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)
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.
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
| 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
| 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
| 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
| 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.
| 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
