CZ192094A3 - Povrchově zušlechtěný materiál a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Povrchově zušlechtěný materiál má na povrchu substrátu, např. oceli, amorfní až mikrokrystalický povlak např. titanu přičemž rozhraní mezi substrátem a povlakem je difuzní a povlak obsahuje prvky substrátu a substrát obsahuje prvky povlaku. Povrch povlaku může být pokryt polykrystalickou nebo krystalickou vrstvou nitridu titanu. Při způsobu jeho výroby se nejprve nanese magnetronovým naprašováním povlak, který se pak upraví žíháním nebo působením výboje

Description

Oblast techniky

Vynález spadá do technické oblasti povrchové úpravy materiálů.

Dosavadní stav techniky

Při zušlechťování povrchů těles, nástrojů, mechanických součástí a konstrukcí, t.j. obecně povrchů substrátů, depozicí funkčních a ochranných povlaků hraje klíčovou úlohu rozhraní mezi substrátem a povlakem. Žádný povlak, i když má optimální fyzikální a chemické vlastnosti, neplní dobře svou úlohu, pokud se dokonale nespojí se substrátem a nezabrání se, aby se povlak během své funkce, zejména například při mechanickém zatížení nebo při vystavení působení agresivního prostředí, neodděloval od substrátu.

Dokonalé spojení povlaku se substrátem se dosud nepodařilo uspokojivě vyřešit a je v současné době jedním z nejsložitějšich problémů povrchového inženýrství .

K dosažení dobrého spojení povlaku se substrátem se používá standartní postup. Povrch substrátu se musí perfektně opracovat a před vlastní depozicí vrstvy perfektně očistit. Čisticí proces se ekládá z řady kroků od mechanického čištění, přes chemické čištění, odmašťování, oplachy v různých chemických roztocích různých teplot, vytlačování vody z povrchu, sušení, až po ionto-plazmatické ve výboji uvnitř depozičních zařízení v případě fyzikální a plazmaticky stimulované chemické depozice povlaků.

x

-2Po provedení všech zmíněných operací povlak může dobře přilnout k substrátu, ale rozhraní mezi povlakem a substrátem je velmi ostré, což znamená, že na rozhraní nedojde k promixování prvků povlaku a substrátu. To je velký nedostatek těchto postupů. Proto adheze povlaku k substrátu není dokonalá. Pro řadu aplikací je adheze nedostatečná, velmi závislá na chemickém složení substrátu a materiálu povlaku a velmi obtížně reprodukovatelná.

Proto se intenzivně hledají způsoby, jak dále zlepšit adhezi povlaku k substrátu. Dosud jsou známy dva takové způsoby.

První způsob používá pro zlepšení adheze tenkou mezivrstvu, například titanovou vrstvu mezi ocelovým substrátem a tvrdou otěruvzdornou vrstvou nitridu titanu TiN. Funkce této vrstvy, která prokazatelně zlepšuje adhezi povlaku, není plně vysvětlena. Předpokládá se, že titanová vrstva plní dvě funkce:

1) Rozpouští slabé přirozené oxidové vrstvy, t.zv. getrovacím chemickým účinkem.

2) Díky své měkkosti snižuje střihové napětí na rozhraní povlaku a substrátu.

Rozhraní povlaku a substrátu však opět zůstává ostré a v okolí rozhraní nedochází k promixování prvků povlaku a substrátu.

Druhý způsob používá pro zlepšení adheze nízkoenergetickou implantaci kovových iontů povlaku do povrchu substrátu, například titanových iontů Ti* do ocelového substrátu před depozicí tvrdé otěruvzdorné vrstvy TiN. Taková implantace se provádí titanovými ionty Ti*, produkovanými například v obloukovém výboji s katodovými skvrnami a urychlenými na substrát záporným napětím cca 1 až 2 kV. Výsledkem implantace je zabudování titanu do velmi malé hloubky pod povrch substrátu, cca 1 až 10 nm. Kromě velmi malé implan-3 tační hloubky hlavní nevýhodou tohoto způsobu zlepšování adheze je kontaminace povrchu substrátu makročásticemi generovanými v obloukovém výboji spolu s titanovými ionty Ti*. Rovněž nutnost kombinace obloukového výboje, který upravuje rozhraní před depozicí povlaku, například s magnetronovým výbojem, představuje značnou komplikaci deposičniho zařízení a tím způsobuje samozřejmě i jeho vysokou cenu.

Podstata vynálezu

Nedostatky řešení popsaných v dosavadním stavu techniky odstraňuje povrchově zušlechtěný materiál podle vynálezu, jehož podstatou je, že povlak materiálu obsahuje prvky substrátu a substrát obsahuje prvky povlaku, přičemž struktura povlaku je amorfní až mikrokrystalická, čehož se dosáhne způsobem výroby podle vynálezu. Jednou z výhodných alternativ zušlechtěného materiálu podle vynálezu je materiál, který má navíc na povrchu svého povlaku buď tenkou barierní vrstvu, například nitridu titanu, zvyšující koncentraci difundujících prvků u povrchu povlaku, nebo tenkou polykrystalickou nebo krystalickou vrstvu s mikrostrukturou, fázovým a chemickým složením, určenými požadovanými výslednými vlastnostmi této polykrystal ické nebo krystalické vrstvy.

Podstatou způsobu výroby povrchově zušlechtěného materiálu podle vynálezu je postup složený ze dvou kroků. V prvním kroku se nejprve na substrátu vytvoří známým způsobem povlak, podle rtg amorfní až mikrokrystalický, například iontovým bombardem nebo iontovým plátováním. Takto upravený materiál se pak v druhém kroku povrchově zpracuje. Povrchovým zpracováním v druhém kroku je buď žíhání ve vakuu nebo v definované atmosféře, a/nebo vystavení materiálu získaného

-4prvním krokem působení plazmatu výboje, což je vhodné zejména pro dosažení zmíněné barierní vrstvy na povrchu povlaku, a/nebo depozice polykrystalické nebo krystalické vrstvy na povlak připravený v prvním kroku .

RTG amorfní až mikrokrystalický povlak nanesený na perfektně opracovaný- a očištěný substrát, při následném zpracování známým způsobem, například žíháním ve vakuu nebo vystavením působení plazmatu výboje a/nebo depozicí polykrystalické nebo krystalické vrstvy, umožní rozvinout vzájemnou velmi silnou interdifuzi prvků povlaku a substrátu a promixovat prvky povlaku a substrátu až do hloubek řádu mikrometrů. Tím se vytvoří dokonalé spojení mezi substrátem a povlakem a široké difuzní rozhraní, které může zahrnovat i celou tlouštku rtg amorfního až mikrokrystalického povlaku.

Přehled obrázků na výkresech

Na výkresech jsou čtyři diagramy vztahující se k příkladu provedení vynálezu.

Na obr.l je rtg difrakční diagram ocelového substrátu s nanesenou amorfní titanovou vrstvou.

Na obr.2 je rtg difrakční diagram ocelového substrátu s nanesenou polykrystalickou titanovou vrstvou.

Na diagramech zobrazených na obr.l a na obr.2 je na vodorovné ose difrakční úhel 2Θ a svislá osa představuje odzdola nahoru vzestupnou intensitu rtg reflexí v libovolných jednotkách Ihkifa.u.].

Na obr.3 je diagram hloubkového prvkového profilu ocelového materiálu s nanesenou amorfní titanovou vrstvou po povrchovém zpracování v druhém kroku.

-5Na obr.4 je diagram hloubkového prvkového profilu ocelového substrátu s nanesenou polykrystalickou titanovou vrstvou.

Na diagramech zobrazených na obr.3 a na obr.4 je na vodorovné ose měřítko hloubky od povrchu zušlechtěného materiálu v pm a na svislé ose je měřítko koxicentrace prvků v % .

Diagramy hloubkových prvkových profilů byly naměřeny metodou GDOS (Glow discharge optical spectroscopy) s použitím spektrometru Lečo SPD-750.

Příklad provedení vynálezu

Příkladem provedení vynálezu je laboratorně odzkoušený povrchově zušlechtěný ocelový materiál a způsob jeho výroby, t.j. laboratorně vyzkoušený způsob spojení oceli 15330 jako substrátu s titanovou vrstvou. Chemické složení oceli 15330 se uvádí v následující tabulce:

Chemické složení oceli 15330

prvek	C	Mn	Si (wtfc)	Cr	Mo	V
min.	0.24	0.4	0.17	2.3	0.2	0.15
max.	0.34	0.8	0.37	2.7	0.3	0.30

Nejprve se na substrát z oceli 15330 ve tvaru kruhové destičky o průměru 20 mm a touštce 6 mm, jejíž povrch se očistil standartním postupem běžně používaným před fyzikální depozicí vrstev napařováním, naprašováním nebo iontovým plátováním na ocel, naprášila stejnosměrným magnetronem opatřeným titanovým terčem o průměru 60 mm titanová vrstva. Při depozici byl substrát umístěn ve vzdálenosti 45 mm od povrchu

-6rozprašovaného terče, ohřát na teplotu 200°C a polarizován vůči uzemněné ocelové depoziční nádobě záporným napětím -500 V. Naprašování vrstvy se provádělo v argonu při výbojovém proudu 1,34 A a tlaku 0,3 Pa po dobu 15 minut. Tato vrstva byla podle rtg difrakce amorfní, t.zn. vykazovala nulovou reflexi alfa-Ti(lOO) a téměř nulovou reflexi alfa-Ti(011), jak dokazuje diagram na obr.l.

Na obr.2 se pro srovnání při stejné citlivosti ukazuje rtg difrakční diagram typické polykrystalické titanové vrstvy, u níž spojení podle vynálezu nelze uskutečnit. Polykrystalická titanová vrstva byla naprášena při předpětí substrátu -100 V ; ostatní depoziční parametry byly stejné jako u titanové vrstvy uvedené na obr.l. Obě titanové vrstvy měly stejnou tlouštku cca 4 pm.

Po depozici se ocelový substrát, pokrytý titanovým povlakem se strukturou charakterizovanou rtg difrakčním diagramem bez reflexí dle obr.l, zahřál na teplotu 550°C a vystavil působení plazmatu výboje hořícího ve směsi dusíku a vodíku N2:H2 (1:1) při tlaku 1067 Pa po dobu dvou hodin. Během tohoto procesu došlo k mimořádně silné vzájemné interdifuzi prvků substrátu a povlaku a tím k promixování prvků substrátu a povlaku. Povlak obsahoval prvky substrátu a substrát prvky povlaku, jak dokazuje hloubkový prvkový profil zobrazený na obr.3. Rozložení prvků se měří od povrchu povlaku směrem k substrátu. Rozsahy citlivosti pro jednotlivé prvky na obr.3 jsou tyto:

Fe (100%), Ti (100%), Cr (5%), Mo (1%) a Ni (1%).

Opět pro srovnání se uvádí hloubkový prvkový profil pro polykrystalickou titanovou vrstvu na substrátu z oceli 15330 zobrazený na obr.4. Rozsahy citlivosti pro jednotlivé prvky na obr.4 jsou tyto:

Fe (100%), Ti (100%), Cr (2%), Mo (1%) a Ni (1%).

-ΊSrovnání hloubkových profilů na obr.3 a 4 názorně ukazuje, že rtg amorfnost titanové vrstvy je, v souladu s podstatou tohoto vynálezu, klíčovou podmínkou pro rozběhnutí vzájemné interdifuze prvků povlaku a substrátu při následném zahřátí a působení plazmatu.

Průmyslová využitelnost

Povrchově zušlechtěný materiál podle vynálezu je použitelný všude tam, kde je zapotřebí dokonale spojit povlak se substrátem z nezušlechtěného materiálu a dosáhnout vyšší funkce povrchu povlakovaného substrátu ve srovnání s povrchem nezušlechtěného materiálu, například vyšší povrchové tvrdosti, vyšší otěruvzdornosti, vyšší korozivzdornosti, nižšího koeficientu tření, vyšší odolnosti vůči mechanickému nebo tepelnému namáhání, lepších elektrických, optických a magnetických vlastností, vyšší odolnosti vůči agresivnímu prostředí atd.

Způsob výroby podle vynálezu je použitelný v povrchovém inženýrství, elektrotechnickém průmyslu, mikroelektronice, optice, chemickém průmyslu, medicině, dekorační a obalové technice a v řadě dalších oborů.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Povrchově zušlechtěný materiál vyznačený t í m , že povlak materiálu obsahuje prvky substrátu a substrát obsahuje prvky povlaku, přičemž povlak má strukturu amorfní až mikrokrystalickou.
2. 2. Povrchově zušlechtěný materiál podle nároku 1 vyznačený tím, že na povrchu povlaku je tenká barierní vrstva, například nitridu titanu, zvyšující koncentraci difundujících prvků u povrchu povlaku.
3. 3. Povrchově zušlechtěný materiál podle nároku 1 nebo 2 vyznačený tím , že amorfní až mikrokrystalický povlak je překryt polykrystalickou nebo krystalickou vrstvou, například vrstvou nitridu titanu pro zvýšení tvrdosti povrchu a jeho odolnosti proti otěru.
4. 4. Způsob výroby povrchově zušlechtěného materiálu podle nároků 1 až 3 vyznačující se t í m , že se nejprve na substrátu vytvoří povlak podle rtg amorfní až mikrokrystalický, například iontovým bombardem nebo iontovým plátováním, a pak se substrát s takto vytvořeným povlakem v druhém kroku povrchově zpracuje.
5. 5. Způsob výroby podle nároku 4 vyznačující se tím, že povrchovým zpracováním ve druhém kroku je žíhání substrátu s povlakem, vytvořeným v prvním kroku, ve vakuu nebo v definované atmosféře.

   -96. Způsob výroby podle nároku 4 vyznačující se tím, že povrchovým zpracováním ve druhém kroku je vystavení substrátu s povlakem, vytvořeným v prvním kroku, působení plazmatu výboje.
6. 7. Způsob výroby podlenároku 4 vyz n a č u j ící se tím, že povrchovým zpracováním ve druhém kroku se na povlak nanese polykrystalická nebo krystalická vrstva známým způsobem, například magnetronovým naprašováním.