Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы
Основной целью работы является разработка плазменного технологического устройства с сильноточным импульсным магнетронным разрядом (СИМР) для генерации энергетичного потока газометаллической плазмы. Плазменное технологическое устройство предназначено для комплексной упрочняющей обработки рабочих пове...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2019
|
| Schriftenreihe: | Технічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/174044 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы / А.Д. Гришкевич,С.И. Гринюк // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 102-112. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-174044 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1740442020-12-30T01:26:29Z Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Основной целью работы является разработка плазменного технологического устройства с сильноточным импульсным магнетронным разрядом (СИМР) для генерации энергетичного потока газометаллической плазмы. Плазменное технологическое устройство предназначено для комплексной упрочняющей обработки рабочих поверхностей пар трения. Упрочнение достигается поверхностной модификацией конструкционного материала високоинтенсивным низкоэнергетичным ионным азотированием с последующим нанесением наноструктурного функционального покрытия. Экспериментально подтверждено, что СИМР пригоден для генерации потока энергетичной газометаллической плазмы, что обеспечивает качественное упрочнение поверхности конструкционного материала. Плазменное технологическое устройство предназначено для выполнения всех технологических переходов ионно-плазменной обработки в едином вакуумном цикле. Метою роботи є розробка плазмового технологічного пристрою з потужнострумовим імпульсним магнетронним розрядом (ПІМР) для генерації енергетичного потоку газометалевої плазми. Плазмовий технологічний пристрій призначено для комплексної зміцнюючої обробки робочих поверхонь пар тертя. Зміцнення досягається поверхневою модифікацією конструкційного матеріалу високо інтенсивним низькоенергетичним іонним азотуванням з подальшим нанесенням наноструктурного функціонального покриття. Експериментально підтверджено, що ПІМР придатний до генерації потоку енергетичної газометалевої плазми, що забезпечує якісне зміцнення поверхні конструкційного матеріалу. Плазмовий технологічний пристрій призначено для виконання всіх технологічних переходів іонно-плазмової обробки в єдиному вакуумному циклі. The aim of this work was to develop a plasma process device with a high-current pulsed magnetron discharge (HCPMD) for generating a high-energy gas-metal plasma flow. The device is designed for an integrated treatment of friction pair working surfaces. The strengthening is achieved by a surface modification of the structural material via high-intensity low-energy ion nitriding followed by the deposition of a nanostructured functional coating. It was shown by experiment that an HCPMD is suitable for generating a high-energy gas-metal plasma flow thus assuring a high-quality strengthening of the structural material surface. The device is designed for performing all stages of ion-plasma treatment in a single vacuum cycle. 2019 Article Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы / А.Д. Гришкевич,С.И. Гринюк // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 102-112. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/174044 621.002.56 ru Технічна механіка Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Основной целью работы является разработка плазменного технологического устройства с сильноточным импульсным магнетронным разрядом (СИМР) для генерации энергетичного потока газометаллической плазмы. Плазменное технологическое устройство предназначено для комплексной упрочняющей обработки рабочих поверхностей пар трения. Упрочнение достигается поверхностной модификацией конструкционного материала високоинтенсивным низкоэнергетичным ионным азотированием с последующим нанесением наноструктурного функционального покрытия. Экспериментально подтверждено, что СИМР пригоден для генерации потока энергетичной газометаллической плазмы, что обеспечивает качественное упрочнение поверхности конструкционного материала. Плазменное технологическое устройство предназначено для выполнения всех технологических переходов ионно-плазменной обработки в едином вакуумном цикле. |
| format |
Article |
| author |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. |
| spellingShingle |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы Технічна механіка |
| author_facet |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. |
| author_sort |
Гришкевич, А.Д. |
| title |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| title_short |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| title_full |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| title_fullStr |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| title_full_unstemmed |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| title_sort |
магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2019 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/174044 |
| citation_txt |
Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы / А.Д. Гришкевич,С.И. Гринюк // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 102-112. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| series |
Технічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT griškevičad magnetronnoeformirovanieiprimenenieintensivnyhpotokovgazometalličeskojplazmy AT grinûksi magnetronnoeformirovanieiprimenenieintensivnyhpotokovgazometalličeskojplazmy |
| first_indexed |
2025-07-15T10:55:13Z |
| last_indexed |
2025-07-15T10:55:13Z |
| _version_ |
1837710089894494208 |
| fulltext |
102
УДК 621.002.56
А. Д. ГРИШКЕВИЧ, С. И. ГРИНЮК
МАГНЕТРОННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ
ПОТОКОВ ГАЗОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
Институт технической механики
Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины,
ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: Gryshkevych.O.D@nas.gov.ua
В роботі стверджується, що поверхневе зміцнення конструкційного матеріалу деталей машин фізич-
ним впливом на оброблювану поверхню концентрованими потоками енергії є найбільш універсальним і
ефективним способом досягнення максимальних функціональних і експлуатаційних показників. Розгля-
даються технології поверхневої обробки, що базуються на використанні енергетичного потоку газомета-
левої плазми, який генерується аномальним тліючим розрядом із замкненим дрейфом електронів. Газоме-
талева плазма використовується для модифікації поверхневого робочого шару металу, а також для нане-
сення наноструктурного функціонального покриття. Для генерації газометалевої плазми в роботі викорис-
товується планарна магнетронна розпилювальна система незбалансованого типу, що працює в режимі
частотної модуляції струму магнетронного розряду.
Метою роботи є розробка плазмового технологічного пристрою з потужнострумовим імпульсним
магнетронним розрядом (ПІМР) для генерації енергетичного потоку газометалевої плазми. Плазмовий
технологічний пристрій призначено для комплексної зміцнюючої обробки робочих поверхонь пар тертя.
Зміцнення досягається поверхневою модифікацією конструкційного матеріалу високо інтенсивним низь-
коенергетичним іонним азотуванням з подальшим нанесенням наноструктурного функціонального пок-
риття. Експериментально підтверджено, що ПІМР придатний до генерації потоку енергетичної газомета-
левої плазми, що забезпечує якісне зміцнення поверхні конструкційного матеріалу. Плазмовий технологі-
чний пристрій призначено для виконання всіх технологічних переходів іонно-плазмової обробки в єдино-
му вакуумному циклі.
В роботі досліджено просторові характеристики потоку газометалевої плазми. Показано, що розроб-
лений плазмовий пристрій ефективний для локальної обробки робочих поверхонь пар тертя трубчастого
типу. Досліджено локальні параметри плазми ПІМР в області оброблюваної поверхні. Отримано зразки з
комбінованим зміцненням, що включає попереднє плазмово-пучкове азотування і фінішне нанесення
функціонального наноструктурного покриття. Показано, що обробка поверхні в режимі ПІМР забезпечує
отримання робочих характеристик, що перевищують функціональні і експлуатаційні характеристики, які
отримуються при роботі технологічного плазмового пристрою в режимі стаціонарного магнетронного
розряду.
В работе декларируется, что поверхностное упрочнение конструкционного материала деталей ма-
шин физическим воздействием на обрабатываемую поверхность концентрированными потоками энергии
является наиболее универсальным и эффективным способом достижения максимальных функциональных
и эксплуатационных показателей. Рассматриваются технологии поверхностной обработки, которые бази-
руются на использовании высокоэнергетичного потока газометаллической плазмы, который генерируется
аномальным тлеющим разрядом с замкнутым дрейфом электронов. Газометаллическая плазма использует-
ся для модификации поверхностного рабочего слоя металла, а также для нанесения наноструктурного
функционального покрытия. Для генерации газометаллической плазмы в роботе используется планарная
магнетронная распылительная система несбалансированного типа, работающая в режиме частотной моду-
ляции разрядного тока магнетрона.
Основной целью работы является разработка плазменного технологического устройства с сильно-
точным импульсным магнетронным разрядом (СИМР) для генерации энергетичного потока газометалли-
ческой плазмы. Плазменное технологическое устройство предназначено для комплексной упрочняющей
обработки рабочих поверхностей пар трения. Упрочнение достигается поверхностной модификацией
конструкционного материала високоинтенсивным низкоэнергетичным ионным азотированием с после-
дующим нанесением наноструктурного функционального покрытия. Экспериментально подтверждено,
что СИМР пригоден для генерации потока энергетичной газометаллической плазмы, что обеспечивает
качественное упрочнение поверхности конструкционного материала. Плазменное технологическое уст-
ройство предназначено для выполнения всех технологических переходов ионно-плазменной обработки в
едином вакуумном цикле.
В работе исследованы пространственные характеристики потока газометаллической плазмы. Пока-
зано, что разработанное плазменное устройство эффективней для локальной обработки рабочих поверхно-
стей пар трения трубчатого типа. Исследованы локальные параметры плазмы СИМР в области обрабаты-
ваемой поверхности. Получены образцы с комбинированным упрочнением, включающим предваритель-
ное плазменно-пучковое азотирование и финишное нанесение функционального наноструктурного покры-
тия. Показано, что обработка поверхности в режиме СИМР обеспечивает получение рабочих характери-
стик, превышающих функциональные и эксплуатационные характеристики, получаемые при роботе маг-
нетронного устройства в режиме стационарного разряда.
А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк, 2019
Техн. механіка. – 2019. – № 2.
103
This paper states that the surface strengthening of a machine part structural material by the physical action
of concentrated energy flows on the surface under treatment is the most universal and effective method for maxi-
mizing the function and performance indices. The paper considers surface treatment technologies based on the use
of a high-energy gas-metal plasma flow generated by an abnormal glow discharge with closed electron drift. Gas-
metal plasma is used in modifying a surface working metal layer and in depositing a nanostructured functional
coating. In this work, gas-metal plasma was generated using an unbalanced magnetron sputtering system operat-
ing in the magnetron discharge current frequency modulation mode.
The aim of this work was to develop a plasma process device with a high-current pulsed magnetron dis-
charge (HCPMD) for generating a high-energy gas-metal plasma flow. The device is designed for an integrated
treatment of friction pair working surfaces. The strengthening is achieved by a surface modification of the struc-
tural material via high-intensity low-energy ion nitriding followed by the deposition of a nanostructured func-
tional coating. It was shown by experiment that an HCPMD is suitable for generating a high-energy gas-metal
plasma flow thus assuring a high-quality strengthening of the structural material surface. The device is designed
for performing all stages of ion-plasma treatment in a single vacuum cycle.
The spatial characteristics of a gas-metal plasma flow were studied, and it was shown that the device devel-
oped is more efficient for a local treatment of tube-type friction pair working surfaces. The local parameters of an
HCPMD plasma in the vicinity of the surface under treatment were studied. Samples treated by combined
strengthening that includes preliminary plasma beam nitriding and the final deposition of a nanostructured func-
tional coating were prepared. It was shown that surface treatment in the HCPMD mode results in performance
characteristics superior to those obtained when the magnetron device operates in the stationary discharge mode.
Ключевые слова: ионно-плазменная технология, высокоинтенсивная
низкоэнергетичная ионная имплантация, сильноточный импульсный магне-
тронный разряд, планарная магнетронная распылительная система, цилин-
дрическая магнетронная распылительная система, импульсный источник
питания разряда.
Введение. В практике современного машиностроения наиболее распро-
страненным способом обеспечения долговечности машин является поверхно-
стное упрочнение рабочих поверхностей пар трения [1, 2]. Разработано зна-
чительное количество разнообразных технологий упрочнения, которые осно-
ваны на приложении к обрабатываемой поверхности внешнего механическо-
го или физического воздействия. Технологии упрочнения, основанные на фи-
зическом воздействии [3, 4], используют для этих целей концентрированные
потоки энергии. Эти технологии позволяют модифицировать физико-
механические свойства поверхностного слоя конструкционного материала и
служат для нанесения покрытий с необходимыми физико-механическими
свойствами. Упрочняющая обработка под действием физических факторов
достигается в результате происходящих в поверхностном слое материала
структурных превращений, диспергирования кристаллической структуры,
преобразования межкристаллитных границ и образования вторичных фаз [5].
В качестве физических факторов воздействия может быть лазерное излуче-
ние или потоки (пучки) энергетичных частиц электронов или ионов. На ис-
пользовании концентрированных потоков энергии основаны наиболее уни-
версальные ионно-плазменные технологии упрочнения [6].
Состояние вопроса. В настоящее время магнетронные распылительные
системы (МРС) являются одним из основных инструментов ионно-
плазменной обработки поверхности. Основным достоинством современных
МРС, отличающим их от других систем ионно-плазменной обработки, явля-
ется отсутствие микрокапельной фазы распыленного материала в генерируе-
мом ими потоке плазмы. В частности, загрязненность генерируемого потока
газометаллической плазмы микрокапельной фазой органически присуща
другой ионно-плазменной технологии, использующей вакуумно-дуговой
принцип генерации газометаллической плазмы. Магнетронные технологии
104
заняли лидирующие позиции в технологии поверхностной обработки благо-
даря разработке и использованию техники сильноточного импульсного маг-
нетронного разряда – СИМР [7]. Благодаря использованию СИМР, МРС по-
лучили возможность генерации незагрязненной микрокаплями газометалли-
ческой плазмы, что в настоящее время является ключевым условием прове-
дения современных технологических процессов ионно-плазменного поверх-
ностного упрочнения и нанесения наноструктурных функциональных покры-
тий.
Охарактеризуем основные особенности реализации и применения СИМР.
Особенностью аномального тлеющего разряда (магнетронного разряда) явля-
ется то, что его наиболее эффективные сильноточные режимы локализуются
вблизи границы перехода магнетронного разряда в дуговую моду [8]. При
увеличении мощности магнетронного разряда плотность тока на катод МРС
может превышать некую критическую плотность (по данным [9] это пример-
но 30 мА/см2). Это приводит к локальному перегреву поверхности катода и
образованию на его поверхности катодных пятен биполярных дуг. Дуги ге-
нерируют широкий спектр ионизированных атомных частиц, а также микро-
капли материала катода величиной от 0,1 мкм до 10 мкм. Объем выброса ма-
териала катода в виде микрокапельной фазы зависит от энергии, вложенной в
вакуумную дугу. От частоты появления дуг в разряде зависит наличие и
плотность дефектов в покрытии. Дефекты микроструктуры в функциональ-
ном покрытии являются прямым следствием появления в конденсате микро-
капель распыленного материала [10].
При нанесении покрытий существенным для улучшения качества обра-
ботки является удельная мощность распыляющего магнетронного разряда.
Высокоэнергетичное распыление приводит к образованию в разряде ионов
распыленного металла. В результате МРС генерирует поток газометалличе-
ской плазмы. Наличие заряженной компоненты в потоке плазмы оказывает
положительное влияние на технологические характеристики процесса магне-
тронного напыления. Появляется дополнительная возможность эффективно-
го управления факторами, определяющими производительность технологи-
ческого процесса и качество получаемого покрытия. При предварительной
подготовке напыляемой поверхности потоком газометаллической плазмы,
содержащей ионы материала распыляемого катода-мишени, на подложке об-
разуется хорошо связанный с ней подслой материала покрытия толщиной до
10 нм. Это обеспечивает получение высоких адгезионных характеристик по-
крытия. В результате величина адгезии покрытия может приближаться к по-
казателям, соответствующим эпитаксии [11]. Имеется возможность исполь-
зования МРС в режиме СИМР для генерации потока активных газовых ио-
нов. Эта возможность может быть использована для проведения локального
легирования поверхности высокоинтенсивной низкоэнергетичной импланта-
цией ионов азота [12].
Для получения наноструктурных покрытий используют МРС с несбалан-
сированной магнитной системой [4]. Магнитная несбалансированность МРС
обеспечивает проведение режима ассистирования конденсации покрытия,
который характеризуется наличием бомбардировки конденсата низкоэнерге-
тичными ионами [13]. При ионном ассистировании также отдается предпоч-
тение бомбардировке подложки ионами материала покрытия, так как газовые
105
ионы при внедрении в покрытие могут приводить к нарушению его кристал-
лической структуры.
В [14] сообщается, что комплексная технология упрочнения, включаю-
щая модификацию поверхности подложки ионным азотированием и после-
дующее нанесение функционального наноструктурного покрытия, сущест-
венно улучшает функциональные и эксплуатационные свойства упрочняемой
поверхности. Привлекательно, что при использовании МРС в режиме СИМР
появляется возможность использования МРС для проведения всех техноло-
гических переходов комплексной технологии поверхностного упрочнения в
одном непрерывном рабочем цикле, без перезагрузки.
Сильноточный импульсный режим магнетронного распыления обладает
привлекательностью также при использовании его в качестве источника
плазмы высокой плотности. Если в стационарной МРС концентрация плазмы
вблизи катода составляет (109 – 1011) см-3, то в СИМР плотность плазмы мо-
жет превышать характерные для стационарного магнетронного разряда зна-
чения на три порядка. Импульсная плотность мощности на катоде СИМР мо-
жет достигать значений от сотни до тысячи Вт/см2. При этом, благодаря высо-
кой скважности импульсов разряда, средняя мощность, выделяемая в катоде,
остается в характерном для стационарных МРС диапазоне от 1 Вт/см2 до
10 Вт/см2, что не увеличивает риск дугообразования на катоде-мишени. Как
сообщается в [15], увеличение импульсной амплитуды тока разряда в СИМР до
сотен ампер обеспечивает генерацию плазмы с концентрацией до 1013 см-3, при
этом степень ионизации распыленного материала достигает (70 – 90) %.
Нами разработан ряд цилиндрических [16] и планарных [17] магнетрон-
ных устройств, предназначенных для обработки внутренних и наружных по-
верхностей деталей пар трения по традиционной магнетронной технологии.
В рамках настоящей работы была произведена модернизация конструкции
разработанных МРС с целью их адаптации для эксплуатации в режиме
СИМР. Разработан экспериментальный источник питания СИМР с регули-
руемой частотой модуляции тока магнетронного разряда в диапазоне
(0,5 ÷ 100) Гц. Выполненная модернизация превращает магнетронные распы-
лительные устройства в эффективный инструмент как для предварительного
упрочнения поверхности подложки ионной имплантацией, так и для нанесе-
ния наноструктурных металлических покрытий в одном непрерывном ваку-
умном цикле.
Постановка задачи. Общей направленностью настоящей работы являет-
ся обеспечение комплексной технологии упрочнения рабочих поверхностей
возвратно-поступательных и вращательных пар трения. Такая ориентация
предполагает использование, по крайней мере, двух различных типов конст-
рукции технологических плазменных устройств. Одно устройство необходи-
мо для обработки наружных рабочих поверхностей, другое – для обработки
внутренних поверхностей.
Ставилась задача создания магнетронного устройства, обеспечивающего
проведение всех переходов упрочняющей обработки в едином вакуумном
цикле. Плазменные устройства должны обеспечивать следующие технологи-
ческие переходы: 1 – ионную очистку, нагрев и активацию обрабатываемой
поверхности; 2 – высокоинтенсивное низкоэнергетическое азотирование им-
плантацией ионов азота; 3 – нанесение функционального наноструктурного
покрытия с ионным ассистированием.
106
Для проведения упрочняющей высокоинтенсивной низкоэнергетичной
ионной имплантации используется плазма пучкового разряда. Пучковая
плазма создается в пролетном промежутке между распыляемой мишенью
(катод МРС) и обрабатываемой подложкой. Извлечение плазмы из магнитной
ловушки магнетрона производится благодаря несбалансированной конфигу-
рации магнитного поля магнетронного устройства.
В первую очередь разрабатывалась планарная магнетронная распылитель-
ная система – ПлНбМРС. При разработке цилиндрической магнетронной рас-
пылительной системы – ЦМРС, имеющей более простую конструкцию и реже
применяемой в технологической практике, предполагалось использовать опыт,
полученный при разработке планарного магнетронного генератора.
Так как импульсный разрядный источник находился еще в процессе раз-
работки и его расчетные параметры (частота 100 Гц) не были достигнуты,
отработка конструкции и рабочих режимов ПлНбМРС проводилась в низко-
частотном режиме от 0,5 Гц до нескольких герц. Низкочастотный режим
СИМР не отражается на локальных характеристиках потока газометалличе-
ской плазмы, который он генерирует. Для исследования характеристик газо-
металлической плазмы было бы достаточно использования одноимпульсного
разряда. Частотный режим работы СИМР требовался только для определения
массы покрытия за измеряемый промежуток обработки. Для выбора низкой
расчетной частоты модуляции разрядного тока имелись две причины. Первая
причина состояла в том, что разрабатываемое магнетронное устройство
предполагалось использовать только для распыления металлических мате-
риалов. В этом случае опасность возникновения униполярных дуг сущест-
венно понижена. При этом для предотвращения возникновения достаточно
модуляции тока с частотой (100 ÷ 500) Гц. Второй причиной создания низко-
частотного модулятора были соображения экономического характера. Разра-
ботана низкочастотная схема модуляции разряда, которая характеризуется
низким бюджетом на изготовление, так как не требует затрат, связанных с
использованием дорогостоящих высокочастотных сильноточных полупро-
водниковых переключающих элементов. Ожидается, что результаты, полу-
ченные при отработке и исследовании СИМР с низкочастотным источником
питания, могут быть экстраполированы для использования в более высоко-
частотных режимах, с частотой до (30 – 60) кГц.
Экспериментальные условия. Для исследования параметров импульс-
ной газометаллической плазмы и для оценки технологического эффекта от
применения импульсного режима ионно-плазменной обработки использова-
лись две конструкции планарных магнетронов с равными диаметрами като-
дов – 50 мм. Один из магнетронов был предназначен для установки на смот-
ровом окне 20-литровой вакуумной камеры вакуумной установки ВУП-5М. В
этом магнетроне имелась возможность плавного регулирования характери-
стик магнитного поля. Регулирование магнитного поля было необходимо для
исследования и оптимизации несбалансированности магнитной системы
ПлНбМРС50 и исследования геометрических параметров генерируемого по-
тока газометаллической плазмы.
Другой планарный магнетрон – ПлНбМРС50 – проектировался как про-
тотип технологического магнетрона с магнитной системой несбалансирован-
ного типа. Магнетрон был предназначен для работы в полости вакуумной
камеры большого объема (~ 1 м3) и планировался для обработки локальных
107
участков упрочняемых рабочих поверхностей. Особенности условий экс-
плуатации магнетронов обусловливали особенности их конструкции, но по
функциональным характеристикам они были аналогичными. Конструктив-
ные схемы двух типов магнетронов и экспериментальной измерительной ос-
настки представлены на рисунке 1.
а) планарный магнетнонный распылитель в камере установки ВУП–5М: 1 –
стенка вакуумной камеры; 2 – катод магнетрона; 3 – постоянные магниты;
4 – наружный магнитопровод магнетрона; 5 – магнитная катушка; 6 –
магнитопровод, разбалансирующий магнитноге поле МРС; 7 – анод МРС
б) ионный анализатор: 8 – входная апертура анализатора; 9 – сеточный элек-
трод 1; 10 – сеточный электрод 2; 11 – коллектор; 12 – плоский зонд; 13 –
изолятор; 14 – корпус анализатора
в) магнетронное распылительное устройство ПлНбМРС50
Рис. 1 – Планарные магнетронные распылительные устройства
Магнитная система магнетронов включала осевой неодимовый магнит 3
диаметром 20 мм, высотой 20 мм. Несбалансированность магнитного поля
первого типа в магнетроне обычно создается усилением периферийного маг-
нитного потока магнитной системы [4]. На практике этот эффект получают
путем установки коаксиальной магнитной катушки в пролетном пространст-
ве между магнетроном и подложкой. Это не лучшее техническое решение.
При фланцевой установке магнетрона (на окне вакуумной камеры) коакси-
альная магнитная катушка может устанавливаться за пределами вакуумной
камеры. При этом существенно ослабляется магнитное поле в пролетном
пространстве. Необходимая несбалансированность достигается увеличением
габаритов магнитной катушки и требует повышенных энергетических затрат.
В нашей конструкции МРС несбалансированность магнитного поля соз-
давалась наружной магнитной катушкой 4, имеющей 1000 витков медной
проволоки сечением 1,5 мм. Катушка помещалась в дополнительный наруж-
ный магнитопровод 6. При токе в катушке 4 А магнитная индукция в центре
зоны эрозии катода равнялась 0,056 Тл. Постановка наружного магнитопро-
вода 6 усиливала магнитную индукцию на наружном полюсе магнетрона в
четыре раза.
108
Непосредственно в вакуумной камере установки ВУП-5М, соосно с МРС,
устанавливался анод магнетронного разряда и анализатор заряженных час-
тиц. Апертура анодного кольца служила для диафрагмирования потока плаз-
мы перед входом в апертуру анализатора. В металлическом корпусе анализа-
тора, изолированно от него, монтировались сетчатые электроды 9 и 10. Через
сетки в полость анализатора проникают анализируемые заряженные и ней-
тральные компоненты потока газометаллической плазмы. Размер ячеек не-
ржавеющих сеток выбирался из условий непрозрачности для прохождения
заряженных частиц. При подаче на сетку отрицательного потенциала она
становится непрозрачной для электронов. При подаче положительного по-
тенциала – непрозрачной для ионов. Характерный размер ячеек сеточных
электродов выбирается из условия h ≤ 2D, где h – характерный размер ячейки
сетки, D – толщина слоя Дебая. Назначение электрода 9 – отсечка электронов
плазмы. Электрод 10 – анализирующий электрод, позволяет снимать тормоз-
ную характеристику потока ионов, что необходимо для определения функции
распределения ионов по энергиям. Коллектор 11 служит для исследования
фракционного состава газометаллической плазмы. На коллектор диаметром
65 мм, удаленный от катода магнетрона на 110 мм, регистрируется ток газо-
вых и металлических ионов и масса осаждаемого на нем покрытия. По цен-
тру коллектора имеется отверстие диаметром 10 мм, за которым устанавли-
вался токоприемник плоского токового зонда. Плоский зонд служил для оп-
ределения локальных характеристик плазмы. С помощью анализатора опре-
делялись важные технологические характеристики процесса обработки по-
верхности: скорость осаждения покрытия и доза ионной бомбардировки под-
ложки – флюенс. С помощью анализатора определялась степень сфокусиро-
ванности потока плазмы и доля металлических ионов в плазме.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Для подтверждения
практической эффективности использования потока газометаллической
плазмы для проведения упрочняющей обработки поверхности проводилось
сравнение некоторых характеристик режима обработки в стационарном ре-
жиме работы разряда (500 В/0,5 А) и в импульсно-периодическом режиме
работы разряда (400 В/30 А). Частота следования разрядных импульсов рав-
нялась 0,5 Гц, длительности разрядного импульса – 14 мс. При сравнении
характеристик газометаллической плазмы соблюдалось равенство мощностей
сравниваемых распыляющих разрядов, которое устанавливалось следующим
выражением:
0
( ) ( ) ,рст рстU I f U t I t dt
где Uрст – разрядное напряжение в стационарном режиме [B], Iрст – разряд-
ный ток в стационарном режиме [A], f – частота следования разрядных им-
пульсов [c-1], t – время работы разряда [с], Δ – длительность разрядного им-
пульса [c].
Была определена энергетическая эффективность распыления медного ка-
тода в стационарном режиме МРС. За 60 минут при мощности стационарного
разряда 250 Вт было распылено 2031 мг меди. Энергетическая эффектив-
ность составила 0,135 мг/Вт×мин. Это соответствует значению энергетиче-
ской эффективности распыления меди, полученному в [18]. Сравнение этого
109
показателя в стационарном и в импульсном режиме показало, что этот пара-
метр не зависит от мощности магнетронного разряда.
Сравнивалась скорость нанесения покрытия в стационарном и импульс-
ном режиме. На коллекторе анализатора измерялась масса покрытия за время
обработки 60 минут. В стационарном режиме МРС при мощности разряда
250 Вт на коллекторе формировалось покрытие массой 67,4 мг. Покрытие
формировалось из нейтральных атомных частиц. При работе МРС в им-
пульсном режиме этот показатель почти вдвое превосходил показатель в ста-
ционарном режиме. При равных мощностях разрядов этот результат мог объ-
ясняться только улучшением сфокусированности потока газометаллической
плазмы в импульсном режиме работы по сравнению со стационарным.
При равных показателях интенсивности режимов распыления, выражен-
ных в единицах [Вт×мин], определялся показатель сфокусированности пото-
ка пучковой плазмы на коллекторе в стационарном и импульсном режиме
разряда МРС. В импульсном режиме энергетический показатель эффектив-
ности фокусировки был определен равным 0,0085 мг/Вт×мин, что почти
вдвое превысило аналогичный показатель в стационарном режиме –
0,0045 мг/Вт×мин. Таким образом, была подтверждена версия о лучшей сфо-
кусированности потока газометаллической плазмы за счет имеющихся в по-
токе плазмы металлических ионов.
Во время импульсного разряда МРС в пролетном пространстве визуаль-
но наблюдался узкий поток пучковой плазмы диаметром значительно мень-
ше диафрагмирующего диаметра анода МРС. Степень сфокусированности
потока газометаллической плазмы подтверждалась путем определения ради-
ального распределения плотности ионного тока на коллекторе. С этой целью
производились измерения ионного тока на всю площадь коллектора и на
плоский токовый зонд, расположенный на оси анализатора. Диаметр зонда
равнялся 10 мм. Плотность ионного тока на осевой токовый зонд равнялась
0,1 А/см2. Средняя плотность ионного тока на коллектор равнялась
0,06 А/см2. Этими измерениями также была подтверждена предельная сфоку-
сированность потока ионов на коллектор. Повышенная сфокусированность
потока газометаллической плазмы может быть эффективно использована для
проведения локальной упрочняющей обработки поверхности.
Используя полученные значения плотности тока на коллектор, была оп-
ределена плотность плазмы по Бому. На оси потока плотность плазмы равня-
лась 2,2×1012 см-3. Средняя по сечению потока плотность плазмы равнялась
4×1012 см-3.
В импульсном режиме разряда на приосевой плоский зонд снималась
вольт-амперная характеристика. Для этого использовалась схема, представ-
ленная на рисунке 2. Зондовая характеристика обрабатывалась по стандарт-
ной методике [19, 20]. Было определено, что температура электронов Те в
плоскости коллектора равна примерно 8 эВ, плавающий потенциал плазмы
был равен примерно 60 В. Локальный потенциал плазмы Фпл, равный 48 В,
определялся из выражения, данного в [21].
ln .2
i
пл
e
MФ m
где Мi и me – соответственно массы ионов и электронов.
110
Рис. 2 – Схема измерения параметров газометаллической плазмы
В импульсном режиме работы исследовался зарядовый состав пучковой
плазмы в области подложки-коллектора. Из литературных источников из-
вестно, что в СИМР генерируется от 5 % до 70 % ионов распыленного мате-
риала мишени. Процентное содержание ионов в газометаллической плазме
зависит от материала мишени катода и от энергетичности разрядного им-
пульса. Этот вопрос исследовался разными авторами [22, 23]. Учитывая, что
металлические ионы играют важную роль в повышении качества покрытия,
нами было исследовано содержание металлических ионов в плазме сильно
несбалансированного магнетрона ПлНбМРС, работающего в режиме СИМР.
Относительна доля ионизированных Mi и нейтральных атомов – Mn в области
коллектора анализатора, определялась весовым способом по величине осадка
на коллекторе анализатора и равнялась согласно выражению:
i
i n
M
M M
.
Для определения доли металлических ионов в токе на коллектор исполь-
зовалась методика, отличная от методик, использующихся в [22] и [23]. В
работе использовался блок-анализатор (см. рис. 2). Для отсечки электронов
от проникновения в полость анализатора, использовалась мелкоструктурная
сетка с оптической прозрачностью 0,326. Для повышения точности опреде-
ления доли ионов учитывались тонкие эффекты, искажающие значения пока-
зателя оптической прозрачности сетки. Так, в [23] было обнаружено, что для
получения истинной величины оптической прозрачности сетки необходимо
учитывать геометрический фактор, учитывающий влияние углового разброса
траекторий нейтральных частиц, проходящих через сетку. Из-за этого часть
нейтралов осаждается на сетке. Для учета этой зависимости нами использо-
ван метод экспериментального определения этого геометрического фактора.
Сравнивалась масса осадка на коллекторе, полученная с сеткой и без нее. В
нашем случае реальный коэффициент прозрачности сеточного электрода был
111
уточнен и равнялся 0,25. Содержание металлических ионов в потоке газоме-
таллической плазмы определялось с применением уточненного коэффициен-
та прозрачности сеточного электрода.
Покрытие на коллекторе анализатора формировалось потоком прошед-
ших через сетку нейтралов и ионов распыленного металла. В эксперименте
регистрировалась масса покрытия и токи на коллектор, обусловленные газо-
выми и металлическими ионами. Доля металлических ионов в покрытии оп-
ределялась путем сравнения массы покрытий, осажденных на коллектор при
отрицательном и положительном смещении коллектора относительно сеточ-
ного электрода. При отрицательном потенциале коллектора – 60 В – на кол-
лекторе конденсировались как нейтральные атомы, так и ионы металла. По-
ложительный потенциал коллектора + 60 В препятствовал конденсации ионов
распыленного металла. Это позволяло определить долю ионов металла, фор-
мирующую металлическое покрытие на коллекторе. Было определено, что до-
ля ионов металла в потоке металлических частиц на коллектор равна 43 % .
При отрицательном смещении сравнивалась величина плотности ионно-
го тока на коллектор в стационарном и импульсном режиме МРС. В стацио-
нарном режиме плотность ионного тока равнялась 0,9 мА/см2 при напряже-
нии смещения – 60 В. Эта величина близка к рекомендуемой плотности тока
ионов ассистирования для получения наноструктурного покрытия [13]. В ре-
жиме импульсного разряда ПлНбМРС плотность ионного тока на коллектор
могла достигать величины 0,18 А/см2 при смещении (100 ÷ 200) В. Такой ре-
жим может обеспечивать проведение форсированной обработки поверхности
ионным распылением. В том числе он может обеспечивать высокоинтенсив-
ную низкоэнергетичную ионную имплантацию.
Приведенные выше оценки подтверждают эффективность импульсного
способа формирования потока газометаллической плазмы для проведения
различных способов ионно-плазменной обработки поверхности.
Заключение. В работе разработаны действующие макеты плазменных
технологических устройств, позволяющие генерировать высокоэнергетиче-
ские потоки газометаллической плазмы. Характеристики создаваемых техно-
логическими устройствами потоков газометаллической плазмы позволяют
проводить отработку и оптимизацию комплексных технологических процес-
сов упрочнения пар трения. Для питания разрядов плазменных устройств оп-
робовано низкобюджетное схемное решение импульсного источника питания
магнетронного разряда. Показано, что сильноточный импульсный режим ра-
боты, удовлетворяющий требованиям технологии комплексной обработки,
эффективен и на частотах до 100 Гц. Исследованы характеристики плазмы в
области обработки. Определены основные технологические и эксплуатаци-
онные характеристики комплексного технологического устройства. Получе-
ны исходные данные для проектирования опытных вариантов технологиче-
ских устройств и опытного технологического процесса.
1. Степанова Т. Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин. Иваново: Иван. гос. хим.-
технол. ун-т, 2009. 64 с.
2. Сулима В. А., Шулов В. А., Яrодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей
машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
3. Новиков Н. В., Бидный А. А., Ляшенко Б. А. и др. Методы упрочнения поверхности машиностроитель-
ных деталей. Киев: Ин-т сверхтвердых материалов, 1989. С. 64–65.
4. Свадковский И. В. Направления развития магнетронных распылительных систем. Доклады БГУИР.
2007. № 2(18). С. 112–121.
112
5. Панин В. Е., Сергеев В. П., Панин А. В. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных
материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Томск: Изд-во Томского политехнического уни-
верситета, 2010. 254 с.
6. Кадыржанов К. К. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. М.: изд. МГУ, 2005.
640 с.
7. Кузьмичев А. И. Импульсные магнетронные распылительные системы. Сб. трудов Харьковской научной
ассамблеи ISTFE-14, Харьков: ННЦ ХФТИ, 2014. С. 221–244.
8. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 543 с.
9. Мозгрин Д. В., Фетисов И. К., Ходаченко Г. В. Экспериментальное исследование сильноточных форм
квазистационарного разряда низкого давления в магнитном поле. Физика плазмы. 1995. Том 21. №5.
С. 422–433.
10. Аксенов И. И., Андреев А. А., Белоус В. А. и др. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покры-
тий, поверхностное модифицирование. Киев: Наукова думка, 2012. 727 с.
11. Ehiasarian A. P., Wen J. G., Petrov I.. Interface microstructure engineering by high power impulse magnetron
sputtering for the enhancement of adhesion. Journal of Appl. Physics. 101 (2007), 054301.
12 Белый А. В., Кукареко В. А., Лободаева О. В. и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и кера-
мических материалов. Минск: ФТИ, 1998. 218 с.
13. Musil J., Suna J. The role of energy in formation of sputtered nanocomposite films. Vfter. Scien. Forum.
2005. V. 502. P. 239–260.
14. Бойцов А. Г., Машков Н. В., Смоленцев В. Л. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными
способами. М.: Машиностроение, 1991. 144 с.
15. Сочугов Н. С., Оскирко В. О., Спирин Р. Е. Источник питания для магнетронных распылительных
систем. ПТЭ. 2013. № 2. С. 62–68.
16. Патент на корисну модель, 102744 України, МПК С23С 14/00. Незбалансована циліндрична магнет-
ронна розпилююча система / Гришкевич О. Д.; заявник і патентоволодар ІТМ НАНУ і ДКАУ. Заявл.
28.10.2013; опубл. 24.01.2014. Бюл № 1.
17. Гришкевич А. Д., Гринюк С. И., Кучугурный Ю. П. Технологические плазменные устройства на основе
разряда с замкнутым дрейфом электронов. Техническая механика. 2013. №4. С 43–57.
18. Рогов А. В, Капустин Ю. В., Мартыненко Ю. В. Факторы, определяющие эффективность магнетрон-
ного распыления. Критерии оптимизации. ЖТФ. 2015. Том 85. Вып. 2. С. 126–134.
19. Ершов А. П. Метод электрических зондов Ленгмюра. М.: Физический факультет МГУ. 2007. 26 с.
20. Подгорный И. М. Лекции по диагностике плазмы. М.: Атомиздат. 1968. 220 с.
21. Каган Ю. М., Перель В. И. Зондовые методы исследования плазмы. Успехи Физических Наук. 1963 г.
Т. LXXXI. Вып. 3. С. 409–452.
22. Kouznetsov V., Macak K., Schneider J. M., Helmersson U., Petrov I. A novel pulsed magnetron sputter tech-
nique utilizing very high target power densities. Surf. Coat. Technol. 1999. V. 122. Iss. 2–3. Pp. 290–293. doi:
10.1016/S0257-8972(99)00292-3
23. Poolcharuansin P., Bowes M, Petty T. J. and J. W. Bradley. Ionized metal flux fraction measurements in
HiPIMS discharges. Journal of Phys. D: Appl. Phys. (2012). № 45. P. 1–5.
Получено 13.05.2019,
в окончательном варианте 19.06.2019
|