawing),Peremezés (Flanging),
Profilalakítás (Forming),Folyatás (Extrusion)
CrNCVD TiC/TiN
vagyTiCN
CVD TiCvagy
MoSTTM
Hidegfejezés (Cold Heading) / Ütvesajtolás (Impact Extrusion) TiN CVD TiC/TiN MoSTTM
A 3. táblázatban összefoglalást mutatunk arra, hogy milyen bevonatanyagokat alkalmaznak általában PVD és CVD technológiáknál. A táblázatban adatokat találunk a bevonatok összetételére, színére, a bevonatolási technológiára és annak paramétereire, a rétegvastagságra, a bevonat tulajdonságaira, a bevonatolható anyagokra, valamint alkalmazási ajánlásokra. A táblázattal hangsúlyozzuk, hogy a szakirodalomban számos bevonatanyaghoz
4
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
találunk ajánlásokat anyagválasztáshoz, technológiai paraméterek megválasztásához, valamint alkalmazáshoz.
Tevékenység: (A 3. táblázat tartalmát nem kell részleteiben megtanulni.) Tanulmányozza a táblázat tartalmát. Válassza szét a bevonatok összetételére, színére, a bevonatolási technológiára és annak paramétereire, a rétegvastagságra, a bevonat tulajdonságaira, a bevonatolható anyagokra, valamint alkalmazási ajánlásokra vonatkozó sorokat. Példaképpen hasonlítsa össze a TiN és a MoS2 adatait.
5
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
3. tá
bláz
at. P
VD
- és C
VD
-bev
onat
ok je
llem
zői
mon
o =
egyr
éteg
ű; m
ulti
= tö
bbré
tegű
; gra
dien
s = tö
bbré
tegű
, elm
osód
ott h
atár
felü
letű
; nan
o =
nano
szer
keze
tű(A
bev
onat
os k
ompo
zito
k eg
y ré
sze
az ú
n. g
radi
ens
anya
gok
közé
tarto
zik.
Ez
azt
jele
nti,
hogy
mik
rosz
erke
zetü
k és
/vag
y ös
szet
étel
ük m
egte
rvez
ett,
min
ek r
évén
fo
koza
tos v
álto
záso
kat –
elm
osód
ott r
éteg
hatá
roka
t – t
arta
lmaz
ó da
rabo
k g
yártá
sára
alk
alm
asak
, a v
árha
tó ü
zem
elés
hel
yile
g vá
ltozó
köv
etel
mén
yein
ek m
egfe
lelő
en.)
6
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
2. PVD eljárás (fizikai gőzfázisú bevonatolás)
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a PVD technológia alapvető jellemzőit: gőzfázis képzési módszerek, hőmérséklet.
Fizikai gőzfázisú bevonatolás (Physical Vapour Deposition PVD) esetében a bevonóanyagot vagy a leendő bevonat komponenseit (melyek átalakítandó vegyületeket nem tartalmaznak) fizikai módszerekkel (párologtatással, porlasztással) szilárd állapotból gőzfázisba viszik, és az így létrejött bevonat-alkotórészeket a munkadarab felületén leválasztják. A kezelés erős vákuumban történik, és a munkadarab-felületének maximális hőmérséklete nem haladja meg az 550 C-ot. A PVD eljárás előnyösen alkalmazható előzetesen készre forgácsolt, illetve edzett-megeresztett gyorsacél szerszámok bevonatolására is, pl. max. 4 m vastag TiN-réteggel. A kiválásos keményedésre hajlamos szerszámacéloknál, mint ismeretes, nem következik be a fázisátalakulásokkal járó méretváltozás vagy nagyfokú megeresztődés (kilágyulás).
A 4. táblázatban a PVD bevonatoknál használható vegyületek fajtáit foglaltuk össze. Leggyakrabban a fémek karbidjait, nitridjeit, oxidjait, boridjait alkalmazzák PVD bevonatoknál, ritkán előfordulnak még szilicidek, szulfidok, foszfidok, szelenidek, esetleg hidridek is.
Tevékenység: (A 4. táblázat tartalmát nem kell részleteiben megtanulni.) Tanulmányozza a táblázat tartalmát. Figyelje meg, milyen fajta vegyületek a leggyakoribbak a PVD bevonatanyagoknál.
4. Táblázat: PVD bevonatoknál használatos anyagok
A rendkívül tiszta, nagyon finom bevonatoló anyag (fémek, mint például a titán, a króm vagy az alumínium) feloldása vagy a hőmérséklet segítségével (elpárologtatás) történik, vagy ionokkal történő bombázás következtében. Ezzel egyidejűleg egy reaktív gáz (pl. nitrogén,
7
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
vagy széntartalmú gáz, nitridek, vagy karbidok keletkezése céljából) is bevezetésre kerül. A reaktív gáz a fémgőzökkel kapcsolatba lép, a keletkező vegyület a szerszámokon, illetve a gépelemeken vékony, szilárdan tapadó rétegként csapódik le. Ahhoz, hogy mindenhol azonos bevonatvastagság alakuljon ki, a bevonatolás során az alkatrészek egyenletesen forognak több tengely körül.
A következőkben három fajta PVD eljárás elvét tekintjük át.
Reaktív ionbesugárzás
Tevékenység: Jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a reaktív ionbesugárzás technológiájának lépéseit. Vázolja fel füzetébe, tanulja meg a reaktív ionbesugárzás berendezésének elvi rajzát.
A reaktív ionbesugárzás elvét az 1. ábrán mutatjuk. Az eljárás során első lépésben a berendezés kamrájában a bevonatolandó elemeket (1. ábrán a 4.sz. elemek) felhevítik. Ezután történik a fémforrások (fémlemezek, az 1. ábrán a 3. sz. elemek) porlasztása argonionokkal való besugárzással. A fém anyagának nagyon tisztának kell lennie, mivel a szennyeződésmentesség a bevonat tapadásának szempontjából jelentős feltétel. A fémforrásokra nagy negatív feszültséget kapcsolnak. Az ezáltal beinduló elektromos gázkisülés pozitív argonionok képződéséhez vezet. Az argonionok a negatív feszültség miatt a fémforrások felé gyorsulnak, és a fémfelületeket szétporlasztják. A porlasztás után a kamrába reaktív gázt vezetnek, amely a kerámia bevonat nemfémes komponensét tartalmazza (pl. nitridek esetén nitrogéngáz, karbidok esetén széntartalmú gáz a reaktív gáz). A porlasztott fémrészecskék a kamrába vezetett reaktív gázzal reakcióba lépnek.Az eljárás eredményeként vékony, kompakt bevonat (vegyületi réteg) képződik a szubsztrátum (bevonatolandó tárgy) felületén a kívánt struktúrával és összetétellel.Erre a technológiára viszonylag alacsony hőmérséklet (kisebb, mint 250 0C) jellemző.
1: argon gáz2: reaktív gáz3: tiszta fémforrás4: munkadarabok5: vákuumszivattyú
1. ábra: Reaktív ionbesugárzás elve
Fényíves porlasztás (Arc evaporation)
Tevékenység:
8
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
Jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a fényíves porlasztás technológiájának lépéseit. Vázolja fel füzetébe, tanulja meg a fényíves porlasztás berendezésének elvi rajzát.
A fényíves porlasztás elvét a 2. ábrán mutatjuk. Ennél az eljárásnál egy néhány mikrométer átmérőjű fénynyalábot sugároznak a szilárd, fémes bevonatanyagra, amely elpárologtatja a bevonatanyagot. A folyamat során alkalmazott nagy áramerősség és teljesítménysűrűség miatt az elpárolgott anyag nagyrészt ionizálódik, és nagy energiájú plazmát képez.A fémionok a kamrába bevezetett reaktív gázzal reakcióba lépnek, és a keletkezett vegyületmolekulák (pl. karbidok, nitridek, oxidok) a bevonatolni kívánt szerszámon, illetve alkatrészen nagy energiával csapódnak be. Vékony, szilárdan tapadó réteg keletkezik.Erre a technológiára a reaktív ionbesugárzásnál említett hőmérsékletnél magasabb hőmérséklet (kisebb, mint 500 0C) jellemző.
1: argon gáz2: reaktív gáz3: fémforrás és fényív bevezetése4: munkadarabok5: vákuumszivattyú
2. ábra: Fényíves porlasztás elve
Reaktív elektronsugaras párologtatás (ionplating)
Tevékenység: Jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a reaktív elektronsugaras párologtatás
technológiájának menetét. Vázolja fel füzetébe, tanulja meg a reaktív elektronsugaras párologtatás
berendezésének elvi rajzát.
A reaktív elektronsugaras párologtatás elvét a 3. ábrán mutatjuk. A fémforrást (az ábrán az 5.sz. elem) egy tégelyben helyezik el (6.sz. elem), elektron besugárzással indul meg a fém párologtatása (elektron besugárzó forrás: 1.sz. elem). Alacsony feszültségű ívkisülések (7.sz. elem) hatására nagy energiájú plazma keletkezik. A kamrába reaktív gázt vezetnek. A fémionok reakcióba lépnek a reaktív gázzal. A bevonatolandó munkadarabokra negatív feszültséget kapcsolnak. A keletkező vegyületmolekulák a negatív feszültség irányába gyorsulva a munkadarab felületére csapódnak. Nagyon kemény kötésű vékonyréteg keletkezik. Erre a technológiára a fényíves porlasztásnál említett hőmérséklettel kb. azonos hőmérséklet (kisebb, mint 500 0C) jellemző.
9
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
1: elektron besugárzó forrás2: argon gáz3: reaktív gáz4: munkadarabok5: fémforrás6: tégely7: alacsony feszültségű ívkisülés8: vákuumszivattyú
3. ábra: Reaktív elektronsugaras párologtatás elve
3. CVD eljárás (kémiai gőzfázisú bevonatolás)
Tevékenység: jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a CVD technológia alapvető jellemzőit: gőzfázis képzési módszerek, hőmérséklet.
Kémiai gőzfázisú bevonás (Chemical Vapour Deposition CVD) során két vagy több szabályozott összetételű, gőz-, illetve. gázhalmazállapotú vegyületet – megfelelő hőközlés mellett – kémiai reakcióba visznek, aminek során a bevonandó tárgy felülete közelében termokémiai bomlás és további reakciók játszódnak le. Az így keletkező gőzfázisú reakciótermék a munkadarab felületére lecsapódva szilárd bevonatréteget képez és rendszerint gázfázisú melléktermékek is keletkeznek. A kezelés a PVD-hez hasonlóan vákuumban történik, de a kezelési hőmérséklet itt magasabb, többnyire 850-1050 C-os hőmérséklet-tartományba esik.Mivel a kezelendő munkadarab jelentős hőhatásnak van kitéve, ezért főként keményfém szerszámok felületkezelésére alkalmazzák, az elérhető maximális kéregvastagság 10 m is lehet.
Néhány jellemző reakció egyenletét, a kezelés hőmérsékletét, az elérhető rétegvastagságot és felületi maximális keménységet az 5. táblázat tartalmazza.
Tevékenység: Tanulmányozza az 5. táblázatban szereplő bevonatanyagok CVD technológiához
tartozó kémiai egyenleteit, hasonlítsa össze a jellemző hőmérsékleteket, rétegvastagságokat és keménységeket.
Jegyezze fel füzetébe, tanulja meg a TiC, a TiN és az Al2O3 képződéséhez tartozó kémiai egyenleteket.
10
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
5. táblázat. Néhány jellemző CVD-reakció
be-vonat Képzési reakció Vivő
-gáz
Hőmér-séklet(K)
Réteg vastag-
ság (μm)
Kemény-ség (HV)
TiCTiCl4 + CH4 →TiC + 4 HClTiCl4 + C + 2 H2 →TiC + 4 HCl H2
1200…1350 6…8 >3000
Cr7C3
CrCl2 + H2 → Cr + 2 HCl7 CrCl2 + 3 CH4 → Cr7C3 + 14 HCl Ar 1200…
1400 8…12 ~2000
W2C
2 WF6 + C6 + 13 H2 → W2C + 5 CH4 + 12 HF2 WF6 + CH4 + 4 H2 → W2C + 12 HF Ar 600…
800 20…50 ~2000
Al2O3
2 AlCl3 + 3 CO2 + 3 H2 → Al2O3 + CO + 6 HCl H2
1100…1500 2…4 >2400
TiN 2 TiCl4 + N2 + 4 H2 → 8 HCl + 2 TiN H2950…1300 5…10 >1800
Tevékenység: Jegyezze fel füzetébe, tanulja meg:
a hőmérséklet szabályozásának módját, a CVD technológia alkalmazásának előnyeit és korlátjait.
A reakciótérben elhelyezett szubsztrátum hőmérsékletét a tervezett kémiai reakció feltételének megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél alacsonyabbra, hogy a reakció a hordozó felületén jöjjön létre. A rétegnövekedés sebessége a felületen kialakuló egyensúlyi állapottól függ. Az előállított rétegek sztöchiometriai aránya a reagens gáz adagolásával szabályozható, továbbá megfelelő gázadagolással arra is lehetőség van, hogy egyidejűleg több elemet, vegyületet válasszanak le. Az előállított rétegek nagy tisztaságúak, jól kötődnek a szubsztráthoz és kontúrhűek. Még bonyolult geometriájú munkadarabokon is viszonylag homogén réteg képződik.Számos esetben viszont a rétegépülés magas hőmérséklete nehezen kiküszöbölhető (pl. egyes acéltípusoknál), vagy leküzdhetetlen problémát (pl. műanyagoknál) jelent. Acélok esetében a probléma abból adódik, hogy a CVD-eljárások szokásos hőmérséklete meghaladja az acél ausztenitesítési hőmérsékletét. Ha kezelést követő in situ edzésre nincs lehetőség, úgy az acélhordozó a bevonatolást követő lehűlés során kilágyul.Az utólagos nemesítő hőkezelés rendkívül kényes művelet, mert védőatmoszférában vagy vákuumban kell elvégezni úgy, hogy se a felvitt bevonat ne károsodjon, se a munkadarab ne deformálódjon. Bizonyos anyagok felvitele (pl. ZrC, HfC, TaC) még keményfém hordozóra is gondot jelent a túl magas (~1600 ºC) reakcióhőmérséklet miatt.
11
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
Az egyes eljárásváltozatok aszerint különböztethetők meg, hogy a leendő bevonatkomponens gőzállapotba vitele párologtatással vagy porlasztással történik-e, illetve a reakciókat csak hőközlés (hőkezelés) vagy plazmaaktiválás is segíti-e.A 4. ábrán példaképpen a TiC-dal való CVD bevonatolás elvi rajzát látjuk.
Tevékenység: Rajzolja fel füzetébe, tanulja meg a TiC-dal való CVD bevonatolás elvi rajzát.
4. ábra: Titánkarbiddal történő bevonatolás CVD-technológiájának vázlata
Irodalom: 1. Bertóti I., Marosi Gy., Tóth A.: (Szerk.) Műszaki felülettudomány és orvosbiológiai alkalmazásai B+V (Medical and Technical) Lap- és Könyvkiadó Kft. Budapest, 2003.2. Bagyinszki Gyula, Bitay Enikő: Felületkezelés, Műszaki Tudományos Füzetek 5, Erdélyi Múzeum Egyesület, Kolozsvár, 2009.3. Davis J.R (editor): Surface engineering for corrosion and wear resistance, ASM International, Materials Park, USA 2001.4. Sudarsan T.S. (editor) Chemical Vapor Deposition, Surface Engineering Series, Volume 2, ASM International, Jong-Hee Park, USA 2001.5. Mattox D.M..: Handbook of Physical Vapor Deposition, (PVD) Processing, William Andrew Publishing –Noys, 1998.6.Oerlikon katalógus, WEB cím: http://www.oerlikon.com/ecomaXL/index.php?site=BALZERS_EN_coating_technology
12
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
Önellenőrző kérdések:
1. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: honnan erednek a bevonatolási technológiák legújabb fejlesztései, széleskörű ipari alkalmazásai?
űrtechnika hadiipar gyógyászattechnika elektronikai technológiák
2. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen vastagság, jellemző a vékonyréteg bevonatokra? (MODULZÁRÓ)
1-10 mikrométer 1-10 mm 0,1-1 mm 0,01-0,1mm
3. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen funkcionális rendeltetéseik vannak a vékonyréteg bevonatoknak? (MODULZÁRÓ)
tribológiai, optikai, korrózió-gátló, hőszigetelő, vagy dekoratív jellegűek tribológiai, optikai, korrózió-gátló, hővezető, vagy dekoratív jellegűek kopásálló, optikai, korrózió-gátló, hővezető, vagy dekoratív jellegűek kopásálló, optikai, korrózió-gátló, szilárdságnövelő, vagy dekoratív jellegűek
4. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen gépészeti területen terjedtek el általánosan a vékonyréteg bevonatok?
forgácsolószerszámok gyártása képlékeny alakító szerszámok gyártása öntőszerszámok gyártása műanyag fröccsöntőszerszámok gyártása
5. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen fő csoportjai vannak a gőzfázisból való leválasztási technológiáknak?
PVT és CVT PVD és CVD plazmaszórás és CVD plazmaszórás és részecskeszórás
6. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: hogyan készítik elő a felületet a gőzfázisból való leválasztásos bevonatolás előtt? (MODULZÁRÓ)
finomköszörülés, polírozás, ultrahangos felülettisztítás finomköszörülés, polírozás, kémiai maratás jó tapadás érdekében érdes felület kialakítása kémiai maratással jó tapadás érdekében érdes felület kialakítása homokszórással
13
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
7. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyenek a rétegépülési sebességek a PVD és a CVD bevonatolási technológiák esetében?
PVD-technológiáknál kb. 1-100 mm/óra, a CVD-technológiáknál kb. 1- 3 mm/óra PVD-technológiáknál kb. 1-100 μm/óra, a CVD-technológiáknál kb. 1- 3 μm/óra PVD-technológiáknál kb. 1- 3 mm/óra, a CVD-technológiáknál kb. 1-100 mm/óra PVD-technológiáknál kb. 1- 3 μm/óra, a CVD-technológiáknál kb. 1-100 μm/óra
8. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen alapvető különbség van a PVD és a CVD technológiáknál kémiai reakciók lejátszódása szempontjából? (MODULZÁRÓ)
A PVD eljárásoknál kémiai reakciók játszódnak le gőzfázisban, a CVD eljárásoknál csak fizikai módszerrel történő bomlások fordulhatnak elő gőzfázisban
A CVD eljárásoknál kémiai reakciók játszódnak le gőzfázisban, a PVD eljárásoknál csak fizikai módszerrel történő bomlások fordulhatnak elő gőzfázisban
A PVD eljárásoknál kémiai reakciók játszódnak le az épülő bevonatban, a CVD eljárásoknál csak fizikai módszerrel történő bomlások fordulhatnak elő az épülő bevonatban
A CVD eljárásoknál kémiai reakciók játszódnak le az épülő bevonatban, a PVD eljárásoknál csak fizikai módszerrel történő bomlások fordulhatnak elő az épülő bevonatba
9. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: miért fontos kutatási cél a kezelés hőmérsékletének csökkentése a vékonyréteg bevonatoló technológiáknál? (MODULZÁRÓ)
Bizonyos anyagok (pl. egyes kerámiák) esetében a kezelés magas hőmérséklete miatt a korrózióállóság nem kívánatos megváltozása következhet be.
Bizonyos anyagok (pl. egyes acéltípusok) esetében a kezelés magas hőmérséklete miatt a korrózióállóság nem kívánatos megváltozása következhet be.
Bizonyos anyagok (pl. egyes kerámiák) esetében a kezelés magas hőmérséklete miatt a mikroszerkezet nem kívánatos megváltozása következhet be.
Bizonyos anyagok (pl. egyes acéltípusok) esetében a kezelés magas hőmérséklete miatt a mikroszerkezet nem kívánatos megváltozása következhet be.
10. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen jellemzőkkel minősítenek PVD és CVD bevonatokat?
keménység, kopásállóság, olvadáspont, bevonatolható anyagok, korrózióállóság, hővezetési tényező
keménység, kopásállóság, olvadáspont, bevonatolható anyagok, korrózióállóság, hőátadási tényező
keménység, kopásállóság, bevonatolás hőmérséklete, bevonatolható anyagok, korrózióállóság, hővezetési tényező
keménység, kopásállóság, bevonatolás hőmérséklete, bevonatolható anyagok, korrózióállóság, hőátadási tényező, szakítószilárdság
11. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen bevonatanyagokat alkalmaznak kivágó, lyukasztó és alakító szerszámok élettartamának növelésére CVD, PVD bevonatolásoknál?
titándioxid, titánnitrid, krómkarbid, MoST titánkarbid, titándioxid, krómkarbid, MoSTTM
14
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
titánkarbid, titánnitrid, krómkarbid, MoSTTM titánkarbid, titánnitrid, krómoxid, MoS
12. Az alábbi felsorolásból válassza ki a TiN-re és a MoS2 –ra vonatkozó tulajdonságokat és a PVD technológia esetén alkalmazott hőmérsékletek nagyságrendjét? (2 megoldás)
a MoS2 kemény kopásálló bevonat, a MoS2 réteget pedig kemény bevonatok fölé bevonatolják, mivel súrlódási tényezője kicsi, kiváló szilárd kenőanyag
a TiN kemény kopásálló bevonat, a MoS2 réteget pedig kemény bevonatok fölé bevonatolják, mivel súrlódási tényezője kicsi, kiváló szilárd kenőanyag
a TiN saválló bevonat, a MoS2 réteget pedig kemény bevonatok fölé bevonatolják, mivel súrlódási tényezője kicsi, kiváló szilárd kenőanyag
a CVD technológia hőmérséklete TiN-nél 350-500 0C, a MoS2-nál 150 0C a CVD technológia hőmérséklete TiN-nél 150 0C, a MoS2-nál 350-500 0C a PVD technológia hőmérséklete TiN-nél 350-500 0C, a MoS2-nál 150 0C
13. Az alábbi felsorolásból válassza ki a PVD technológia alapvető jellemzőit (3 megoldás)! (MODULZÁRÓ)
a gőzfázisba való átmenet párologtatással vagy porlasztással történik a gőzfázisba való átmenet magas hőmérsékletre való hevítéssel történik a bevonatanyag porainak előállítása porlasztással történik a kezelés vákuumban történik a kezelés alacsony nyomáson történik a kezelés magas nyomáson történik a munkadarab-felületének hőmérséklete nem haladja meg az 550 C-ot a munkadarab-felületének hőmérséklete nem haladja meg az 350 C-ot a munkadarab-felületének hőmérséklete nem lehet kisebb, mint 550 C-ot
14. Az alábbi felsorolásból válassza ki a helyes választ: milyen fajta vegyületek a leggyakoribbak a PVD bevonatanyagoknál? (MODULZÁRÓ)
fémek oxidjai, nitridjei, szulfidjai fémek oxidjai, nitridjei, karbidjai szilíciumoxid, szilíciumnitrid, szilíciumkarbid titánoxid, titánnitrid, titánszulfid
15. Az alábbi technológiai műveletelemeket állítsa sorrendbe az 1-től 7-ig terjedő sorszámok helyes megadásával a reaktív ionbesugárzásos PVD technológiához.
az argonionok a negatív feszültség miatt a fémforrások felé gyorsulnak, és a fémfelületeket szétporlasztják (4)
az elektromos gázkisülés pozitív argonionok képződéséhez vezet (3) bevonatolandó elemek felhevítése (1) a porlasztott fémrészecskék a kamrába vezetett reaktív gázzal reakcióba lépnek (6) a kamrába reaktív gázt vezetnek (5) a fémforrásokra nagy negatív feszültséget kapcsolnak (2) vékony, kompakt vegyületi réteg képződik a bevonatolandó tárgy felületén (7)
15
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
16. Az ábra alatti felsorolásban szereplő elemek mellé írja be az ábrán jelzett elem sorszámát úgy, hogy a reaktív ionbesugárzásos PVD technológia berendezésének elvét helyesen mutassa.
(1) argon gáz(2) reaktív gáz(3) tiszta fémforrás(4) munkadarabok(5) vákuumszivattyú
17. Az alábbi technológiai műveletelemeket állítsa sorrendbe az 1-től 5-ig terjedő sorszámok helyes megadásával a fényíves porlasztásos PVD technológiához.
A fémionok a kamrába bevezetett reaktív gázzal reakcióba lépnek. (4) A kamrába reaktív gázt vezetnek. (3) Néhány mikrométer átmérőjű fényív halad át a szilárd, fémes bevonatanyagon, és
elpárologtatja azt. (1) A keletkezett vegyületmolekulák a bevonatolni kívánt szerszámon, illetve alkatrészen
nagy energiával csapódnak be (5) A folyamat során alkalmazott nagy áramerősség és teljesítménysűrűség miatt az
elpárolgott anyag nagyrészt ionizálódik, és nagy energiájú plazmát képez. (2)
18. Az ábra alatti felsorolásban szereplő elemek mellé írja be az ábrán jelzett elem sorszámát úgy, hogy a fényíves porlasztásos PVD technológia berendezésének elvét helyesen mutassa.
(1) argon gáz
16
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
(2) reaktív gáz(3) fémforrás és fényív bevezetése(4) munkadarabok(5) vákuumszivattyú
19. Az ábra alatti felsorolásban szereplő elemek mellé írja be az ábrán jelzett elem sorszámát úgy, hogy a reaktív, elektronbesugárzással való porlasztásos PVD technológia berendezésének elvét helyesen mutassa. (MODULZÁRÓ)
(1) elektron besugárzó forrás(2) argon gáz(3) reaktív gáz(5) tiszta fémforrás(4) munkadarabok(6) tégely(8) vákuumszivattyú(7) alacsony feszültségű ívkisülések
20. Az alábbi felsorolásból válassza ki a CVD technológia alapvető jellemzőit (4 megoldás) (MODULZÁRÓ)
a kiindulás két vagy több gázhalmazállapotú elem vagy vegyület a kiindulás fémforrás és reaktív gáz a gőzfázisba való átmenet magas hőmérsékletre való hevítéssel történik a bevonandó tárgy felülete közelében termokémiai bomlás és további reakciók
játszódnak le a kezelés vákuumban történik a kezelés alacsony nyomáson történik a kezelés magas nyomáson történik a munkadarab-felületének hőmérséklete nem haladja meg az 550 C-ot a kezelési hőmérséklet többnyire 850-1050 C-os hőmérséklet-tartományba esik a munkadarab-felületének hőmérséklete nem lehet kisebb, mint 550 C-ot
21. Az 1-7-ig terjedő sorszámok megadásával adja meg az alábbi felsorolásban található összetevők helyes sorrendjét úgy, hogy a TiC előállításának kémiai egyenletét kapjuk.
17
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
TiCl4 (1. vagy 3.) + (2. vagy 6.) CH4 (1. vagy 3.) → (4.) TiC (5. vagy 7.) + (2. vagy 6.) 4HCl (5. vagy 7.)
22. Az 1-8-ig terjedő sorszámok megadásával adja meg az az alábbi felsorolásban található összetevők helyes sorrendjét úgy, hogy a TiN előállításának kémiai egyenletét kapjuk.
2TiCl4 (1. vagy 3. vagy 5.) + (2. vagy 4. vagy 8.) N2 (1. vagy 3. vagy 5.) + (2. vagy 4. vagy 8.) H2 (1. vagy 3. vagy 5.) → (6.) 2TiN (7. vagy 9.) + (2. vagy 4. vagy 8.) 8HCl (7. vagy 9.)
23. Az alábbi felsorolásból válassza ki a hőmérséklet szabályozásának módját a CVD technológiánál.
A szubsztrátum hőmérsékletét a tervezett kémiai reakció feltételének megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél magasabbra a, hogy a reakció még a gáztérben jöjjön létre.
A szubsztrátum hőmérsékletét a tervezett kémiai reakció feltételének megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél alacsonyabbra, hogy a reakció még a gáztérben jöjjön létre.
A szubsztrátum hőmérsékletét a tervezett kémiai reakció feltételének megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél magasabbra, hogy a reakció a hordozó felületén jöjjön létre.
A szubsztrátum hőmérsékletét a tervezett kémiai reakció feltételének megfelelő értékűre kell beállítani, míg az áramló gőzökét ennél alacsonyabbra, hogy a reakció a hordozó felületén jöjjön létre.
24. Az alábbi felsorolásból válassza ki a CVD technológia előnyeit és korlátjait (4 megoldás) (MODULZÁRÓ)
arra is lehetőség van, hogy egyidejűleg több elemet, vegyületet válasszanak le egyszerre csak egy vegyület leválasztására van lehetőség bonyolult geometriájú munkadarabokon is viszonylag homogén réteg képződik nehezen hozzáférhető felületeken a rétegépülés nem megoldott acélok a CVD-eljárások szokásos hőmérséklete meghaladja az acél ausztenitesítési
hőmérsékletét, az utólagos hőkezelés pedig problémát jelent acélok a CVD-eljárások szokásos hőmérséklete meghaladja az acél ausztenitesítési
hőmérsékletét, az utólagos hőkezeléssel az eredeti minőség visszaállítható bizonyos anyagok felvitele (pl. ZrC) még keményfém hordozóra is gondot jelent a túl
magas (~1000 ºC) reakcióhőmérséklet miatt
18
Modul címe: Bevonatok, bevonatolási technológiákLecke címe: PVD, CVD bevonatolási technológiák Szerző: Zsoldos Ibolya
bizonyos anyagok felvitele (pl. ZrC) még keményfém hordozóra is gondot jelent a túl magas (~1600 ºC) reakcióhőmérséklet miatt
25. Az ábra alatti felsorolásban szereplő elemek mellé írja be az ábrán jelzett elem sorszámát úgy, hogy titánkarbidos bevonatolás CVD technológiájának elvét helyesen mutassa.
(5) Elővákuumszivattyú(7) Vákuumszivattyú(4) Gázkeverő(9) titántetraklorid adagolás(2) CH4 gázadagolás(1) H2 gázadagolás(3) Ar gázadagolás(10) gáztisztítók(8) hevítés(6) reaktortér a benne elhelyezett bevonatolandó darabokkal
19
top related