От достигнутых целей к новым горизонтам

Публикации

20.12/2016

Совершенствование технологии производства порошков для защитных покрытий и ремонта литейных форм.

Боголюбов Н.В ОАО «ПОЛЕМА». «Совершенствование технологии производства порошков для защитных покрытий и ремонта литейных форм. Производство молибденовых электродов для стекловаренных печей». (Доклад на Международном форуме «СТЕКЛО и СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ- XXI» 19.11.2014, г. Москва)

Подробнее

03.06/2011

Перспективные материалы для многофункциональных вакуумных покрытий

Приведены области применения материалов для многофункциональных вакуумных покрытий, характеристики распыляемых мишеней и испаряемых источников, используемых в технологиях физического осаждения упрочняющих, защитных, декоративных и светоотражающих покрытий, резистивных, коммутационных и прозрачных электропроводящих пленок.

Подробнее

Документы

» Главная » Публикации » Перспективные материалы для многофункциональных вакуумных покрытий

Перспективные материалы для многофункциональных вакуумных покрытий

В.В.Родионов, Н.В.Боголюбов,  Е.А.Роот

ОАО «ПОЛЕМА», г. Тула, РФ

Приведены области применения материалов для многофункциональных вакуумных покрытий, характеристики распыляемых мишеней и испаряемых источников, используемых в технологиях физического осаждения упрочняющих,  защитных,  декоративных и светоотражающих покрытий, резистивных, коммутационных и прозрачных электропроводящих пленок.

ОАО «ПОЛЕМА» - ведущее в России предприятие порошковой металлургии специализируется на выпуске тугоплавких металлов, композиционных материалов, металлических порошков, распыляемых мишеней и других изделий из порошковых металлов и сплавов. В 1980 году в составе компании построен крупнейший в России комплекс по производству легированных порошковых сплавов и порошков чистых металлов мощностью 3000 т в год. Для ресурсосберегающих технологий ремонта и упрочнения деталей машин и оборудования  предприятие выпускает более 140 марок порошков на основе никеля, кобальта, молибдена, меди, цинка, олова, порошковые легированные стали и сплавы, а также порошковые наплавочные ленты и проволоку. Материалы  классифицированы практически для всех видов технологий напыления и наплавки покрытий, термодиффузионного хромирования или хромоалитирования, поверхностного упрочнения обработкой стальной дробью.

В последние годы Промышленно металлургический холдинг (ПМХ) и ОАО «ПОЛЕМА», входящее в его состав, успешно реализовали инновационные проекты по разработке и промышленному освоению базовых материалов для технологий физического осаждения (PVD) упрочняющих,  защитных,  декоративных и светоотражающих покрытий, резистивных, коммутационных и прозрачных электропроводящих пленок.

1.Области применения распыляемых мишеней и испаряемых материалов

Таблица 1
Материал Области применения
Хром ЭРХ-1 Микроэлектроника, машиностроение. Тонкопленочные слои в микросхемах, создание упрочняющих, защитных слоев, легирование поверхности имплантацией хрома методами термического, электронно-лучевого или лазерного испарения в вакууме.
Хром ЭРХ-0 Микроэлектроника, машиностроение. Тонкопленочные слои в микросхемах, локальное легирование поверхности имплантацией сверхчистого хрома методами термического, электронно-лучевого или лазерного испарения в вакууме.
Хром ЭРХ99,9-МП Строительная отрасль, производство ТНП. Защитные и декоративные покрытия на  мебельной и строительной фурнитуре, бижутерии, создаваемые  магнетронным распылением или дуговым ионным осаждением.
Хром ЭРХ99,95(99,99)-МП 1.Машиностроение и инструментальная промышленность.  
Упрочняющие металлические и нитридные нанокомпозитные покрытия на  деталях машин, оборудовании, режущем и формообразующем инструменте. Ионная имплантация методами магнетронного распыления и дугового ионного осаждения.
2.Микроэлектроника, производство дисплеев. В качестве материалов для нанесения резистивных пленок и коммутационных структур в микросхемах; нанесение тонкопленочных электродов из хрома в матрицах крупнопанельных ЖК и плазменных дисплеев.
3. Автомобильная промышленность, бытовая техника, часовая промышленность и др. отрасли. Защитные и декоративные покрытия колесных дисков, колпаков, автомобильной фурнитуры, сантехнической арматуры. Зеркала заднего вида с антибликовым эффектом. Хромирование в вакууме гидроцилиндров, штоков, деталей бытовой техники, корпусов часов, медицинского инструмента и др. деталей машин и оборудования.  
4.Тонирующие и отражающие пленки на  архитектурных стеклах и стеклянной упаковке.
Молибден М99,95-МП 1.Машиностроение и инструментальная промышленность.  Упрочняющие  однофазные и нанокомпозитные нитридные и карбидные типа МoC, MoN, (Mo2C)N покрытия на деталях машин, режущем и формообразующем инструменте. Ионная имплантация методами магнетронного распыления и дугового ионного осаждения.
2.Микроэлектроника, производство нанострукту-рированных солнечных элементов, ЖК дисплеев, цифровых камер.
Вольфрам В99,95-МП 1.Машиностроение и инструментальная промышленность.  Упрочняющие однофазные и многослойные нитридные и карбидные типа WC, WN покрытия.
2. Рентгеновская оптика, приборы. Создание защитного против излучения слоя имплантацией чистым вольфрамом.
Молибден-вольфрамовый сплав МВ10-МП Машиностроение и инструментальная промышленность.  Упрочняющие многофазные покрытия из карбидов на деталях машин, режущем и формообразующем инструменте.
Алюминий-титан, алиминий-титан-кремний композиты 1.Машиностроение и инструментальная промышленность.  Упрочняющие многофазные и нанокомпозитные 2D, 3D нитридные покрытия на деталях машин, режущем и формообразующем инструменте.
2.Декоративные покрытия.
Никель Н1-МП Машиностроение, электроника. Защитные покрытия на деталях машин, оборудования.
Нихром Х20Н80-МП 1.Микроэлектроника. Резистивные пленки гибридных ИС.
2.Производство стекол с низкой излучательной способностью. Многослойные пленки типа Ni-Cr/Ag/Ni-Cr на стеклах.
Оксид цинка-галлий ТСО (A-GZO) Создание электропроводящих, прозрачных слоев в производстве солнечных батарей, ЖК дисплеев, низкоэмиссионных архитектурных стекол.

2.Упрочняющие покрытия на инструмент. Современные материалы для покрытий.

По данным госкорпорации РОСНАНО потребление металлорежущего инструмента в России в 2007 г. составило 444 млн.долл., в то время как мировой показатель в этот период достиг 14 млрд.долл. Доля импорта в Россию в структуре рынка превысила 57%. Эксперты ожидают рост российского потребления металлорежущего инструмента на 10% в год в период до 2010 года. Для удовлетворения потребности отечественного рынка инструмента с упрочняющими покрытиями, прежде всего для обработки деталей авиадвигателей, РОСНАНО 1 сентября 2008 года утвержден проект по созданию на базе НПО Сатурн производства твердосплавного металлорежущего инструмента с наноструктурированными покрытиями, что несомненно снизит зависимость отечественного машиностроения от импорта зарубежного инструмента.  Ключевая технология проекта-нанесение наноструктурированных покрытий на инструмент была разработана Курчатовским интитутом.

В области материалов для упрочняющих покрытий ПОЛЕМА сотрудничает с РНЦ «Курчатовский иститут» и др. ведущими в этой области научными центрами и  предприятиями: НПФ Элан-Практик, ГосНИИМаш,  Институт физики прочности и материаловедения, АК Омскагрегат, МЭИ Научный центр Износостойкость,  Артинский завод, СКИФ-М, МИЗ, Инструментальные технологии, НТЦ Материалы и технологии, Томский НИИ ядерной физики и др. российскими и зарубежными компаниями.

Типичные примеры вакуумных нанокомпозитных покрытий, структура и свойства представлены в обзоре НПФ Элан-Практик на сайте компании. Особенно интересны разработки компании в области 2D и 3D совершенных нанокомпозитов, наносимых методом дуального магнетронного распыления на созданном компанией промышленном оборудовании.   Например, многофункциональное покрытие nc-CrN/nc-AlN имеет твердость 3700 HV, температурную стойкость до 1150 0С, коэффициент трения по стали -0,25. Высокими характеристиками обладают также структуры типа TiAlN/Si3 N4 , CrAlN/ Si3 N4 и др. ПОЛЕМА сотрудничает с компанией в поставках распыляемых мишеней из хрома. Для расширения технологических возможностей получения нанокомпозитных и градиентных покрытий методом  магнетронного распыления ПОЛЕМА освоила выпуск планарных мишеней из композита Al-Ti. По чертежам  заказчиков могут быть изготовлены также планарные  мишени и диски из  Al - Cr композита.

Химический состав, однородность, плотность и структура – основные параметры, характеризующие свойства распыляемых мишеней и испаряемых источников. Химический состав, примеси внедрения (С, O, N) и химическая однородность   испаряемого или распыляемого материала влияют на однородность потока атомов и ионов, движущихся к подложке, на свойства и воспроизводимость свойств осаждаемых  покрытий. Поэтому, изделия для технологий тонких пленок, компания производит из материалов чистотой, преимущественно, не ниже 99,95% по основному элементу.

Химический состав хрома ЭРХ-1, ЭРХ-О, получаемого в виде чешуек (пластинок) электролизом из хромового ангидрида с последующим высокотемпературным рафинированием в водороде, отличается уникальной чистотой. Тонкая форма пластинок, высокая плотность, чистота и однородность, возможность длительного хранения без изменения свойств снискали этим маркам хрома мировую известность.

Типичный химический состав рафинированного хрома марки ЭРХ 99,99

Таблица 2
Элемент µg/g Элемент µg/g Элемент µg/g
F < 0,05 Mn 0,5 Mo 1
C 30 Fe 5 Rh < 0,05
N 10 Co 0,05 Ru < 0,05
O 20 Ni 2 Pd < 0,05
S 7 Cu 2 Ag < 0,05
Na 4 Zn 0,2 Cd < 0,05
Mg 0,5 Ga < 0,1 Sn < 0,1
Al 1 Ge < 0,05 Sb < 0,7
Si 6 As < 0,1 Te < 0,05
P < 1 Se < 0,5 Ba < 0,2
K < 1 Rb < 0,1 W 2
Ca 2 Sr < 0,1 Re < 0,1
Sc < 0,1 Y < 0,1 Ir < 0,05
Ti 2 Zr 1 Au < 0,05
V 5 Nb 2 Pb 0,05
B < 0,1 Sm < 0,1 Bi < 0,05
Li, Be, In, Cs, La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, Pt, Tl, Th, U < 0,005 каждый

Распыляемые мишени из хрома, молибдена, вольфрама, композиты с титаном производятся спеканием или горячим изостатическим прессованием (ГИП) из металлических порошков собственного производства. Все спеченные полуфабрикаты подвергаются обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка или экструзия) для придания изделиям заданной микроструктуры, преимущественно с мелким и средним зерном, и относительной плотности не ниже 99%. На всех стадиях технологического процесса контролируется химический состав, микроструктура, плотность исходных материалов, полуфабрикатов и конечных продуктов, что обеспечивает воспроизводимость химико-физических характеристик серийных изделий.

Хром ЭРХ99,95-99,99.

Выпускается в виде чешуек (пластинок) и механически обработанных разнообразного дизайна пластин, дисков, колец, катодов, прутков по чертежам заказчиков.
Содержание металлических примесей: не более 500 ppm в марке ЭРХ99,95-МП и не более 100 ppm в марке ЭРХ99,99-МП.  Содержание газообразующих примесей  O, N, C и S около 200 ppm в сумме. Плотность не менее 99% от теоретической (7,19 г/см3 ). Однородная не текстурованная микроструктура с средним размером зерна до 150 мкм.

Изделия из Cr 99,95-99,99%

Молибден М99,95-МП.

Выпускается в виде механически обработанных разнообразного дизайна пластин, дисков, прутков по чертежам заказчиков.
Типичный  химический состав

Таблица 3
Мо Примеси, µg/g (ppm)
99,98 % Fe Na Ni K Cu Al Si C O N
60 5 10 10 10 10 10 30 50 10

Плотность мишеней не менее 99,5% от теоретической (10,2 г/см3 ).   Однородная микроструктура со средним размером зерна 30-80 мкм.

Распыляемые мишени из молибдена

Вольфрам В99,95-МП.

Выпускается в виде механически обработанных разнообразного дизайна пластин, дисков, прутков по чертежам заказчиков.

Химический состав. Типичное содержание основного элемента 99,98% (без учета газообразующих), газообразующих примесей O, N, C и S около 110 ppm в сумме.

Плотность мишеней не менее 99,5% от теоретической (19,3 г/см3 ). Однородная текстурованная микроструктура.

Алюминий-титан, алиминий-титан-кремний, алюминий-хром композиты.

Испаряемые катоды и распыляемые мишени из Al-Ti, Al-Ti-Si, Al-Cr композитов – новое поколение материалов ПОЛЕМА для нанесения упрочняющих, износостойких покрытий.
Опыт промышленного использования в течение 3-х последних лет показал, что материалы обладают  выдающимися техническими характеристиками и позволяют  создать на инструменте нитридные однослойные и многофазные, обладающие высокой теплостойкостью и износостойкостью нанокомпозитные структуры, в т. ч., в комбинации с другими материалами, например, хромом.

Изделия выпускается в виде механически обработанных разнообразного дизайна катодов, пластин, дисков по чертежам заказчиков.

Относительная плотность изделий более 99% от теоретической. Однородная не текстурованная микроструктура с равномерным распределением компонентов.

Al - Ti . Стандартные композиции  компактных изделий

Таблица 4
Марка Состав, ат% Химический состав, мас. %  макс.
C N O S Mg Fe Si
T43Ю57-МП Al/Ti 70/30 0,1 0,1 0,5 0,01 0,005 0,12 0,1
T47Ю53-МП Al/Ti 67/33 0,1 0,1 0,5 0,01 0,005 0,12 0,1
T54Ю46-МП Al/Ti 60/40 0,1 0,1 0,5 0,01 0,005 0,12 0,1
T64Ю36-МП Al/Ti 50/50 0,1 0,1 0,5 0,01 0,005 0,12 0,1

Al-Ti-Si.  Состав композиции.

Таблица 5
Марка Состав, ат.% Химический состав, мас. %  макс.
C N O S Mg Fe Ni
T43Ю49К8-МП Al/Ti/Si/ 61/30/9 0,1 0,1 0,5 0,01 0,005 0,15 0,1

Al-Ti изделия