Progreso de la ingeniería de superficies

1 Introducción

La falla de la pieza de trabajo generalmente se debe a daños en la superficie de la pieza de trabajo. Mejorar la morfología, la composición química, la microestructura y el rendimiento de la superficie y cerca de la superficie del material es un medio eficaz y económico para mejorar la calidad de la pieza de trabajo, extender su vida útil y evitar fallas. La ingeniería de superficies es una ingeniería sistemática que mejora la morfología de la superficie, la composición química, la microestructura y el rendimiento de los materiales mediante la modificación de la superficie, el recubrimiento de la superficie o el tratamiento compuesto de diversas tecnologías de superficie después del tratamiento previo para obtener las propiedades superficiales requeridas.

La ingeniería de superficies se basa en el núcleo de investigación de "superficie" e "interfaz". Con base en las teorías de disciplinas relacionadas, se aplican diversas tecnologías de ingeniería de superficies y de ingeniería de superficies compuestas para mejorar los materiales de acuerdo con el mecanismo de falla. 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. La tecnología 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 integran electrónica, vacío, plasma, física, química, metalurgia, materiales y otras tecnologías, y tratan la superficie y la matriz del material como un todo unificado para mejorar el rendimiento del material u obtener nuevos materiales. 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 es cambiar la composición química de la superficie de la pieza de trabajo, incluido el tratamiento térmico químico y la implantación de iones; el otro es no cambiar la composición química de la superficie de la pieza de trabajo, sino solo cambiar el estado de la microestructura de la superficie; , incluido el fortalecimiento de la deformación de la superficie, el fortalecimiento de la transformación de la fase de la superficie, etc.

2.1 Tratamiento térmico químico

El tratamiento térmico químico consiste en colocar la pieza en un medio activo a una temperatura determinada para mantenerla caliente, de modo que uno o más elementos puedan penetrar en su superficie. , mejorando así la composición química de la superficie y sus propiedades. 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 al mismo tiempo una buena resistencia y tenacidad en su núcleo, lo que le da al producto propiedades mecánicas integrales más altas. El tratamiento térmico químico también puede mejorar significativamente las propiedades físicas y químicas; Propiedades de la superficie de la pieza de trabajo.

Los tratamientos térmicos químicos comúnmente utilizados incluyen carburación, nitruración, sulfuración, boro, siliconación, aluminización, cromatización, cincado, vanadio, carbonitruración, carburación con azufre y otros. 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. Carburación, nitruración, carbonitruración, etc. Puede mejorar la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo, mientras que la sulfuración, la sulfuración, la nitrificación, la nitrificación y otros procesos pueden mejorar significativamente la reducción de la fricción, la resistencia al desgaste y las propiedades antiagarrotamiento de la pieza de trabajo.

Existen muchos tipos y métodos de proceso de tratamiento térmico químico. Con la mejora de las propiedades superficiales de las piezas de trabajo, el sistema de aleación y los métodos de tratamiento originales ya no pueden cumplir plenamente los requisitos de las condiciones de servicio en diferentes condiciones de trabajo, y la aplicación de la co-penetración de múltiples componentes y el tratamiento compuesto se está generalizando cada vez más. . La aparición de varios medios tecnológicos nuevos ha proporcionado nueva energía para el tratamiento térmico químico con plasma, la aleación de superficies por láser, la aleación de superficies por haz de electrones, etc., que se han aplicado en la industria.

2.2 Implantación de iones

El principio de la implantación de iones es ionizar los átomos de un elemento en iones, acelerarlos bajo la acción de un campo eléctrico de alto voltaje y luego incidir en el superficie sólida a 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 puede mejorar 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, y se utiliza en herramientas, moldes y piezas de precisión resistentes al desgaste. , piezas resistentes a la corrosión, medicina y microelectrónica y otros campos.

2.3 Fortalecimiento por deformación de la superficie

El principio del fortalecimiento por deformación de la superficie es utilizar métodos mecánicos para causar una fuerte deformación plástica en la superficie del material, producir un cierto espesor de capa de endurecimiento por trabajo en frío. en la superficie y generar presión residual para mejorar la resistencia a la fatiga y la corrosión de la superficie.

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 tratamiento térmico que cambia la microestructura y las propiedades del material sin cambiar la composición química de la capa superficial mediante un 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 núcleo el material todavía está en el punto crítico de transformación de fase debajo del punto, se mantiene la estructura original, luego la capa superficial se enfría mediante un enfriamiento rápido en el centro o fuera de la pieza de trabajo para obtener una estructura de martensita fina, lo que mejora la dureza de la superficie y Resistencia al desgaste de la pieza de trabajo, mientras que el centro de la pieza de trabajo aún mantiene su resistencia y dureza originales.

El endurecimiento por cambio de fase de la superficie incluye el endurecimiento de la superficie por calentamiento por inducción, el endurecimiento de la superficie por calentamiento por llama, el endurecimiento de la superficie por haz de electrones, el endurecimiento por cambio de fase de la superficie por láser y el endurecimiento de la superficie por haz de alta densidad de energía. , a menudo utilizado para reforzar la superficie de engranajes, piezas de eje, camisas de cilindros, pistones, etc.

3 Tecnología de recubrimiento de superficies

La tecnología de recubrimiento de superficies es el proceso de hacer crecer una nueva sustancia con una interfaz obvia con el sustrato, que incluye galvanoplastia, recubrimiento químico, pulverización térmica y deposición física de vapor. , deposición química de vapor, tecnología de recubrimiento de conversión, etc.

3.1 Galvanoplastia y revestimiento químico

3.1.1 Galvanoplastia

La galvanoplastia es una tecnología que utiliza métodos electroquímicos para depositar metal o aleación en la superficie de un sustrato. Puede Los iones metálicos disueltos uniformemente en la solución obtienen electrones en la superficie de contacto de la solución/sustrato para reducirlos a átomos metálicos y depositarlos en la superficie del sustrato para formar un recubrimiento de metal o aleación.

Las capas de galvanoplastia incluyen capas metálicas individuales, capas de aleación, capas compuestas, etc. Los recubrimientos prácticos generalmente se componen de varios recubrimientos metálicos individuales o recubrimientos con diferentes propiedades que trabajan juntos para formar un recubrimiento compuesto con excelentes propiedades integrales. 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, con el electrodo positivo conectado a la pluma de revestimiento con cepillo y el electrodo negativo conectado a la pieza de trabajo; La pluma de revestimiento con pincel generalmente usa bloques de grafito fino de alta pureza como materiales de ánodo, y los bloques de grafito están envueltos con algodón y una carcasa de poliéster-algodón resistente al desgaste. Durante el revestimiento con cepillo, el cepillo sumergido 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 la pluma de recubrimiento del cepillo entra 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, se reducen a átomos metálicos y se depositan en la superficie de la pieza de trabajo. para formar un recubrimiento.

El revestimiento con brocha no requiere una solución de revestimiento, es de tamaño pequeño, liviano, fácil de usar en el sitio y tiene una alta tasa de deposición. Es ampliamente utilizado en la reparación de piezas de trabajo desgastadas, reparación de productos fuera de tolerancia, fortalecimiento de las superficies de la pieza de trabajo, mejora de la resistencia a la corrosión de la pieza de trabajo, reducción del coeficiente de fricción de la pieza de trabajo, decoración y otros campos.

3.1.3 Recubrimiento no electrolítico

El recubrimiento no electrolítico es un proceso en el que los iones metálicos se reducen y depositan en la superficie de la pieza de trabajo utilizando un agente reductor en la solución. Los procesos de revestimiento no electrolítico comúnmente utilizados 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 con buena densidad, buena resistencia a la corrosión y alta dureza en la superficie de piezas de trabajo complejas. Puede mejorar significativamente las propiedades físicas y químicas de las piezas de trabajo, como la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la decoración. Ampliamente utilizado en petroquímicos, electrónicos, 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 material pretratado. sustrato a una cierta velocidad forma un recubrimiento para lograr el propósito de dar funciones especiales a la superficie del sustrato. El proceso de formación del recubrimiento por 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 con llama, pulverización por arco, pulverización por plasma y pulverización con láser.

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 cierta velocidad para formar una capa. El material de pulverización inicial puede estar en forma de polvo, varilla, núcleo o alambre. 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.

La pulverización por arco utiliza dos hilos de material de pulverización como electrodos consumibles. Cuando dos alambres metálicos se cortocircuitan para encender un arco, el material del electrodo se funde por la alta temperatura del arco y se rocía sobre la superficie de la pieza de trabajo para formar un recubrimiento. Los alambres metálicos posteriores se alimentan continuamente a la parte fundida repuesta para. 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 semiderrita, y luego se pulveriza sobre la superficie de la pieza de trabajo a una cierta velocidad para formar un recubrimiento. Tiene las ventajas de una alta temperatura de llama, buena controlabilidad y una rápida velocidad de vuelo de las partículas fundidas. Los materiales que se pueden utilizar para la pulverización por plasma incluyen todos los materiales que se pueden convertir en polvo. La pulverización por plasma incluye la pulverización por plasma atmosférico, la pulverización por plasma atmosférico controlado, la pulverización por plasma a baja presión y la soldadura por pulverización por plasma.

Al seleccionar diferentes materiales de recubrimiento y métodos de proceso, la pulverización térmica puede producir antifricción, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación a alta temperatura, función de barrera térmica, función catalítica, biocompatibilidad e infrarrojo lejano. revestimiento de radiación. 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 desgastadas y corroídas.

3.3 Deposición física de vapor

La deposición física de vapor (PVD) es la transferencia controlada de átomos desde un material fuente a un sustrato mediante el uso de algunos procesos físicos, como la evaporación térmica o la pulverización catódica de Materiales.Proceso de la superficie inferior. Las principales características de la deposición física de vapor son: ① Es necesario utilizar sustancias sólidas o fundidas como materiales de origen durante el proceso de deposición; ② Los materiales de origen ingresan a la fase gaseosa a través de procesos físicos; ③ Se requiere un ambiente de presión 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 utiliza una determinada fuente de calor para calentar el material fuente en condiciones de vacío para vaporizarlo y formar vapor con una determinada presión de vapor. Las partículas de vapor fluyen. Directamente dispara hacia el sustrato y cristaliza 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, las partículas de vapor se transportan a la superficie del sustrato, las partículas gaseosas se condensan y se nuclean en la superficie del sustrato, crecen hasta formar una película sólida y Los átomos que forman la película están reordenados o unidos por enlaces químicos.

Los métodos de calentamiento para el proceso de evaporación al vacío de materiales de origen 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, con las ventajas de una alta tasa de deposición, un alto grado de vacío y una buena calidad de la película. Sin embargo, también existen algunos problemas, como la baja densidad y la mala fuerza de unión con el sustrato.

La evaporación al vacío es muy utilizada. La evaporación de películas de aluminio en la superficie de materiales de embalaje es su mayor área de aplicación. Además, también ocupa una determinada posición en los campos de la preparación de películas ópticas, películas decorativas, películas conductoras, etc.

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 serán expulsados ​​durante la colisión con los átomos en la superficie objetivo. 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 de haz de iones, pulverización catódica reactiva, etc. Estos métodos se combinan con diferentes métodos de aplicación de polarización, y también se pueden combinar varios métodos, tales como pulverización catódica por radiofrecuencia, pulverización catódica con magnetrón y pulverización catódica reactiva, para formar una medición reactiva de radiofrecuencia y controlar la pulverización catódica.

SPuttering de CC

El sputtering de CC con diodos utiliza material pulverizado como cátodo y aplica miles de voltios a un sustrato que sirve como ánodo. Después de evacuar el sistema a alto vacío, se llena un gas inerte de presión adecuada. Bajo la alta presión entre los electrodos positivo y negativo, una gran cantidad de átomos de gas se ionizan durante el proceso de ionización, los átomos de Ar se ionizan en Ar y; electrones. El Ar cargado positivamente es acelerado por el campo eléctrico de alto voltaje y vuela hacia el objetivo como cátodo a gran velocidad. Durante el proceso de colisión con el objetivo, una gran cantidad de átomos del objetivo obtienen una energía bastante alta y escapan de las limitaciones del objetivo. Los átomos del objetivo de alta energía vuelan hacia 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 objetivos semiconductores. Sin embargo, debido al alto voltaje de descarga, la alta temperatura del sustrato, la baja corriente del objetivo del cátodo, la baja tasa de pulverización y el fácil daño. No puede chisporrotear bajo alto vacío.

Para evitar las deficiencias de la pulverización catódica de diodos CC, se introduce un cátodo de filamento calentado en el dispositivo de pulverización catódica de diodos y se utiliza 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. , aumentando la corriente de descarga y haciendo que se pueda controlar de forma independiente.

3.3.2.2 Pulverización por radiofrecuencia

La pulverización catódica de CC requiere que el material objetivo tenga buena conductividad y no es adecuado utilizar objetivos no metálicos con mala conductividad para preparar películas. 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 entre los dos electrodos pueden obtener suficiente energía del campo eléctrico de alta frecuencia para ionizar las moléculas de gas, de modo que puedan chisporrotear. a una frecuencia más alta que la pulverización bipolar se realiza a una presión de gas que es un orden de magnitud menor que la presión de gas requerida. Además, los campos eléctricos de alta frecuencia se pueden acoplar a la cámara de deposición a través de otras formas de impedancia, eliminando así la limitación de que los electrodos sean conductores. 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 mejorar la velocidad de pulverización de la pulverización catódica de diodos y reducir el impacto adverso de los electrones secundarios en el sustrato, la superficie objetivo del 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 captura de electrones para atrapar electrones secundarios. Los electrones secundarios generados a partir de la superficie objetivo se aceleran en la zona de caída de potencial del cátodo para ganar energía y convertirse en electrones de alta energía. Cuando caen en la trampa de electrones del campo electromagnético ortogonal, no pueden ser absorbidos directamente por el ánodo. En cambio, realizan un movimiento giratorio en el campo electromagnético ortogonal, lo que aumenta considerablemente la distancia recorrida por los electrones secundarios antes de llegar al ánodo. la probabilidad de colisión con el gas de pulverización, aumentando la corriente de pulverización y la velocidad de pulverización. Además, el ánodo del dispositivo de pulverización catódica con magnetrón está cerca del cátodo y el sustrato no está sobre el ánodo, lo que suprime significativamente el bombardeo del sustrato por electrones secundarios.

Los objetivos de pulverización catódica con magnetrón utilizados habitualmente incluyen objetivos de pulverización catódica con magnetrón planos, objetivos de pulverización catódica con magnetrón cilíndrico y objetivos de pulverización catódica con magnetrón tipo S. La pulverización catódica del magnetrón original cerró el campo magnético cerca de la superficie del objetivo. La densidad del plasma cerca de la pieza de trabajo era muy baja y su interferencia con la deposición de la película no era obvia. Con el fin de mejorar la calidad de la película bombardeando el sustrato con un flujo de iones de alta densidad y energía adecuada, se desarrolló un equipo de pulverización catódica con magnetrón en desequilibrio, que se caracteriza por ampliar el rango de plasma al sustrato aumentando el campo magnético parásito. y alterar la película mediante el proceso de deposición de iones, mejorando así las propiedades de la película.

3.3.2.4 Pulverización reactiva

El uso de este compuesto como material objetivo puede lograr la pulverización catódica, pero en algunos casos, el compuesto se descompondrá durante el proceso de pulverización catódica, lo que dará como resultado la composición química de la película depositada difiere significativamente de la del material objetivo. Una forma de resolver este problema es limitar el proceso de descomposición de los compuestos 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 producirán reacciones químicas durante la pulverización catódica y la deposición para generar compuestos específicos, completando así el proceso desde la pulverización catódica hasta la reacción y la deposición. Este proceso de pulverización catódica se denomina pulverización 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 áreas grandes y producción industrial; -películas dieléctricas de resistencia, si la presión del gas reactivo es demasiado alta, provocará envenenamiento del objetivo, descarga del arco y desaparición del ánodo, 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 métodos de suministro de energía opcionales incluyen suministro de energía de extinción automática de arco, suministro de energía de pulverización catódica de pulso asimétrico y suministro de energía de CA de frecuencia media. Los métodos de suministro de gas de reacción incluyen el suministro de gas en la zona de la red, la entrada de gas por pulsos, etc.

3.3.2.5 Pulverización con magnetrón de frecuencia media

La pulverización catódica con magnetrón de frecuencia media generalmente adopta una estructura de doble objetivo y conecta la fuente de alimentación de CA a los dos objetivos. Durante el semiciclo negativo, el primer objetivo es bombardeado con iones positivos y el otro objetivo sirve como ánodo. Cuando está en el semiciclo positivo, el primer objetivo se convierte en el ánodo. En este momento, los electrones en el plasma se aceleran hacia la superficie del objetivo, neutralizando las cargas positivas acumuladas en la parte aislante de la superficie del objetivo, mientras que el otro objetivo se pulveriza. como el cátodo. Cuando la frecuencia de la corriente alterna alcanza un cierto valor, los dos objetivos sirven como ánodo y cátodo entre sí, lo que puede eliminar el arco y el ánodo, asegurando la estabilidad del proceso de pulverización catódica.

Los métodos de suministro de energía comúnmente utilizados incluyen fuente de alimentación simétrica, onda sinusoidal y fuente de alimentación de CA de 40 kHz con red autocompatible.

El objetivo de pulverización catódica del magnetrón de frecuencia media utiliza un campo magnético no equilibrado, lo que mejora el efecto de interferencia del plasma en el proceso de deposición de la película; el método optimizado de suministro de gas reactivo puede mejorar aún más la estabilidad del proceso de pulverización catódica; , que es el método de preparación ideal. Ideal para una variedad de películas de alto rendimiento con mala conductividad eléctrica. Se han desarrollado muchas películas funcionales, incluidas las 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, baja temperatura de deposición, superficie lisa y tecnología madura. Superior a las películas de diamante en muchas aplicaciones. Actualmente se utiliza ampliamente en herramientas, moldes, piezas de precisión resistentes al desgaste, altavoces, discos ópticos, películas protectoras y antirreflectantes ópticas, dispositivos de visualización de panel plano de emisión de campo, 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, que se utilizan ampliamente en maquinaria, industria electrónica, utilización de energía solar y óptica. , Decoración, industria química, militar, biomedicina y otros campos.

Recubrimiento iónico

El revestimiento 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 en el que el gas o las sustancias evaporadas se ionizan parcialmente mediante descarga de gas al vacío, y las sustancias evaporadas o sus reactivos se depositan en la superficie del sustrato bajo el bombardeo 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 microestructura y la fuerza de unión de la película al sustrato.

El revestimiento de iones se puede dividir en revestimiento de iones bipolar de CC, revestimiento de iones tripolar, revestimiento de iones 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 de vacío y magnetrón. Revestimiento de iones por pulverización.

Revestimiento de iones bipolares de CC

El revestimiento de iones bipolares de CC aplica un voltaje de CC entre la fuente de evaporación y la pieza de trabajo, con la pieza de trabajo como electrodo negativo a través del cual pasan el gas de trabajo y el material evaporado; el espacio entre los dos electrodos se ioniza y los iones formados son acelerados por la zona de caída de potencial del cátodo cerca del sustrato, bombardeando la superficie del sustrato a alta velocidad y perturbando la deposición de la película.

3.3.3.2 Recubrimiento de iones tripolar y multicátodo

El recubrimiento de iones bipolar de CC tiene una tasa de ionización baja y es difícil de estimular y mantener la descarga luminosa. Para superar estas deficiencias, se añaden un emisor de electrones y un colector de electrones entre la fuente de evaporación y el sustrato para introducir una gran cantidad de electrones emitidos por el filamento de alta temperatura en la región del plasma, aumentando la probabilidad de colisión con las partículas de evaporación. y mejorar la tasa de ionización. Este proceso de recubrimiento iónico se llama recubrimiento iónico tripolar. A veces, para mejorar aún más la tasa de ionización, se introducen múltiples emisores de electrones en el equipo de revestimiento de iones bipolar de CC, lo que se denomina revestimiento de iones multicátodo.

3.3.3.3 Revestimiento de iones de radiofrecuencia

El revestimiento de iones de radiofrecuencia consiste en configurar una bobina de inducción de alta frecuencia entre el sustrato y la fuente de evaporación para mejorar la ionización del gas de trabajo. y material de evaporación, por lo que de forma independiente El proceso de revestimiento iónico controla los tres procesos de evaporación, ionización y aceleración. Este método tiene una alta tasa de ionización, se puede depositar en alto vacío y es fácil de realizar el revestimiento de iones reactivos.

3.3.3.4 Revestimiento iónico de cátodo hueco

El tubo metálico de tantalio (o tungsteno) de alto punto de fusión se utiliza como cátodo y el crisol se utiliza como ánodo. Después de evacuar el equipo a alto vacío, se introduce gas argón en la cámara de vacío desde el tubo de tantalio y se enciende la fuente de alimentación del arco para encender el gas y producir una descarga incandescente catódica. Debido al efecto del cátodo hueco, la densidad de corriente en los tubos huecos de tantalio es muy alta. Una gran cantidad de Ar bombardea la pared del tubo de tantalio, lo que hace que la temperatura aumente por encima de los 2000 K K. El tubo de tantalio emite una gran cantidad de electrones calientes para convertir la descarga luminosa en una descarga de arco. material en el crisol para que se evapore. A medida que avanzan hacia el crisol, los electrones chocan continuamente con el gas argón y los materiales que se evaporan, ionizándolos. Cuando se aplica una cierta 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 un buen rendimiento de bobinado, y puede usarse para películas metálicas, películas de aleaciones y películas compuestas.

3.3.3.5 Revestimiento iónico por arco con alambre caliente

La cámara de la pistola de iones de cátodo caliente se instala en la parte superior del equipo de revestimiento iónico por arco con alambre caliente.

El cátodo caliente está hecho de alambre de metal refractario. Se calienta a alta temperatura mediante electricidad y libera una gran cantidad de electrones calientes. 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 y producir. plasma de alta densidad. En la parte inferior de la cámara del cañón de iones y la cámara de recubrimiento del cátodo caliente se proporciona un ánodo o crisol auxiliar que está cargado positivamente con respecto al cátodo caliente. Los electrones del plasma en la cámara del cañón de iones se introducen en la cámara de recubrimiento para formar un haz de electrones estable, de alta densidad y baja energía en el espacio de deposición, que sirve como fuente de evaporación y fuente de ionización. La característica del revestimiento iónico por arco con alambre caliente es que un arco se puede utilizar para múltiples propósitos. La pistola de iones de cátodo caliente no es solo una fuente de evaporación, sino también una fuente de ionización para el material evaporado, una fuente de calentamiento para el sustrato y una fuente de purificación por bombardeo. Tiene una alta tasa de ionización de metales, alta densidad de plasma y buena calidad de película, y es adecuado para depositar películas como TiN, TiCN, TiAlN, carbono similar al diamante (DLC) y diamante. La película TiN es actualmente el sistema de película protectora más maduro con buena dureza, tenacidad y estabilidad química. Se usa ampliamente en materiales de construcción, materiales decorativos, materiales para herramientas, materiales acústicos y otros campos. El rendimiento de las películas de TiN se puede mejorar aún más mediante aleaciones y capas múltiples.

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 que se va a recubrir (la tasa de ionización de las partículas metálicas alcanza 75 ~ 95). Bajo la tendencia de la pieza de trabajo, se depositan partículas altamente ionizadas en la superficie de la pieza de trabajo con alta energía para formar una película sólida. El revestimiento de iones reactivos se puede realizar introduciendo un gas reactivo en una atmósfera de deposición para producir una película compuesta.

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. , especialmente indicado para películas protectoras sobre herramientas, moldes y piezas resistentes al desgaste. Además, también es adecuado para preparar revestimientos decorativos de alta gama resistentes a la corrosión, que se han utilizado ampliamente en 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. A diferencia del recubrimiento de iones por pulverización catódica con magnetrón ordinario, la energía iónica que llega a la superficie del sustrato se modula aplicando un voltaje de polarización negativa al sustrato, lo que no solo logra una pulverización catódica estable del objetivo del magnetrón, sino que también logra iones objetivo de alta energía durante la deposición de la película. proceso.

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 (CVD) es un proceso que utiliza reactivos precursores gaseosos para generar películas sólidas a través de la reacción química de átomos y moléculas en la superficie sólida. Descompone ciertos componentes del gas mezclado y forma una película delgada de metal, aleación o compuesto en la superficie del sustrato mediante la interacción entre el gas mezclado y la superficie del sustrato.

Desde la perspectiva de la cinética de reacción, para lograr una reacción de deposición, debe haber una cierta 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 puede dividir 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 (CVD) es una fina película formada por la interacción entre un gas mezclado y la superficie a una determinada temperatura. El equipo es simple, la repetibilidad es buena y la resistencia de unión de la base de la membrana es alta. Sin embargo, la temperatura de deposición es alta y la elección del sustrato es limitada. Se utiliza principalmente para preparar películas duras en herramientas de corte de carburo o cerámica.

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 también se utiliza en la deposición de películas protectoras en las superficies de herramientas y moldes. , y piezas resistentes al desgaste cada vez más.

LCVD es un proceso de deposición química de vapor promovido y inducido por láser. El proceso de deposición es la interacción entre el láser y el gas reactivo o la superficie del sustrato. Se utiliza en la preparación de células solares, circuitos integrados, funciones especiales. Películas, Tiene importantes aplicaciones en películas ópticas, películas duras y películas superduras.

El uso de compuestos organometálicos en lugar de precursores de reacciones químicas inorgánicas en fase gaseosa puede reducir significativamente la temperatura de las reacciones químicas en fase gaseosa. MOCVD puede depositar diversos materiales inorgánicos a baja temperatura y se usa ampliamente en dispositivos optoelectrónicos y de microondas, láseres avanzados, etc.

3.5 Tecnología de recubrimiento de conversión

Coloque material de aleación de aluminio en el electrolito como ánodo. Mediante electrólisis, se puede formar una película de conversión en su superficie para mejorar la dureza de la superficie y la resistencia a la corrosión. Después de anodizar duramente la superficie de la aleación de aluminio, se puede formar una película con un espesor de 30 ~ 50 μm y una dureza de aproximadamente Hv500, que tiene excelente resistencia a la corrosión, aislamiento, estabilidad química y adsorción. El anodizado es adecuado para camisas de cilindros, pistones, engranajes, impulsores, rieles guía, cojinetes y componentes de ingeniería de moldes. Además, es un buen recubrimiento para membranas base.

4 Tecnología de superficie compuesta

La tecnología de una sola cara a menudo tiene ciertas limitaciones en aplicaciones prácticas y no puede cumplir con los requisitos de rendimiento más altos requeridos por las condiciones de servicio. Esto requiere combinar varias tecnologías de tratamiento de superficies para maximizar las fortalezas y evitar debilidades, y mejorar significativamente el rendimiento de la superficie de la pieza de trabajo. Este enfoque se denomina tecnología de superficies compuestas. Por ejemplo, para mejorar la fuerza de unión entre la película depositada por 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 gruesa y de alta dureza. La combinación de pulverización térmica y refundición por láser reduce la tensión interna del recubrimiento y mejora la compacidad y la fuerza de unión del recubrimiento y el sustrato. La deposición asistida por haz de iones se desarrolló combinando la implantación de iones con técnicas de evaporación o pulverización catódica, lo que mejora significativamente las propiedades 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. Se han desarrollado una variedad de tecnologías de superficie y materiales de superficie avanzados, que contribuyen de manera importante al desarrollo de la economía nacional. Sin embargo, a medida que las condiciones de servicio de las piezas de trabajo se deterioran día a día, las tecnologías de superficie y los materiales de superficie tradicionales ya no pueden cumplir con los requisitos cada vez más exigentes de la industria, que requiere el desarrollo continuo de nuevas tecnologías de superficie y materiales de superficie desde el diseño de materiales y el proceso de superficie; equipos y tecnología, condiciones de uso, etc. Trate el sustrato, la superficie y el entorno como un sistema y combine varias tecnologías de superficie para mejorar aún más el rendimiento de la superficie de la pieza de trabajo.

Referencia

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