5 · Web viewDavis J.R (editor): Surface engineering for corrosion and wear resistance, ASM International, Materials Park, USA 2001. 4. Sudarsan T.S. (editor) Chemical Vapor Deposition,

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


(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


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


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

Documents

5 · Web viewDavis J.R (editor): Surface engineering for corrosion and wear resistance, ASM International, Materials Park, USA 2001. 4. Sudarsan T.S. (editor) Chemical Vapor Deposition,