Физические основы нанесения вакуумных покрытий

Впервые металлические покрытия были получены Фарадеем в 1857 г. при проведении экспериментов по пропусканию больших электрических токов через металлическую проволоку. В 1887 г. Нарвольд в качестве среды впервые использовал вакуум. До 50-х годов вакуумная металлизация имела весьма ограниченное применение и использовалась, в основном, для декоративной обработки, при изготовлении зеркал, фильтров, элементов научных приборов. Бурное развитие эта технология получила в связи с ее эффективным применением при решении проблем микроэлектроники. Одновременно начала развиваться технологические методы и оборудование для нанесения вакуумных покрытий на машиностроительные материалы с целью повышения их эксплуатационных свойств. В 1959 г. была введена в эксплуатацию первая вакуумная линия, позволяющая наносить антикоррозионные покрытия (алюминия, кадмия, титана) на стальную фольгу. В настоящее время благодаря развитию, в основном, вакуумной техники методы осаждения покрытий в вакууме получили широкое распространение и в ряде случаев являются единственными эффективными технологическими приемами повышения долговечности и износостойкости машиностроительных изделий. Они по сравнению с другими методами нанесения функциональных слоев (например, гальваническими, химическими, газотермическими) характеризуются следующими преимуществами:

1. Высокая производительность процесса нанесения покрытия. Разработаны установки, в которых осаждение покрытия осуществляется со скоростью до 20 кг/мин. Скорость перемещения ленты в зоне металлизации может достигать более 10 м/с. Имеются камеры непрерывного действия, которые позволяют осаждать покрытия на листы шириной более двух метров, перемещающиеся со скоростью до 10 м/с. Это стало возможным в ряде случаев благодаря автоматизации процесса, использованию ЭВМ.

2. Возможность получения покрытий в чистых условиях и, как следствие этого, достижение их высокого качества. Покрытия наносятся в вакууме при давлении Р=10^-2 Па и ниже, что позволяет практически полностью исключить загрязнения материала покрытия. Проведение предварительной обработки поверхности, например, тлеющим разрядом, обеспечивает удаление с поверхности адсорбированных слоев технологических газов.

3. Возможность получения покрытий практически из любых материалов, в том числе и из сплавов, химических соединений. Наиболее часто применяются реактивные методы получения покрытий сложного состава, заключающиеся в испарении исходного металла в среде реакционно-способного газа и создании условий, при которых на поверхности протекают химические реакции, приводящие к образованию химических соединений. Продукты этих реакций и образуют покрытие, т. к. процесс химического взаимодействия протекает, как правило, на поверхности.

Реактивными методами получают покрытия, например, SiO₂, Al₂O₃ (корунд), TiN, TiC и другие.

4. Возможность нанесения многослойных и комбинированных покрытий в едином технологическом цикле. Например, с целью повышения износостойкости на рабочие поверхности режущего инструмента за один цикл откачки воздуха в вакуумной камере наносят многослойное покрытие на основе Ti, TiN, TiCN, TiC.

5. Высокая воспроизводимость структуры и свойств формируемых слоев. Полное исключение водородной хрупкости, которая характерна, например, для гальванических покрытий.

6. Вакуумные технологии нанесения покрытий являются экологически чистыми. При их реализации, как правило, не используются химически активные вещества, вредное экологическое воздействие на окружающую среду практически отсутствует.