«Підвищення експлуатаційних характеристик ріжучого інструменту шляхом напилення покриттів з нітрид титану»

Кочетов, Ярослав Ігорович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8942

Title:	«Підвищення експлуатаційних характеристик ріжучого інструменту шляхом напилення покриттів з нітрид титану»
Authors:	Канашевич, Георгій Вікторович Кочетов, Ярослав Ігорович
Keywords:	Напилення покриттів
Issue Date:	2024
Abstract:	АНОТАЦІЯ На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Підвищення експлуатаційних характеристик ріжучого інструменту шляхом напилення покриттів з нітрид титану». Виконавець: студент групи мТМ-32 Кочетов Ярослав Ігорович Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович Кваліфікаційна робота містить 93 сторінку формату А4, 29 рисунків, 5 таблиць, 31 літературне джерело. В кваліфікаційній роботі магістра було проведено аналіз сучасних вакуумних методів по нанесенню зносостійких покриттів на робочу поверхню ріжучого інструменту. Було встановлено, що для отримання якісних покриттів з нітрид титану оптимальним є метод іонно-плазмового напилення. Проведено аналіз вакуумного обладнання для напилення "Булат" 6, розглянуто TiN покриття: властивості, структура, особливості, застосування, методику вимірювання мікротвердості покриттів. Розглянуто технологічний процес нанесення покриттів. Проведено дослідження отриманих покриттів, а також досліджено вплив технологічних параметрів на отриманні покриття. В розділі охорони праці та безпеки в надзвичайних ситуаціях було розглянуто Заходи безпеки при роботі на установці, порядок роботи.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8942
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Кочетков.pdf Restricted Access		2.07 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Підвищення експлуатаційних характеристик ріжучого
інструменту шляхом напилення покриттів з нітрид титану»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології
машинобудування»
Кочетов Ярослав Ігорович
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Г.В
Рецензент: інженер-технолог ПП «Фотоніка
плюс»Голуб М.В.
.

Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
___________Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________20___р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

____________ Кочетов Ярослав Ігорович_________________________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи: _Підвищення експлуатаційних характеристик ріжучого
інструменту шляхом напилення покриттів з нітрид титану _____________________
Керівник роботи Канашевич Георгій Вікторович, д.т.н., професор________
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«__16_» ___вересня___________ 2024_____р. №_272/04_____
2. Термін подання здобувачем роботи ____________
3. Вихідні дані до роботи: : Технологія іонно-плазмового напилення,
обладнання для іонно-плазмового напилення, завдання з розділу охорони праці
4. Зміст пояснювальної записки: метод CVD (Сhemical Vapor Deposition),
вакуумні методи нанесення покриттів, випарники з електронно- променевим
нагрівом, іонно-плазмові методи отримання тонких плівок, катодне розпилення
магнетронне розпилення, метод катодно-інного бомбардування, властивості
тонких покриттів на основі нітридів перехідних металів, установка вакуумного
напилення "Булат" 6, TiN покриття: властивості, структура, особливості,
застосування, технологічний процес нанесення покриттів, вимірювання
мікротвердості покриттів, дослідження отриманих покриттів, дослідження
впливу технологічних параметрів на отриманні покриття, охорона праці
5. Перелік графічного матеріал (з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо тема, обладнання для нанесення
зносостійких покриттів, технологічний процес осадження покриттів, залежність
мікротвердості композиції "покриття - підкладка" від глибини індентування,
залежність твердості покриттів TIN від струму, залежність товщини покриття
TIN від відстані катода до підложки, параметри які впливають на якість
покриттів, приклади застосування покриттів з нітриду титану, вимоги безпеки
при роботі на вакуумній установці «Булат»

7. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Підпис, дата
Розділ Керівник завдання завдання
видав прийняв
1,2,3 Канашевич Г.В.
4 Цікановський В.Л.

8. Дата видачі завдання ______________________
Календарний план
№ Термін виконання
Назва етапів кваліфікаційної роботи Примітка
з/п етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ
2 Написання І розділу КРМ
3 Написання ІІ розділу КРМ
4 Написання ІІІ розділу КРМ
5 Написання розділу з охорони праці
6 Оформлення пояснювальної записки
7 Оформлення графічної документації
8 Захист роботи

Здобувач ___________ __Ярослав КОЧЕТОВ
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ Георгій КАНАШЕВИЧ
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

АНОТАЦІЯ

На кваліфікаційну роботу магістра на тему: «Підвищення
експлуатаційних характеристик ріжучого інструменту шляхом напилення
покриттів з нітрид титану».
Виконавець: студент групи мТМ-32 Кочетов Ярослав Ігорович
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович
Кваліфікаційна робота містить 93 сторінку формату А4, 29 рисунків, 5
таблиць, 31 літературне джерело.
В кваліфікаційній роботі магістра було проведено аналіз сучасних
вакуумних методів по нанесенню зносостійких покриттів на робочу поверхню
ріжучого інструменту. Було встановлено, що для отримання якісних покриттів
з нітрид титану оптимальним є метод іонно-плазмового напилення. Проведено
аналіз вакуумного обладнання для напилення "Булат" 6, розглянуто TiN
покриття: властивості, структура, особливості, застосування, методику
вимірювання мікротвердості покриттів. Розглянуто технологічний процес
нанесення покриттів. Проведено дослідження отриманих покриттів, а також
досліджено вплив технологічних параметрів на отриманні покриття.
В розділі охорони праці та безпеки в надзвичайних ситуаціях було
розглянуто Заходи безпеки при роботі на установці, порядок роботи.

ANNOTATION

For the master's qualification work on the topic: "Increasing the operational
characteristics of a cutting tool by sputtering titanium nitride coatings."
Performer: student of the mTM-32 group Kochetov Yaroslav Ihorovych
Supervisor: Doctor of Technical Sciences, Professor Georgy Viktorovych
Kanashevich
The qualification paper contains 93 pages of A4 format, 29 figures, 5 tables,
and 31 literary sources.
In the master's qualification work, an analysis of modern vacuum methods for
applying wear-resistant coatings to the working surface of the cutting tool was carried
out. It was established that the method of ion-plasma sputtering is optimal for
obtaining high-quality titanium nitride coatings. The analysis of vacuum equipment
for sputtering "Bulat" 6 was carried out, the TiN coating was considered: properties,
structure, features, application, method of measuring microhardness of coatings. The
technological process of coating is considered. The obtained coatings were studied, as
well as the influence of technological parameters on the coating obtained.
In the section on labor protection and safety in emergency situations, Safety
measures during work at the installation, work procedure were considered.

5

Зміст
ст.
Вступ…………………………………………………………………………… …7
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА 9
1.1 Метод CVD (Сhemical Vapor Deposition) ……………………………….10
1.2 Вакуумні методи нанесення покриттів …………………………………12
1.2.1 Випарники з електронно- променевим нагрівом……………………..14
1.2.2 Іонно-плазмові методи отримання тонких плівок……………………18
1.2.3 Катодне розпилення ……………………………………………………19
1.2.4 Магнетронне розпилення………………………………………………22
1.3 Метод катодно-інного бомбардування………………………………….23
1.4 Властивості тонких покриттів на основі нітридів перехідних металів..26
Висновки розділу 1……………………………………………………………29
РОЗДІЛ 2. ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ПОКРИТТІВ
2.1 Установка вакуумного напилення "Булат" 6……………………………30
2.2 TiN покриття: властивості, структура, особливості, застосування……38
2.3 Технологічний процес нанесення покриттів…………………………….39
2.4 Вимірювання мікротвердості покриттів………………………………...44
Висновки до розділу 2……………………………………………………….47

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
3.1 Дослідження отриманих покриттів…………………………………..48
3.2 Дослідження впливу технологічних параметрів на отриманні
покриття……………………………………………………………………………53
Висновки до розділу 3 ………………………………………………………64
РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ
4.1 Будова та принцип дії вакуумної установки «Булат 6» ……………...65
4.2 Будова та принцип дії електрообладнання……………………………..70
4.3 Заходи безпеки………………………………………………………….79
6

4.4 Порядок встановлення вакуумної установки…………………………82
4.5 Характерні несправності і методи їх усунення ……………………….84
4.6 Порядок роботи ………………………………………………………….86
Висновки до розділу 4 ………………………………………………………..88

Висновки…………………………………………………………………………...89
Список використаної літератури ………………………………………………91

7

Вступ

Вакуумні конденсати на основі нітриду титану знайшли широке
застосування в промисловості як зміцнюючі й захисні покриття. Плівкові
технології, які охоплюють усі існуючі методи нанесення тонких покриттів,
зокрема нітридних, є сучасними ресурсозберігаючими рішеннями. Для
вдосконалення цих методів, спрямованих на отримання покриттів із заданими
властивостями, необхідні розширені структурні дослідження.
Фази впровадження (оксиди, нітриди, карбіди) перехідних металів IV
групи, зокрема нітрид титану, є оптимальними матеріалами для зміцнюючих і
захисних покриттів завдяки їхній високій міцності, термічній та хімічній
стійкості. Високотехнологічні вакуумні методи нанесення покриттів
дозволяють створювати відносно недорогі матеріали на основі цих фаз із
можливістю точного контролю технологічних параметрів. Це забезпечує
гнучкість у зміні хімічного складу та структури покриттів, що дозволяє
отримувати матеріали з наперед заданими властивостями. Такий підхід є
перспективним у підвищенні ефективності інструментів, технологічного
обладнання, а також рухомих і реакторних деталей.
Надтверді покриття є важливим напрямом розвитку сучасних технологій і
матеріалознавства. Дослідження фазово-структурних станів матеріалів і їхніх
фізико-механічних властивостей відкривають нові можливості у формуванні
прогнозованих властивостей покриттів, таких як твердість, термічна
стабільність і міцність.
Одним із найефективніших методів зміцнення поверхні є нанесення
покриттів з твердих сполук. Сьогодні створено широкий спектр таких
покриттів, що застосовуються у різних галузях машинобудування. Їхні
універсальні властивості сприяють підвищенню зносостійкості, зменшенню
коефіцієнтів тертя та захисту від корозії.
Актуальним завданням є розробка нових твердих композиційних
матеріалів і покриттів із підвищеною зносостійкістю. Захисні покриття на
8

основі таких матеріалів можуть значно збільшити термін служби деталей,
сприяючи підвищенню їхньої продуктивності та економічної ефективності.
На сьогоднішній день захисні покриття широко використовуються у
промисловості, а значні ресурси спрямовуються на розробку нових типів
покриттів і вдосконалення методів їх нанесення.
Застосування деталей із попередньо нанесеними зносостійкими
покриттями дозволяє збільшити їхній термін служби в 1,5-4 рази, що суттєво
підвищує ефективність обладнання та зменшує витрати на його
обслуговування.
Нітриди перехідних металів, таких як титан, цирконій і хром, відомі
своїми видатними механічними властивостями, зокрема високою твердістю і
міцністю. Завдяки цим характеристикам покриття, створені на їх основі,
широко застосовуються для покращення експлуатаційних властивостей
ріжучих інструментів, елементів вузлів тертя та деталей машин, що працюють у
складних умовах.
Мета роботи: дослідження експлуатаційних характеристик покриттів з
нітрид титану на ріжучому інструменті
З ад а ч і м а г і ст ер с ь к ої р об от и :
1. Повести літературний огляд методів нанесення зносостійких
покриттів
2. Дослідити процес нанесення зносостійких покриттів іонно-
плазмовим методом
3. Експерементально отримати іонно-плазмовим напиленням покриття
на ріжучій пластині
4. Провести дослідження напилених покриттів на поверхі ріжучої
пластини
5. Провести аналіз умов праці при напиленні покриттів з нітрид
титану
Об’єкт дослідження:іонно-плазмове напилення покриттів з нітриду
титану на ріжучі пластини інструменту
Предмет дослідження: покриття з нітрид титану отримані іонно-
плазмовим напиленням
9

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА
Сучасні високотехнологічні покриття використовуються для підвищення
зносостійкості твердосплавних свердел, фрез, ріжучого та зуборізного
інструменту.Ці покриття забезпечують захист інструментів від таких
негативних чинників, як [1, 2]:
- швидкий знос (зносостійкість),
- тертя (антифрикційні властивості),
- вплив високих температур (термостійкість),
- корозія (корозійна стійкість),
- адгезія матеріалу (антиадгезійні властивості).
Переваги використання інструментів із зносостійким покриттям:
- скорочення часу виробничого циклу,
- підвищення продуктивності підприємства,
- зниження собівартості продукції,
- збільшення чистого прибутку,
- ефективніше використання ресурсів.
Формування поверхневих шарів із тугоплавких нітридів, карбідів та
інших металоподібних сполук дозволяє поєднувати високі технологічні
властивості металевої основи з чудовою корозійною та зносостійкістю
поверхні.
Методи нанесення покриттів [3, 4]:
1. Плазмохімічне осадження (PCVD) з газової фази.
2. Фізичне осадження з газової фази (PVD):
- магнетронне розпилення,
- іонне бомбардування з використанням твердої мішені.
3. Комбіновані методи PVD та PCVD, наприклад:
- катодно-дугове напилення разом із PCVD,
- магнетронне розпилення у поєднанні з лазерною абляцією.
10

Такі підходи забезпечують утворення покриттів із оптимальними
характеристиками, що сприяють довговічності інструментів і підвищенню
їхньої ефективності в промислових умовах.

1.1 Метод CVD (Сhemical Vapor Deposition)

Хімічне осадження з газової фази (англ. Chemical Vapor Deposition, CVD-
метод) – це метод, який забезпечує осадження твердої речовини на підкладку з
газоподібних або пароподібних прекурсорів шляхом хімічної реакції. Оскільки
реакція відбувається в газовій фазі, попередня підготовка вихідних компонентів
передбачає їх випаровування, якщо за нормальних умов вони перебувають у
рідкому або твердому стані. У процесі CVD основним продуктом є тверда
речовина, тоді як побічні продукти залишаються в газоподібному стані для
зручного видалення з реакційного середовища [3, 4].
Особливості CVD-методу [3, 4]:
1. Шарове нанесення цей метод забезпечує рівномірне покриття поверхні
підкладки, навіть якщо вона має складну геометрію. Плівки та покриття,
отримані методом CVD, рівномірно покривають усю доступну поверхню [3, 4].
2. Продукти синтезу: CVD дозволяє отримувати не лише плівки й
покриття, але й кристали або порошки. У разі порошків реакція осадження
відбувається в об'ємі газової фази, а не на поверхні підкладки. Таким чином,
метод використовується для отримання дрібнодисперсних порошків, зокрема
наночастинок [3, 4].
3. Типи реакторів для CVD-синтезу: реактори з гарячою стінкою:
нагрівається уся камера печі, що забезпечує рівномірний розподіл температури.
Реактори з холодною стінкою: нагрівання відбувається безпосередньо на
поверхні підкладки, що дозволяє зменшити небажані побічні реакції в газовій
фазі [3, 4].
CVD-метод широко використовується у виробництві синтетичних
матеріалів, напівпровідникових пристроїв, оптичних компонентів, а також у
11

нанотехнологіях завдяки високій точності, універсальності та можливості
отримання матеріалів із заданими властивостями [3, 4].

Рисунок 1.1 Схема установки для нанесення CVD покриттів

Переваги CVD (Хімічного осадження з парової фази):
1. Висока чистота та однорідність: CVD дозволяє отримувати плівки з
виключно високим рівнем чистоти та однорідності. Це досягається завдяки
очищенню газів-прекурсорів від домішок та ретельному контролю процесу
осадження, що забезпечує постійну товщину і склад плівки. Такі
характеристики особливо важливі для галузей, як-от напівпровідники та
оптоелектроніка [3, 4].
2. Масштабність: технологія CVD легко адаптується для масового
виробництва завдяки можливості регулювання швидкості осадження шляхом
зміни витрат газ-прекурсорів. Це ідеально підходить для виробництва тонких
плівок і покриттів у великих обсягах [3, 4].
3. Універсальність: CVD-покриття можна наносити на широкий спектр
матеріалів, включаючи метали, кераміку та полімери. Це розширює можливості
використання матеріалів з CVD-покриттям у різних промислових галузях [3, 4].
4. Зносостійкість: покриття, отримані методом CVD, характеризуються
високою стійкістю до зносу, що збільшує довговічність інструментів і
компонентів, підвищуючи їх продуктивність і знижуючи витрати на заміну [3,
4].
12

5. Хімічна стійкість: завдяки CVD-покриттю матеріали отримують захист
від впливу агресивних хімічних середовищ, що є критично важливим для
обладнання, яке працює в умовах хімічного впливу [3, 4].
6. Відповідність складним формам: на відміну від фізичних методів
нанесення покриття з парової фази (PVD), які мають обмеження через лінійний
характер, CVD дозволяє створювати рівномірне покриття на складних 3D-
структурах.
Недоліки CVD:
1. Токсичні побічні продукти: під час процесу CVD утворюються
токсичні побічні продукти через використання високолетких газів-прекурсорів.
Ці речовини потребують ретельного поводження, очищення та утилізації для
мінімізації ризиків для здоров’я та навколишнього середовища.

1.2 Вакуумні методи нанесення покриттів

Методи вакуумної технології займають важливе місце серед способів
поверхневої обробки завдяки їхнім численним перевагам. Широке застосування
цих методів у різних галузях обумовлене високою продуктивністю,
екологічною безпечністю та універсальністю. За допомогою вакуумної
технології можна отримати покриття практично з будь-якого матеріалу:
металів, сплавів, полімерів чи композиційних структур [3-23].
Особливості вакуумних технологій [3-23]:
універсальність: метод дозволяє наносити різноманітні покриття на будь-
які матеріали з можливістю регулювання товщини покриття в широких межах;
автоматизація: процес нанесення покриттів можна повністю
автоматизувати, а одна вакуумна установка придатна для роботи з різними
матеріалами без значних змін конструкції.
Основні фізичні методи осадження [3-10]:
13

1. Термічні методи: випаровування матеріалу внаслідок нагрівання до
твердого або розплавленого стану, а також вибухоподібне (інтенсифіковане)
випаровування.
2. Іонно-плазмові методи: використання іонів для розпилення твердого
матеріалу, стимульованих плазмою.
Класифікація методів вакуумного напилення [3-10]:
1. За способом розпилення та формування потоку частинок:
- термічне випаровування (з твердого або розплавленого стану);
- вибухоподібне випаровування;
- іонне розпилення.
2. За енергетичним станом частинок:
- напилення нейтральними частинками (атомами, молекулами) з різною
енергією;
- напилення іонізованими частинками;
- напилення іонізованими прискореними частинками.
3. За умовами взаємодії з газами:
- напилення в інертному розрідженому середовищі або високому вакуумі
(133 × 10⁻³ Па);
- напилення в активному розрідженому середовищі (133–133 × 10-¹ Па).
Вибір методу напилення визначається вимогами до покриттів з урахуванням:
- економічної ефективності;
- продуктивності;
- простоти управління;
- рівня автоматизації.
Найперспективнішими є іонно-плазмові методи, у яких потік частинок
іонізується та стимулюється плазмою. Вони дозволяють досягти високої якості
покриттів та мають широке застосування в сучасних технологіях.

14

1.2.1 Випарники з електронно- променевим нагрівом

Електронна гармата (рисунок 1.2)призначена для створення потоку
електронів. Вона складається з вольфрамового термокатода та фокусуючої
системи. Емітовані електрони прискорюються до 10 кВ завдяки різниці
потенціалів між катодом і анодом, формуючи електронний промінь.
Відхиляюча система створює магнітне поле, яке направляє промінь у
центральну частину водоохолоджувального тигля. У зоні контакту променя з
тиглем виникає локальний нагрів і випаровування матеріалу з рідкої фази [3-7].
Випаровуваний матеріал осідає у вигляді тонкої плівки на підкладці,
розташованій над випарником. Регулюючи струм у котушці відхиляючої
системи, можна змінювати напрямок променя, запобігаючи утворенню
"кратера" на поверхні матеріалу [3-7].
Електронна гармата забезпечує емісію вільних електронів з поверхні
катода, які під дією електростатичних і магнітних полів формуються в пучок і
прямують до робочої камери через вихідний отвір. Для керування параметрами
пучка використовуються магнітні фокусуючі лінзи та відхиляючі системи [3-7].
Рисунок 1.2 Електронно-променева гармата

Проходження електронного пучка до тигля можливе лише за умов
високого вакууму. Бомбардування поверхні пучком нагріває матеріал до
температури, при якій починається його випаровування з заданою швидкістю.
15

Підкладка, розташована в потоці випаруваної речовини, забезпечує
конденсацію матеріалу.
Для керування процесом напилення випарний пристрій оснащується
засобами вимірювання та контролю. У базовій конфігурації електронний пучок
спрямовується на матеріал вертикально або під кутом. Довгофокусні
генератори використовуються для фокусування пучка й забезпечення
необхідної питомої потужності на поверхні матеріалу [3-7].
Однак таке розташування має недоліки, серед яких осідання плівки на
деталях електронно-оптичної системи, що змінює параметри променя, і
обмеження корисної площі для підкладок через затінення технологічної камери
гарматою. Ці проблеми можна вирішити, розмістивши гармату горизонтально,
а напрямок пучка на випаровуваний матеріал забезпечити системами, що
дозволяють змінювати його кут до 270° [3-7].
Електронно-променевий випарник розташовується в камері з вакуумом
порядку (10-4) Па, що дозволяє знизити вплив залишкового газу на електронний
промінь і виключити забруднення плівок. При цьому 30–40% потужності
електронного променя витрачається на плавлення та випаровування матеріалу
(2–10% і 30–35% відповідно). Решта енергії витрачається на теплообмін через
теплопровідність, випромінювання та перенесення електронами. Ефективність
залежить від природи матеріалу та параметрів променя (наприклад, для сталі
відбивається близько 25% енергії, для вольфраму – до 38%).
Недоліки електронно-променевого випаровування [3-7]:
1. Висока прискорююча напруга: близько 10 кВ.
2. Низький ККД: до 25% енергії первинного пучка через витрати на
утворення вторинних електронів.
3. Теплове навантаження: нагрівання тигля, рентгенівське та УФ-
випромінювання.
4. Генерація дефектів: бомбардування плівок вторинними електронами
призводить до радіаційних дефектів.
5. Низька стехіометрія плівок: порівняно з магнетронним напиленням.
16

6. Погана адгезія плівок: через низьку енергію осаджуваних частинок.
7. Статичне зарядження поверхні: можливе пробиття плівки й порушення
адгезії.
8. Невисока продуктивність: метод підходить для специфічних завдань,
але не для масового виробництва.
Переваги електронно-променевого випаровування [3-7]:
1. Широкий спектр матеріалів: можливість нанесення плівок із металів (у
т.ч. тугоплавких), сплавів, напівпровідників, діелектриків із температурою
плавлення до 35000С.
2. Висока швидкість випаровування: 1–10 нм/хв із можливістю
регулювання за рахунок зміни потужності.
3. Чистота покриттів: у вакуумі покриття практично не забруднені, їх
чистота визначається якістю матеріалу для напилення.
4. Рівномірність покриттів: завдяки спрямованості потоку випарованих
атомів.
5. Вільна дифузія атомів: прямолінійний рух у вакуумі без зіткнень із
залишковими молекулами забезпечує високу ефективність напилення.
6. Відсутність хімічних взаємодій: напилювана речовина не взаємодіє із
залишками повітря, що підвищує якість плівок.
Метод особливо підходить для нанесення покриттів із високими
вимогами до чистоти, рівномірності й термостійкості.
Процес електронно-променевого нагрівання базується на використанні
кінетичної енергії електронів, що прискорюються в електричному полі. Основні
етапи і принципи процесу такі [3-7]:
Електрони отримують кінетичну енергію при проходженні через
електричне поле з прискорювальною напругою U (15–20 кВ). При зіткненні
електрона з поверхнею матеріалу його енергія розсіюється у вигляді:
- рентгенівського випромінювання (≈ 0,1% енергії).
- вторинних електронів (≈ 15–30% енергії).
- теплової енергії (основна частка).
17

Електрони проникають у поверхню матеріалу на глибину 1–2 мкм, де
відбувається основне гальмування і виділення тепла. Це робить джерело
теплоти внутрішнім, підвищуючи ефективність нагрівання. Завдяки
концентрації теплоти всередині матеріалу і точному фокусуванню променя,
процес забезпечує швидке і рівномірне нагрівання, що сприяє отриманню
однорідних покриттів. Електронно-променеве нагрівання створює умови для
одночасного випаровування речовин із різною пружністю пари, забезпечуючи
рівномірність покриттів. Потужність електронного променя є ключовим
параметром процесу і регулюється зміною прискорювальної напруги. Це
впливає на кінетичну енергію електронів і, відповідно, на інтенсивність
нагрівання та швидкість випаровування матеріалу [3-7].

Рисунок 1.3 Принципова схема застосування електронно-променевого
нагріву при вакуумному напиленні

18

1.2.2 Іонно-плазмові технології

Іонно-плазмова технологія дозволяє створювати провідні, резистивні,
діелектричні, напівпровідникові та магнітні плівки для мікросхем і має низку
переваг у порівнянні з вакуумно-термічною технологією, особливо важливих
для промислового виробництва [3-27]:
1. Рівномірність плівок на великих підкладках: завдяки великій площі
мішені, яка служить джерелом атомів для осадження, забезпечується
рівномірна товщина плівок навіть на підкладках значних розмірів. Це сприяє
ефективному груповому методу обробки.
2. Довговічність мішені: мішень тривалий час залишається незамінним
джерелом матеріалу, що полегшує автоматизацію процесу та забезпечує його
стабільність.
3. Висока адгезія: плівки мають чудову адгезію до підкладки завдяки
великій енергії атомів, які конденсуються.
4. Осадження тугоплавких металів: процес здійснюється без надмірного
перегріву вакуумної камери.
5. Утворення складних плівок: можливе отримання оксидних, нітридних
та інших плівок у результаті хімічних реакцій між атомами розпилюваного
металу та газами, введеними в камеру.
6. Збереження складу матеріалів: можна наносити сплави й з’єднання без
дисоціації чи фракціонування, зберігаючи їхній вихідний склад.
Методи іонно-плазмового розпилення поділяються на [3-27]:
- іонно-плазмове розпилення на постійному струмі (катодне розпилення);
- магнетронне розпилення;
- високочастотне іонно-плазмове розпилення;
- реактивне іонно-плазмове розпилення.

19

1.2.3 Катодне розпилення
Катодне розпилення є одним із найвідоміших методів нанесення
покриттів, який базується на використанні газового розряду для розпилення
матеріалу мішені й осадження його на підкладку.
Принцип роботи [4-15]:
1. Створення вакууму: Камеру розпилення спочатку відкачують до
розрядження (~10⁻¹…10⁻² Па), після чого напускають інертний газ (зазвичай
аргон) до тиску 1…10 Па.
2. Газовий розряд: Між катодом (мішень) і анодом створюють різницю
потенціалів (0,5–10 кВ), що генерує тліючий розряд.
3. Розпилення: Іони аргону бомбардують поверхню катода, вибиваючи
атоми матеріалу, які осідають на підкладці.
4. Початкове очищення: Для видалення оксидних шарів і
неконтрольованих домішок процес спочатку проводять на заслінці, яка потім
відкривається для нанесення покриття на деталі.
5. Мінімізація втрат енергії: Відстань між катодом і анодом роблять
мінімальною, щоб знизити втрати енергії розпилених атомів.
Реактивне катодне розпилення:
У робочій камері може створюватися хімічно активне середовище (з
киснем, азотом тощо), яке забезпечує утворення на поверхні підкладки сполук,
таких як оксиди, нітриди або карбіди металів.
Переваги методу [10-26]:
1. Швидка зупинка процесу: При припиненні подачі напруги процес
розпилення миттєво завершується.
2. Низький тепловий вплив: Нагрівається лише катод, що мінімізує
термічний вплив на виріб.
3. Розпилення тугоплавких матеріалів: Метод підходить для роботи з
матеріалами, які важко випарувати.
4. Універсальність: Можливість отримання покриттів із різним хімічним
складом (включаючи сполуки).
20

5. Рівномірність покриттів: Забезпечується висока однорідність
нанесення.
6. Збереження складу: Покриття зберігає стехіометричний склад мішені.
Недоліки методу [10-26]:
1. Низька швидкість осадження: Максимальна швидкість досягає лише 1
нм/с.
2. Невисока енергія частинок: Це знижує адгезію покриттів.
3. Забруднення газовою фазою: Покриття можуть містити домішки атомів
газу.
4. Радіаційні дефекти: Високоенергетичні електрони й іони спричиняють
дефекти в структурі покриттів.
1
2
7
3
14
5
6
8
8 7
7 9
9
а) б)
1
2 5
7
3 5
1
2
4
4
3

8
6 2
7 8
9 9
в) г)
Рисунок 1.4 Принципові схеми систем катодного розпилення: а) діодна;
б) діодна зі зміщенням; в) тріодна; г) з автономним іонним джерелом: 1 –
камера; 2 – підкладкотримач; 3 – деталі (підкладки); 4 – мета; 5 – катод; 6 –
екран; 7 - джерело живлення (постійного струму або високочастотний); 8 –
підведення робочого газу; 9 – відкачування; 10 – термокатод; 11 – анод; 12 –
іонне джерело [4]
Шляхи покращення якості покриттів [5, 8-15]:
21

1. Підвищення температури підкладки. Температуру підтримують у
межах 400…500 0С для зменшення забруднень і підвищення адгезії.
2. Іонне бомбардування: подача негативного потенціалу на підкладку або
використання додаткових іонних джерел забезпечує формування щільніших і
однорідніших покриттів.
3. Контроль напруги: уникнення високих напруг дозволяє мінімізувати
нерівномірність покриттів через селективне розпилення.
Через низьку швидкість осадження катодне розпилення використовують
здебільшого для нанесення тонких захисних і антифрикційних покриттів на
прецизійні деталі.
Катодне розпилення є високоточним і універсальним методом нанесення
покриттів, що забезпечує рівномірність і точність. Однак обмеження у
швидкості осадження та можливість забруднення покриттів потребують
особливих заходів для оптимізації процесу, таких як підвищення температури
підкладки або застосування іонного бомбардування.

1.2.4 Магнетронне розпилення

Магнетронне розпилення є різновидом діодного катодного розпилення,
при якому утворення парів речовини відбувається внаслідок бомбардування
мішені іонами робочого газу, що утворюються у плазмі аномального тліючого
розряду. Для створення умов ефективного розпилення під мішенню
розташовуються постійні магніти, які формують магнітне поле, майже
паралельне поверхні катода [10-17].
22

Рисунок 1.5 Схема магнетронної системи [17]
Основні принципи роботи:
Між катодом і анодом запалюється аномальний розряд, вибиваючи
електрони з катода. Електрони, під дією сили Лоренца, рухаються по
спіралеподібній траєкторії в магнітному полі, створюючи додаткову іонізацію
інертного газу (зазвичай аргону). Це підвищує інтенсивність іонного
бомбардування катода. Іони газу, що утворюються, бомбардують поверхню
мішені, спричиняючи її розпилення і перетворення речовини на пари [10-13].
Основні характеристики:
-Робоча напруга: 300–700 В (не перевищує 1000 В).
- Тиск газу: 10-2–1 Па.
- Індукція магнітного поля: 0,03–0,1 Тл біля поверхні мішені.
- Швидкість розпилення: 4–40×10⁻⁵ г/(см²•с).
- Швидкість осадження: 50–60 нм/с.
- Енергія частинок: 10–20 еВ.
Переваги методу [12-22]:
1. Висока швидкість осадження: значно швидший процес у порівнянні з
іншими методами нанесення покриттів.
23

2. Мінімальний нагрів підкладки: завдяки захопленню вторинних
електронів магнітним полем виключається їхній вплив на підкладку. Це
дозволяє працювати з термічно нестійкими матеріалами (пластмаси, полімери,
папір).
3. Рівномірність покриттів: гарантується висока однорідність товщини
плівки.
4. Чистота процесу: низький ступінь забруднення завдяки роботі при
низькому тиску (~10-2 Па).
Реактивний метод передбачає взаємодію атомів розпиленої мішені з
реактивним газом (наприклад, киснем чи азотом), що утворює оксиди, нітриди
або карбіди.
Особливості: частина реактивного газу зв’язується речовиною мішені,
решта — осаджується на підкладці, при низькому тиску реактивного газу
реакція відбувається на підкладці, а за високого — на поверхні мішені, що
знижує швидкість розпилення.
Існують системи, які поєднують іонне розпилення та термічне
випаровування. Наприклад, у випадку використання рідкого металу як мішені,
значно підвищується продуктивність та коефіцієнт використання матеріалу.
Магнетронне розпилення є одним із найефективніших методів нанесення
покриттів, що поєднує високу швидкість, рівномірність, чистоту процесу та
мінімальне нагрівання підкладки. Його особливості та гнучкість відкривають
широкі можливості для застосування в промисловості, особливо в роботі з
термічно чутливими матеріалами [15-22].

1.3 Метод катодно-інного бомбардування

Метод катодно-іонного випаровування (КІБ) базується на утворенні
плазмового потоку металу за допомогою вакуумної дуги з холодним катодом,
прискорення цього потоку через подачу негативного потенціалу на інструмент,
і конденсації іонів і нейтральних атомів на його поверхні. Одночасно
24

відбувається плазмохімічна реакція між металевим потоком і введеним до
вакуумної камери газом-реагентом. Це дозволяє отримувати покриття з
нітридів, карбідів та інших сполук металів IV–VI груп [16-22].
Електродуговий випарник складається з таких основних елементів [16-
22]:
- катод: виготовлений із матеріалу, що розпилюється.
- анод: масивна протидіюча електродна частина.
- електромагнітна котушка: прискорює частинки та фокусує потік.
- запалювальний пристрій: створює початковий розряд.
Етапи роботи [16-22]:
1. Запалювання дуги: початковий розряд виникає між катодом і
допоміжним електродом. Далі розряд переходить у дугу між катодом і анодом.
2. Формування катодних плям: локальні зони високої щільності струму
(10⁵–10⁷ А/см²) розпилюють матеріал катода, генеруючи іони, пари та
крапельну фазу.
3. Осадження: потік іонізованих частинок направляється до підкладки, де
формується покриття.
Фазовий склад: sонізована та парова фаза переважає на тугоплавких
матеріалах (частка крапельної фази <1%). Крапельна фаза досягає десятків
відсотків для легкоплавких матеріалів.
Енергія іонів: варіюється залежно від матеріалу катода й може бути
збільшена за рахунок прикладення додаткового потенціалу.
Попередня дегазаці зменшує крапельну фазу шляхом видалення газів із
катодного матеріалу. Використання спеціальних пристроїв знижує кількість
крапельної фази у покриттях.
25

До
насосів
П
одача
Рисунок 1.6 Схема нанесення покриттів з плазми розряду електродуги з
холодним катодом(метод КІБ): 1 - корпус вакуумної камери(анод); 2 -
оброблювані деталі; 3 - електромеханічний підпал дуги; 4 - джерело живлення
дуги; 5 - електромагніт; 6 - джерело живлення для подання негативного
потенціалу на підкладку; 7 - напилюваний матеріал(катод) [13].

Переваги методу КІБ [16-22]
Універсальність: yанесення покриттів із будь-яких металів (у тому числі
тугоплавких, таких як вольфрам чи молібден). Формування хімічних сполук
(нітридів, карбідів, оксидів).
Висока адгезія:
Ефективне очищення поверхні перед нанесенням покриття.
Бомбардування іонами забезпечує щільне зчеплення покриття з основою.
3. Збереження вихідних властивостей:
Низькотемпературний процес мінімізує нагрівання деталей, дозволяючи
обробляти матеріали з низькою термостійкістю.
4. Контроль параметрів:
Можливість керування властивостями покриттів (твердість, пластичність
тощо).
26

Недоліки методу КІБ [16-22]
1. Чутливість до параметрів: покриття залежить від багатьох
технологічних факторів (тиск, енергія іонів, склад газу).
2. Крапельна фаза: залишається значною проблемою для легкоплавких
матеріалів, оскільки викликає мікродефекти в покритті.
3. Складність обробки дрібних деталей: використання методу для
малогабаритного інструменту обмежене.
Метод КІБ дозволяє створювати тугоплавкі хімічні сполуки завдяки
введенню активних газів (азоту, кисню) у плазму металу. Це дає змогу
отримати нітридні, карбідні та оксидні покриття.
Метод активно використовується для нанесення захисних і зносостійких
покриттів у галузях:
- машинобудування
- інструментальна промисловість
- електроніка
Електродугове випаровування є ефективним і універсальним методом
нанесення покриттів, що забезпечує високу якість і надійність покриттів із
широким діапазоном хімічного складу. Недоліки, зокрема утворення
крапельної фази, долаються за рахунок технологічних вдосконалень, таких як
дегазація катода й сепарація частинок.

1.4 Властивості тонких покриттів на основі нітридів перехідних металів

Основною властивістю нітридів є їхня висока твердість. Твердість як
характеристика матеріалів відображає енергію зв'язків між атомами та
симетрію структури, а також виступає деформаційною характеристикою. Вона
зумовлена типом і розподілом зв'язків у сполуці: чим більша енергія
кристалічної решітки, теплота утворення та енергія атомізації, тим вища
твердість. Велика енергія міжатомної взаємодії також сприяє підвищенню
27

твердості. Крім того, твердість корелює з модулем пружності, адже напруга,
необхідна для руху дислокацій, пропорційна модулю пружності. Ця властивість
пов’язана зі специфікою електронної будови матеріалу [17, 18].
Тугоплавкі сполуки d-перехідних металів IV–VI груп з азотом, вуглецем і
киснем найчастіше застосовують як зносостійкі покриття [16]. Їхні
кристалохімічні особливості пояснюють це [17, 18]:
1. Недостатність електронів на внутрішніх s-, p- і d-орбіталях у таких
металів дозволяє їм легко приймати електрони від міжвузлових атомів C, N та
O.
2. Великі атомні радіуси цих металів дозволяють утворювати сполуки, які
відповідають правилу Хегга. Згідно з ним, відношення радіуса атома неметалу
до радіуса атома металу повинно бути меншим за критичне значення 0,59. Для
металів IV групи (Ti, Zr, Hf) це правило витримується, що забезпечує прості
структури з переважанням зв’язків метал-метал, а атоми неметалів
розташовуються в металевій решітці.
3. Широкі області гомогенності цих металів дозволяють змінювати
фізико-механічні властивості їхніх сполук залежно від вмісту C, N або O.
4. Високі температури плавлення характерні для сполук із простою
кубічною структурою типу NaCl (ZrC, ZrN, TiN, VC, TaC).
Нітрид титану (TiN) — це сполука титану з азотом, яку отримують
шляхом азотування титану при температурі 12000C. Покриття з TiN має
товщину близько 3 мікрон і характеризується високою твердістю (~85 HRC).
Це покриття має численні переваги [17, 18]:
- запобігає утворенню задирок і налипанню матеріалу на ріжучі кромки,
що підвищує якість обробки.
- є універсальним для роботи з чавуном і низьковуглецевими сталями.
- подовжує термін служби інструменту, виконуючи роль механічного,
термічного й хімічного бар’єру.
- служить економічною альтернативою AlTiN у випадках, де не потрібна
висока продуктивність.
28

Переваги покриття нітридом титану
Властивості та особливості нітрид-титанового покриття
Інструменти з нітрид-титановим покриттям мають стійкість до корозії,
механічних пошкоджень та окислення. Важливо, щоб базовий матеріал
інструменту був якісно виготовлений ще до нанесення покриття, а догляд за
інструментом здійснювався відповідно до інструкції [17, 18].
Покриття знижує коефіцієнт тертя поверхні інструменту в 2-3 рази, що
підвищує ефективність його роботи.
Завдяки алмазоподібній структурі покриття, інструменти з нітридом
титану можуть працювати до 10 разів довше порівняно зі звичайними.
Покриття має характерний золотий блиск, відтінок якого може
змінюватися від темно-золотого до білого золота залежно від співвідношення
металу та азоту в складі [17, 18].
Особливості структури та властивостей TiN: залежність властивостей від
кількості азоту( широка область гомогенності TiN зумовлює значну зміну
характеристик покриття залежно від кількості азоту в з'єднанні). При високих
швидкостях осадження утворюється дрібнозерниста метастабільна структура,
тоді як низькі швидкості сприяють формуванню лускової структури [17, 18].
Твердість плівок TiN коливається від 20 до 40 ГПа залежно від вмісту
азоту та особливостей структури. Конденсоване покриття TiN має значні
внутрішні напруження, які сприяють підвищенню його твердості. Напруження
можуть досягати 10⁹–1010 Па. Параметр решітки стехіометричного TiN
зазвичай становить 0,425 нм (у масивному TiN – 0,424 нм). Цей параметр
змінюється залежно від вмісту азоту, товщини плівки та рівня внутрішніх
напружень. Нітрид титану залишається одним із найпоширеніших матеріалів
для покриттів завдяки поєднанню механічної міцності, зносостійкості та
можливості регулювання властивостей залежно від умов експлуатації [17, 18].

29

Висновки розділу 1
В першому розділі було проведено аналіз сучасних методів нанесення
зносостійких покриттів на пластини ріжучого інструменту. В результаті
літературного огляду було встановлено,що оптимальним методом для
нанесення захисних покриттів є вакуумне іонно-плазмове напилення.

30

РОЗДІЛ 2. ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ПОКРИТТІВ

2.1 Установка вакуумного напилення "Булат" 6

Установка для нанесення багатошарових та композиційних покриттів на
основі тугоплавких металів є важливим елементом у сучасному виробництві,
особливо в галузях, що потребують підвищених характеристик зносостійкості,
корозійної стійкості та термічної стабільності [27]

Таблиця 2.1 Основні технічні характеристики установки “Булат- 6”[27]
максимальна потужність установки, кВт до 42
напруга живлення, В 380
частота напруги живлення, Гц 50
максимальна площа поверхні, що напилюється дм2 25
швидкість осадження покриття одним джерелом плазми на 15...50
нерухому основу при номінальному режимі на відстані 50
мм від зрізу аноду, мкм/год
струм дуги, А до 150
регулювання струму дуги, плавно, А 80...150
напруга холостого ходу випрямляча іонного 1,7
бомбардування, кВ, не менше
кількість джерел плазми 3
діаметр потоку плазми на виході з джерела, мм 200
робочий тиску камері, Па 2,6·10-3
6,5·10-1
час відкачування камери до тиску 1,3 Па паромастильним до 20
вакуумним насосом
максимальні розміри деталі, що напилюється, мм: діаметр 400
31

Рисунок 2.1 Установка вакуумного напилення "Булат" 6

32

Випарник електродуги є основним вузлом установки і служить для
створення і підтримки вакуумного розряду електродуги. Випарник (рис. 2.3)
складається з водоохолоджуваного корпусу, в якому встановлюється електрод,
що виготовляється з випаровуваного матеріалу, фокусуючої електромагнітної
котушки, пристрою для підпалу дуги і системи електростатичних екранів, що
утримують пляма дуги на торці електроду. [27]

Рисунок 2.2 Електрод струмопровідний

Електрод струмопідвідний (рисунок 2.2) складається з:
1- вічко. Для контролю температури на тримачі (У вічко можна
встановлювати скло з комплекту пірометра, попередньо знявши кільце);
2- утримувач. Виконаний у вигляді водоохолоджуваної струмопідвідної
труби, до якої підводиться напруга (На тримачі є екран, що перешкоджає
33

збіганню дуги);
3-котушка фокусуюча;
4-котушка стабілізуюча;
5 корпус. Виконаний у вигляді циліндра, що охолоджується, на торці
якого, через фланець укріплений тримач;
6- ізолятор;
7 - сосок для підведення, відведення води;
8 - кожух захисний;
9-катод змінний, встановлюється в тримачі, виконаний з матеріалу, що
залежить від покриття, що наноситься.

Рисунок 2.3 Фото випарника електро-дугового (а) і принципова схема (б)
електродугового випарника: 1- тримач; 2- корпус водоохолоджувальний; 3-
стабілізуюча котушка; 4- фокусуюча котушка; 5- катод(мішень); 6- підложка; 7-
підпалювач; 8- діелектричний струмообмежувальний елемент [27].

Описана система дугового випарника використовується для нанесення
тонких плівок методом катодного випаровування. Нижче наведено основні
характеристики та принцип роботи системи[27]:
34

1. Конструкція катодного вузла дугового випарника:
Катодотримач (1): Струмопровідний циліндр, оснащений каналами для
водяного охолодження, що забезпечує стабільність температури під час роботи.
- Анод: Водоохолоджувальний корпус, виконаний у формі циліндра.
- Змінний катод (5): Усічений циліндр з електропровідного матеріалу,
який випаровується і утворює перехідний шар.
- Підпалюючий електрод (6): Використовується для ініціювання дугового
розряду. Він оснащений струмообмежувальним елементом, який запобігає
надмірному навантаженню на систему під час запуску.
2. Ініціювання дугового розряду:
- процес запалювання:
- на підпалюючий електрод подається високовольтний імпульс (до 10 кВ,
тривалість ~10⁻⁶ с).
- внаслідок пробою тонкої струмопровідної плівки, осадженої на
керамічній вставці (вкладиші), ініціюється катодна пляма.
- катодна пляма з’являється на бічній поверхні катода, а потім
переміщується на його торцеву поверхню.
Початкове нанесення провідного шару: При первинному запуску на
керамічну вставку наносять графітовий шар для забезпечення провідності.
3. Роль магнітного поля:
- котушки (3, 4):
- створюють поздовжнє магнітне поле, яке стабілізує рух катодної плями.
- поле забезпечує контрольоване хаотичне переміщення катодної плями,
що сприяє рівномірному випаровуванню матеріалу катода.
- фокусування плазмового потоку: Магнітні котушки направляють потік
випаруваного матеріалу до підкладки, формуючи рівномірне покриття.
4. Робота дугового випарника:
- після ініціювання дугового розряду катодна пляма випаровує матеріал з
поверхні катода.
- продукти ерозії розлітаються у вакуумній камері й осідають на
35

поверхню оброблюваних деталей, формуючи покриття товщиною 1–10 мкм.
- випаровування контролюється магнітним полем, яке запобігає
нерівномірному переносу матеріалу.
Така конструкція та принцип роботи забезпечують високу ефективність
та універсальність процесу катодного випаровування для різноманітних
промислових застосувань.

Рисунок 2.4 Зовнішній вигляд катода

Джерело живлення зміщення підложки

Дане джерело живлення, призначене для подачі напруги зміщення на
підложку, має важливе значення у багатьох процесах нанесення покриттів, ос
особливо в методах, де використовується фізичне або хімічне осадження з
парової фази. Ось детальніше про його роботу, режими і функції[27]:
Основні режими роботи[27]
1. Високовольтний режим: Генерація імпульсів: У цьому режимі джерело
живлення генерує імпульси напруги негативної полярності, що дозволяє
досягати специфічних характеристик покриттів. Регульована частота: Зміна
частоти імпульсів дозволяє контролювати процеси адсорбції і відшаровування
частинок на підложці, що впливає на структуру та властивості отримуваних
покриттів. Це також може варіюватися в залежності від виду матеріалу, який
наноситься. Цей режим часто використовується для створення потужних
36

енергетичних станів, які сприяють формуванню змішаної фази покриттів, що
покращує їх механічні властивості.
2. Низьковольтний режим: Імпульси постійної частоти (40 кГц): У цьому
режимі джерело живлення забезпечує стабільну частоту, що дозволяє отримати
більш контрольоване і однорідне покриття. Низьковольтний режим більш
підходить для нанесення чутливих матеріалів або для процесів, де важливо
уникнути перегріву або пошкодження підложки [27].

Таблиця 2.2 Основні параметри джерела живлення зміщення підложки [27]
Параметр Значення
Режим Високовольтний Низьковольтний
Вхідна напруга 3-хфазна мережа 380/220 В, 50 Гц
Номінальна потужність 8 кВт 8 кВт
Тип вихідної напруги Імпульсно-періодичне з Імпульсно-періодичне з
регулюємою частотою постійною частотою
Діапазон вихідної (1.2- 7.5) кВ (100 - 750) В
напруги
Стабілізація Напруга Напруга
Діапазон частоти (20 -1000) Гц
імпульсів
Довжина імпульса 30мкс 15мкс
Амплітуда струму 10 А 15 А
Амплітуда струму 15 А
спрацювання
дугогасіння
Час спрацювання 3 мкс

37

Стійка управління
Стійка управління, є важливим елементом у системах, що потребують
точного управління процесами, такими як вакуумна обробка, подача
електроживлення та газонапуск. Ось детальніший розгляд її структури та
основних функцій[27]:
Триповерхова конструкція дозволяє ефективно організувати та
розподілити різні компоненти стійки, що сприяє зручності обслуговування та
доступу до всіх функцій.
Електророзподільча частина (перші два поверхи) має автоматичні
вимикачі, які потрібні для захисту обладнання від перевантажень та короткого
замикання. Погоджуючі трансформатори знижують або підвищують напругу
для досягнення необхідних рівнів живлення. Клемні зажимз абезпечують
надійне підключення кабелів, що входять до стійки, для електричних з'єднань.
Запобіжники забезпечують додатковий захист, який відключає ланцюги у разі
аварійної ситуації. Перетворювачі частоти використовуються для регулювання
частоти радіочастотних сигналів, що особливо важливо в системах, що
потребують специфічних умов роботи. Фільтри придушення перешкод
зменшують електромагнітні завади, що можуть впливати на роботу обладнання
та систем.

Рисунок 2.5 Зовнішній вигляд стійки управління:1- пульт управління
джерелами живлення магнетрона і іонного джерела, 2- пульт управління
38

джерелами живлення зміщення підложки, 3,4- універсальні блоки для
вимірювання тиску і напуску газу в робочу камеру, 5- панель управління
системою автоматичної і ручної відкачки вакуумної камери, 6- аварійна кнопка
[27].

2.2 TiN покриття: властивості, структура, особливості, застосування.

Тугоплавкі сполуки титану відрізняються широким спектром
функціональних властивостей, серед яких висока корозійна стійкість в різних
агресивних середовищах. [26]
1. Фази покриттів TiN і Ti₂N
- Ti₂N: Має гексагональну кристалічну решітку та формується у вузькому
діапазоні тиску азоту (≈0,01 Па). У поєднанні з α-Ti або TiN демонструє
максимальну твердість, але високу крихкість, що обмежує застосування.
- TiN: Структура типу NaCl (B1), яка утворює гранецентровану кубічну
решітку. Вміст азоту (стехіометрія x) варіюється в межах 0,6–1,2, що впливає на
механічні властивості та стабільність покриття.
2. Характеристики покриттів TiN
- твердість: Мікротвердість монофазного TiN становить ≈25 ГПа, що
забезпечує високу зносостійкість.
- структура: Плівка має стовпчасту морфологію з ниткоподібними
зернами діаметром 25–70 нм, витягнутими в напрямку росту.
- коефіцієнт тертя:
- на хромовій сталі: 0,2–0,8 (залежно від вологості та температури).
- на вуглецевій сталі: ≈0,9 при кімнатній температурі.
- зі збільшенням температури (>600 °C) коефіцієнт тертя зростає до 1,1–
1,2.
3. Вплив тиску азоту
- низький тиск (≈0,01 Па): утворюється суміш фаз Ti₂N та TiN або Ti₂N та
α-Ti. Покриття демонструє максимальну твердість, але крихкість.
39

- високий тиск (≈1 Па): формуються монофазні покриття TiN, які є
стійкими до зносу при різанні та ерозії. Зменшується кількість і розміри
крапельних фаз.
4. Застосування та переваги TiN-покриттів
- зносостійкість: ефективні при обробці конструкційних сталей, чавунів,
бронз тощо.
- стійкість до температур: використовуються на інструментах, які
працюють при температурах ріжучої кромки до 400–500 °C.
- хімічна стабільність: покриття стійке до корозії, випаровування та
хімічного впливу.
TiN-покриття є універсальними для різноманітних оброблюваних
матеріалів. Висока твердість, зносостійкість та хімічна стабільність роблять їх
незамінними для інструментів, що працюють в умовах інтенсивного
абразивного зносу. Особливо перспективними є нестехіометричні покриття TiN
з оптимальним вмістом азоту (~40%) і твердістю близько 25 ГПа.

2.3 Технологічний процес нанесення покриттів

Технологічний процес підготовки поверхонь і нанесення покриттів
демонструє важливість дотримання ретельності на кожному етапі для
забезпечення якості та надійності покриття. Основні етапи та вимоги цього
процесу викладені нижче:
1. Етапи підготовки поверхонь
Механічна підготовка: використовується мокра або суха абразивна
обдувка стисненим повітрям під тиском 0,1–0,6 МПа. Мета – видалення
окалини, задирок, оксидів та інших дефектів.
Знежирення: видалення жирів проводиться залежно від їх природи.
Використовуються розчини лугів або солей для перетворення жирів у
40

водорозчинні мила. Перед завантаженням у вакуумну камеру поверхню
протирають етиловим спиртом.
Іонне очищення: проводиться в установках нанесення покриттів у
єдиному технологічному циклі. Використовується газ-аргон, який забезпечує
ефективне очищення поверхонь.
2. Нанесення покриття
Швидкість нанесення: залежить від параметрів системи (струм, напруга
розряду, тиск газової суміші). Вона становить 0,05–0,1 мкм/хв.
Товщина покриття: час нанесення визначається необхідною товщиною.
Покриття формують товщиною 1–10 мкм залежно від призначення.
Охолодження: після нанесення деталі охолоджуються у вакуумі протягом
5–40 хв залежно від маси виробів.
3. Контроль якості покриттів
Контроль підготовки поверхонь: проводиться за стандартом ГОСТ 9.402-
80.
Приймальний контроль: контролюють кожну партію деталей одного типу,
покритих у спільному циклі. Вибірка становить 0,05–3% від партії, але не
менше 3 деталей.
Перевірка товщини: здійснюється оптичним методом за ГОСТ 9.302-79.
Візуальна оцінка: проводиться на відстані 25 см при освітленості не
менше 300 лк. Порівнюється з еталонними зразками.
Міцність зчеплення:відповідно до ГОСТ 9.302-79.
Корозійна стійкість згідно з технічними умовами на виріб.
Зносостійкість: за ГОСТ 9.302-79.
Дії при незадовільних результатах: повторний контроль на подвоєній
вибірці деталей. У разі повторного незадовільного результату вся партія
бракується.
4. Важливість підготовки
Якість покриття: ретельна підготовка поверхні забезпечує максимальне
зчеплення покриття з основою, що впливає на довговічність і надійність.
41

Контрольованість процесу: записи в робочому журналі гарантують
виконання технологічних операцій згідно з вимогами.
Технологія підготовки поверхонь і нанесення покриттів є універсальною і
широко застосовується в таких галузях, як машинобудування, аерокосмічна
промисловість, виробництво інструментів. Дотримання стандартів і контроль
якості гарантують надійність покриттів навіть у складних умовах експлуатації.
Оптимальні температурні умови нанесення покриттів на швидкорізальний
інструмент представлені на рис. 1.6 [24-26].
Т
Э I Э I Э I
, тап тап I тап II
0
С

Рис. 2.6 Оптимальні температурні умови нанесення покриттів на
швидкорізальний інструмент методом: 1 - безперервний нагрів; 2 - циклічний
нагрів.

Таблиця 2.3 Технологічний процес осадження покриттів на установці
«Булат -6» [27]
42

№ Назва операції Зміст операції
п/п
1 2 3
1 Завантаження 1.1Завантаження оснащення із зразками
зразків, нагрів і підготовленими відповідним чином в вакуумну
відкачування камеру.
вакуумної камери 1.2Відкачування вакуумної камери форвакуумним,
а потім дифузійним насосами (перемикання з
форвакуумного на диф., насос проводити при
тиску 10-1 Па.)
1.3 Прогрівання камери гарячою водою.
2 Очистка поверхні 2.1 Відкачування камери до тиску 2,6...6,5·10-3 Па.
зразків іонним 2.2 Вимкнення прогріву камери і включення
травленням в системи охолодження.
газовому розряді 2.3 Подача на зразки напруги зсуву (≥ 1000 В).
2.4 Паливний напуск аргону до слабкого світіння
2.5 виокремлення зразків ≥ 1 хв.
2.6 Підвищення тиску аргону до появи слабких
іскрових розрядів.
2.7 Зменшення тиску аргону до зникнення
розрядів.
2.8 Витримка інструментів ≥ 1 хв.
2.9 Підвищення тиску до 1 Па, поки не зникнуть
разряди
2.10 Витримка зразків ≥ 5 хв.
2.11Відкачування камери до тиску 2,6...6,5·10-3 Па.
2.12 Збільшення зміщення напруги до значення,
що на 20% перевищувало подачу на зразки
напруги зсуву.
2.13 Повторення пп. 2.4 - 2.10.
2.14 Припинення подачі аргону і вимикання
напруги зсуву.
2.15 Відкачування камери до тиску 2,6·10-3 Па.
2.16 Температура нагріву зразків не повинна
перевищувати температуру відпуску товарів
зразка.

43

Продовження таблиці 2.3
1 2 3
3 Очистка поверхні 3.1 Подача на зразки напруги зсуву 1000-14000В.
інструмента 3.2 Включення випарника і встановлення
бомбардуванням мінімального допустимого значення струму дуги.
іонами металу і 3.3 Іонне бомбардування поверхні зразків шляхом
нагрів до робочих періодичного включення і відключення струму
температур дуги (час горіння на початковій стадії 2с, перерва
20 ... 60с.)
3.4 Відновлення вакууму в камері> 1,1·10-2 Па.
3.5 Повтор пп. 3.3 і 3.4 до повного зникнення
мікро дуг на поверхні оброблюваних зразків.
3.6 Попередньо прогрів зразків при безперервному
горінні дуги і тиску камери 6,7·10-3 Па.
3.7 Подача реакційного газу (Азот) і створення
тиску 6,7 ·10-2 Па.
3.8 Остаточний прогрів зразків іонними
реакційного газу і металу.
3.9 Контроль температури нагріву за допомогою
приладів.
4 Нанесення покриття 4.1 Вимкнення випарників.
4.2 Відключення високої напруги і подача на
зразки напруги в межах 40-350В.
4.3 Включення випарників
4.4 Подача реакційного газу і установка його
робочого тиску 1,1·10-1 Па.
4.5 Установка струму дугового випарника в межах
70-150А (в залежності від катода, і матеріалу
зразка)
4.6 Включення механізму обертання оснащення
при необ-хідності.
4.7 Конденсація покриття протягом часу, що
встановлюється в залежності від необхідної
товщини покриття.
5 Охолодження і 5.1 Вимкнення випарників.
вивантаження 5.2 Витримка зразків протягом 1 хв при робочих
зразків опорній напрузі і тиску газу.
5.3 Виключення напруги, припинення подачі газу
в камеру, вимикання механізму обертання.
5.4 Охолодження зразків у вакуумній камері до
температури

44

2.4 Вимірювання мікротвердості покриттів

Детальний опис процесу вимірювання мікротвердості тонких покриттів за
допомогою мікротвердоміра «ПМТ-3М» містить основні етапи підготовки
зразка, виконання вимірювань та обробки отриманих даних. Нижче наведено
коротку характеристику цього процесу [29]:
1. Методика вимірювання мікротвердості:
Принцип роботи: вдавлення алмазної піраміди в поверхню зразка з
подальшим вимірюванням розмірів відбитка (діагоналей). На основі цих даних
розраховується число твердості як відношення навантаження до площі
відбитка.
- Підготовка зразка: зразок фіксується на тонкому шарі пластиліну для
забезпечення перпендикулярного розташування поверхні щодо напрямку
вдавлення. Це знижує похибку та запобігає утворенню неправильних відбитків.
2. Процедура вимірювання:
- Вибір місця відбитка: відбиток наноситься в зоні, де відстань до межі
шару чи інших відбитків перевищує трикратну довжину діагоналі відбитка.
- Фіксація зразка: зразок розташовується на предметному столику
приладу так, щоб вибрана зона знаходилася під об'єктивом мікроскопа.
- Нанесення відбитка: алмазна піраміда опускається під визначеним
навантаженням (залежно від параметрів досліджуваного покриття). Тривалість
вдавлення становить 5–8 секунд, витримка під навантаженням – 5 секунд.
3. Вимірювання та розрахунок:
- Вимірювання діагоналей: здійснюється за допомогою окуляра-
мікрометра при збільшенні 487×. Для цього перехрестя мікрометра підводять
до кінців діагоналі, виконують відлік положення за шкалою та обчислюють
різницю (довжину діагоналі).
- Середнє значення: розраховується середня довжина діагоналі для
точнішого визначення площі відбитка.
- Число твердості: визначається за спеціальними таблицями або
45

формулами, що враховують навантаження та площу відбитка.
4. Точність і відтворюваність:
- Забезпечується правильним розташуванням відбитка в центрі поля зору,
плавним опусканням піраміди та точним відліком положень перехрестя
мікрометра.
5. Значення методики:
Вимірювання мікротвердості тонких покриттів дозволяє оцінити:
- якість покриття.
- структурну однорідність.
- механічну стійкість покриття до навантажень.
Методика є стандартною для дослідження фізико-механічних
властивостей тонких шарів і широко використовується в матеріалознавстві для
контролю якості покриттів.

Рисунок 2.7 Схема вимірювання довжини діагоналі відбитка: а -
положення перехрестя окуляр-мікрометра у правого кінця діагоналі, б -
положення перехрестя окуляр-мікрометра у лівого кінця діагоналі; 1 - рухливе
перехрестя, 2 - нерухома шкала окуляра, 3 - бі-штрих [29]

46

Рисунок 2.8 ПМТ-3 Рисунок 2.9 Слід відбитка
пірамідки
Прилади для визначення мікротвердості забезпечують можливість
вибору ділянки мікроструктури, де буде проведено вдавлення; завдяки малим
розмірам відбитка можна вимірювати мікротвердість окремих фаз або навіть
окремих зерен. [29]
Вимірювання мікротвердості проводять відповідно до вимог ДСТУ ISO
6507-1-2007 «Метали і сплави. Вимірювання твердості по Вікерсу». [29]

47

Висновок до розділу 2
В другому розділі було розглянуто вакуумне обладнання для іонно-
плазмового напилення, джерело живлення зміщення підложки, пристрій і
робота установки "Булат 6", іонно-плазмовий випарник, розглянуто прилад та
методику вимірювання мікротвердості, наведено технологічний процес
отримання покриттів.

48

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

3.1 Дослідження отриманих покриттів

Було проведено дослідження з впливу параметрів плазмового на
структуру, фазовий і елементний склад, а також фізико-механічні
характеристики тонких покриттів нітриду титану (TiN), нанесених на підкладки
зі сплаву Р6М5 за допомогою вакуумно-дугового осадження.
Режими осадження:
1. Параметри процесу:
- тиск робочого газу (азот) pN₂ = 0,03 Па.
- струм дугового випарника Iд = 80 А.
- відношення щільності іонного струму газової та металевої компонент
(jp / Jд) змінювали від 0 до 1,4.
2. Колір покриття:
- jp / Jд = 0–0,6: Золотий колір.
- jp / Jд > 0,6: Колір набуває червонуватого відтінку.
- jp / Jд = 1,4: Мідно-золотий колір.
Зміна параметра jp / Jд суттєво впливає на ці характеристики, що
обумовлено модифікацією фазового складу та структури покриття при зміні
співвідношення іонного струму газової і металевої компонент.
Відношення jp / Jд визначає фазовий склад покриття та розмір зерен.
Високі значення твердості та модуля Юнга спостерігаються при певному
співвідношенні іонного струму, що забезпечує оптимальний баланс між
газовою та металевою фазами. Перевищення оптимальних параметрів може
призводити до погіршення характеристик через надлишкову фазу газу.
Регулювання параметра jp / Jд дозволяє адаптувати властивості покриття під
конкретні вимоги, наприклад, для підвищення твердості чи зносостійкості.

49

Таблиця 3.1 Характеристики TiN покриття в залежності від вакуумно-
дуговогорежиму
jp/jд Колір H, ГПа E, ГПа
0 Золотий 18 260
0,15 Золотий 20 265
0,3 Золотий 22 316
0,6 Золотий 23 340
1,0 Рожево-золотий 26 370
1,4 Мідно-золотий 30 390

Н, ГПа
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0
15 17 19 21 23 25 27 29 31
jp/jд

Рисунок 3.1 Залежність мікротвердості від параметрів jp/ jд

50

Е, ГПа
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0
250 270 290 310 330 350 370 390 410
jp/jд

Рисунок 3.2 Залежність модуля Юнга від параметрів jp/ jд

12
10
8
6
4
2
0 1 2 3 4 5 6
h, мкм

Рисунок 3.3 Залежність мікротвердості композиції "покриття - підкладка"
від глибини індентування для часу 20 хв. осадження TiN покриттів
Нц, ГПа
51

18
16
14
12
10
8
6
4
2
0 1 2 3 4 5 6
h, мкм

Рисунок 3.4 Залежність мікротвердості композиції "покриття - підкладка"
від глибини індентування для часу 40 хв. осадження TiN покриттів

24
22
20
18
16
14
12
0 1 2 3 4 5 6
h, мкм

Рисунок 3.5 Залежність мікротвердості композиції "покриття - підкладка"
від глибини індентування для часу 60 хв. осадження TiN покриттів
Як видно з наведених графіків значення мікротвердості TiN покриттів з
перебігом часу осадження з 20 до 60 хв. Призводить до підвищення
мікротвердості покриття більш ніж у 4 рази.
Нц, ГПа Нц, ГПа
52

25
20
15
10
5
0
0.025 0.05 0.075 0.1 0.125
Навантаження на індектор, Н

Рисунок 3.6 Залежність мікротвердості покриття з нітрид титану від
навантаження на інденторі при товщині 5 мкм

25
20
15
10
5
0
0.025 0.05 0.075 0.1 0.125
Навантаження на індектор, Н

Рисунок 3.7 Залежність мікротвердості покриття з нітрид титану від
навантаження на інденторі при товщині 7 мкм
Було досліджено вплив товщини покриття на мікротвердість та поведінку
системи «покриття-підкладка». В результаті досліджень було встановлено, що
для навантаження 0,025 Н мікротвердість зразків із покриттям зросла у 1,2 рази
при товщині покриття 5 мкм, та більш ніж у 3 рази при товщині покриття 7
мкм.
Мікротвердість, ГПа Мікротвердість, ГПа
53

Зі збільшенням навантаження індентор проникає на глибину, яка
перевищує товщину покриття, що спричиняє його руйнування. Руйнування
проявляється у вигляді замкнутих кільцевих тріщин навколо відбитка та зміни
мікротвердості системи «покриття-підкладка» через внесок деформації
підкладки. При надмірному навантаженні виникає локальна пластична
деформація підкладки, яка перевищує пружну межу покриття. Це призводить
до утворення напружень на межі «покриття-підкладка», що сприяє появі
тріщин та руйнуванню тонкого шару покриття.
Для досягнення максимальної мікротвердості та стійкості до
навантаження рекомендується використовувати покриття товщиною 7 мкм або
більше, враховуючи вимоги до зносостійкості. Необхідно забезпечити такі
умови експлуатації, щоб навантаження на систему «покриття-підкладка» не
перевищувало межу, за якої руйнується покриття. Розробка технологій
покращення адгезії між покриттям і підкладкою може зменшити ймовірність
виникнення тріщин і підвищити загальну міцність системи.
Товщина покриття значно впливає на його механічні характеристики:
збільшення товщини знижує ризик руйнування та забезпечує кращі механічні
властивості. Однак необхідно контролювати навантаження, щоб уникнути
проникнення індентора на глибину, що перевищує товщину покриття.

3.2 Дослідження впливу технологічних параметрів на отриманні
покриття

Дослідження показують, що тиск азоту під час формування
нітридтитанових (TiN) покриттів істотно впливає на їхні механічні властивості,
структуру та експлуатаційні характеристики.
При низькому тиску азоту (~0,01 Па) покриття демонструють
максимальну твердість, однак характеризуються, підвищеною крихкістю,
значною кількістю крапельної фази титану та непридатністю для використання
на ріжучому інструменті через утворення дефектів і недостатню зносостійкість.
54

Зі зростанням тиску азоту зменшуються розміри й кількість крапель
титану в покритті, а покриття стають більш однорідними (монофазними) та
покращується стійкість до зношування й ерозії.
Покриття з твердістю в діапазоні 16–20 ГПа є найбільш стійкими до зносу
під час різання. Такі покриття поєднують високу твердість із помірною
пластичністю, що знижує ризик утворення тріщин і відшарування.
Використання середніх значень тиску азоту під час процесу осадження,
дає можливість забезпечити баланс між твердістю, пластичністю та
зносостійкістю. Необхідно уникати занадто низького тиску, щоб зменшити
кількість крапельної фази й уникнути крихкості.
Отже збільшення тиску азоту сприяє покращенню структури покриття,
зменшенню крапельної фази й підвищенню зносостійкості. Найкращі
результати досягаються при твердості 16–20 ГПа, що забезпечує оптимальний
баланс між механічними властивостями й довговічністю покриття.
Найбільшу зносостійкість (приблизно в чотири рази вище, ніж без
покриття) мають покриття нітриду титану, отримані при струмі дуги 80 А
Ресурс зміцнюю чого покриття визначається його зносостійкістю та адгезійною
міцністю.
Твердість покриттів TiN залежить від струму дугового розряду, який
визначає інтенсивність випаровування матеріалу катода, енергію іонів, та
умови росту плівки. При фіксованому тиску спостерігається чітка залежність
твердості від величини струму.
Малий струм (<60 А) призводить до низької твердості. При малих
значеннях струму дугового розряду кількість випаруваних частинок є
недостатньою для формування щільного, однорідного покриття. Зростає частка
пористості та недосконалості структури.
Середній струм (60–120 А) у цьому діапазоні струму забезпечується
оптимальна інтенсивність випаровування матеріалу, щільність потоку частинок
і енергія іонів. Формується дрібнозерниста, щільна структура покриття, яка
55

забезпечує високу твердість. Твердість покриттів у цьому діапазоні може
досягати 20–25 ГПа.
3. Високий струм (>120 А) призводить до зростання кількість крапельної
фази та мікродефектів, що погіршує однорідність покриття. Надмірне
нагрівання підкладки сприяє утворенню грубозернистої структури, яка знижує
механічні властивості.
Твердість покриття спочатку зростає зі збільшенням струму, досягає
максимуму в діапазоні 80–120 А, а потім поступово знижується.
Для забезпечення високої твердості (20–25 ГПа) рекомендується
працювати у діапазоні струмів 80–120 А при тиску 0,03 Па.
Твердість TiN-покриттів при тиску ( p = 0,03 Па) значно залежить від
струму. Оптимальні значення твердості спостерігаються при струмі 60–80 А,
тоді як зменшення або перевищення цього діапазону призводить до погіршення
механічних властивостей через пористість або утворення крапельної фази.
22
20
18
16
14
12
10
60 80 100 120 140
І,А

Рисунок 3.8 Залежність твердості покриттів TiN від струму при р=0,03Па
Н, ГПа
56

22
20
18
16
14
12
10
60 80 100 120 140
І,А

Рисунок 3.9 Залежність твердості покриттів TiN від струму при р=0,04Па

При напиленні у вакуумі товщина покриття нітриду титану (TiN)
змінюється залежно від відстані між катодом (джерелом матеріалу) і
підкладкою через зміну енергетичних умов осадження та розподілу частинок у
плазмі.
1. Мала відстань (5–10 см).
Товщина покриття: частинки плазми швидко досягають підкладки
завдяки високій кінетичній енергії. Ризик нерівномірності. Через локалізацію
потоку частинок на малих відстанях покриття може мати неоднорідну товщину.
Вплив крапельної фази. На малій відстані краплі металу з катода можуть
осідати на підкладці, утворюючи дефекти.
2. Середня відстань (25–35 см): потік частинок рівномірно розподіляється
по поверхні підкладки. Зменшення крапельної фази. Завдяки більшій відстані
частинки плазми проходять додаткову фільтрацію від крапельного металу.
Енергія частинок залишається достатньою для формування щільного шару.
3. Велика відстань (>35 см): Товщина зменшується. Частинки втрачають
енергію через зіткнення з молекулами залишкового газу. Потік частинок стає
більш рівномірним, але зниження концентрації частинок призводить до
Н, ГПа
57

зменшення швидкості осадження. Погіршення адгезії. Низька енергія частинок
може негативно вплинути на зчеплення покриття з підкладкою.
Експериментальні дані показують, що товщина TiN-покриття (h)
обернено пропорційна квадрату відстані катод-підкладка ( d ):
h 1/d2 (3.1)
Це пов’язано з розсіюванням і зниженням щільності частинок при
збільшенні відстані.
Фактори, що впливають на залежність:
1. Тиск вакууму: при вищому тиску залишкового газу частинки втрачають
більше енергії через зіткнення, що сильніше знижує товщину покриття на
великих відстанях.
2. Кінетична енергія частинок: на великих відстанях частинки плазми
мають менше енергії для утворення щільного покриття.
3. Розсіювання плазми: плазма розширюється, що призводить до
зменшення концентрації частинок на поверхні підкладки.
Оптимізація процесу:
1. Вибір відстані: для вакуумного напилення рекомендується
використовувати відстань 25–35 см. Це забезпечує баланс між товщиною,
рівномірністю та якістю покриття.
2. Регулювання тиску: тиск у камері повинен бути оптимальним для
мінімізації розсіювання частинок.
3. Магнітні системи: використання магнітних пасток допомагає знизити
кількість крапельної фази й покращити якість покриття.
4. Поворот підкладки: обертання або переміщення підкладки забезпечує
рівномірність покриття.
Товщина TiN-покриття при плазмовому напиленні у вакуумі обернено
пропорційна квадрату відстані катод-підкладка. Оптимізація відстані (зазвичай
25–35 см), тиску робочого газу й кінетичної енергії частинок дозволяє отримати
покриття з високою якістю, рівномірністю й адгезією.
58

7
6
5
4
3
2
1
0
20 30 40 50 60 70 80
L , см

Рисунок 3.10 Залежність товщини покриття TIN від відстані катода до
підложки
Мікротвердість покриттів TiN залежить від відстані між катодом і
підкладкою через вплив на кінетичну енергію іонів, умови конденсації
частинок та розмір зерен у структурі покриття.
Основні аспекти впливу:
1. Енергія іонів: зі збільшенням відстані між катодом і підкладкою енергія
частинок, які досягають поверхні підкладки, зменшується через взаємодію із
залишковими газами в камері (зіткнення з молекулами газу). Менша енергія
іонів може призводити до зниження щільності покриття та мікротвердості.
2. Умови росту зерен: на малій відстані частинки досягають підкладки з
високою енергією, сприяючи формуванню дрібнозернистої структури, що
забезпечує вищу мікротвердість. Зі збільшенням відстані розміри зерен
зростають, структура стає більш пористою, що негативно впливає на механічні
властивості.
3. Тепловий вплив: менша відстань сприяє локальному нагріванню
підкладки від плазмового потоку, покращуючи адгезію та формування
щільного шару.
Оптимальні технологічні рішення:
h, мкм
59

1. Оптимальна відстань: у більшості випадків відстань 40–60 см є
оптимальною, забезпечуючи баланс між мікротвердістю, адгезією та
рівномірністю покриття.
2. Контроль параметрів осадження: регулювання тиску робочого газу
(зазвичай 0,01–0,06 Па) для зменшення взаємодії частинок із газовою фазою.
Підтримання стабільності струму дугового розряду для забезпечення сталої
енергії іонів.
3. Додаткові заходи: використання магнітних систем для покращення
спрямованості плазмового потоку. Нанесення покриттів у кілька шарів для
підвищення твердості та зносостійкості.
Мікротвердість TiN-покриттів має чітку залежність від відстані катод-
підкладка. Оптимізація цієї відстані дозволяє досягти високої твердості,
щільності та однорідності покриття, що важливо для забезпечення його
довговічності та функціональності.
21
19
17
15
13
20 30 40 50 60 70 80
L, см

Рисунок 3.11 Залежність мікротвердості покриттів TiN від відстані катод-
підложка
Шорсткість TiN-покриттів — важливий параметр, який впливає на їхні
функціональні характеристики, такі як зносостійкість, тертя, адгезія й опір до
Н, ГПа
60

утворення тріщин. Вона визначається рядом факторів, включаючи метод
осадження, параметри процесу та якість підкладки.
Зниження шорсткості сприяє зменшенню тертя й підвищує стійкість до
абразивного зношування. Гладка поверхня знижує коефіцієнт тертя, що
важливо для ріжучих інструментів і механічних деталей. Невелика шорсткість
покращує зчеплення покриття з підкладкою. Однак надмірно гладка поверхня
може знижувати адгезію. Менша шорсткість забезпечує блискучу, привабливу
поверхню, що важливо для декоративних TiN-покриттів.
Основні фактори, що впливають на шорсткість:
Тиск робочого газу (азоту): вищий тиск сприяє зменшенню розмірів
крапельної фази та більш гладкій поверхні. При низькому тиску шорсткість
може збільшуватися через більший вміст крапельної фази.
Стан підкладки: початкова шорсткість підкладки визначає базовий рівень
нерівностей. Полірування та підготовка підкладки дозволяють суттєво знизити
загальну шорсткість системи.
Товщина покриття: товстіші покриття можуть частково згладжувати
нерівності підкладки. Однак надто товстий шар може створювати внутрішні
напруження, що впливають на шорсткість.
Обробка після нанесення: механічне або іонне полірування TiN-покриттів
дозволяє знизити Ra до 0,02–0,05 мкм.
Підвищення температури підкладки під час нанесення нітрид титанового
(TiN) покриття сприяє зменшенню шорсткості поверхні. Це явище пояснюється
низкою фізичних і хімічних процесів, які відбуваються при осадженні покриття
на розігріту підкладку.
Причини зниження шорсткості:
1. Покращення мобільності атомів: вища температура підкладки сприяє
підвищенню мобільності атомів на її поверхні. Це дає змогу атомам осідати в
енергетично сприятливих положеннях, згладжуючи нерівності.
2. Зменшення крапельної фази: при підвищенні температури краплі
титану, що утворюються під час вакуумно-дугового осадження, частково
61

випаровуються або розтікаються по підкладці. Це зменшує розміри і кількість
мікронерівностей, спричинених краплями.
3. Формування щільнішої структури: вища температура підкладки
забезпечує зростання щільності плівки за рахунок зменшення пористості, що
знижує шорсткість.
4. Рівномірний ріст зерен: підвищення температури сприяє більш
контрольованому росту зерен, зменшуючи їхні розміри та нерівності на
поверхні.
Для зниження шорсткості необхідно:
Підтримувати температуру в діапазоні, оптимальному для росту TiN-
покриття (зазвичай 300–500 °C). Поєднувати підвищену температуру підкладки
з оптимальним тиском газу й енергією іонів для зменшення крапельної фази.
Якщо шорсткість залишається високою, застосовувати іонне або механічне
полірування для отримання ідеально гладкої поверхні.
Підвищення температури підкладки під час нанесення TiN-покриттів
позитивно впливає на якість поверхні, зменшуючи її шорсткість завдяки
покращенню мобільності атомів, зменшенню крапельної фази й утворенню
щільнішої структури. Це важливий фактор для створення покриттів із високою
зносостійкістю та низьким коефіцієнтом тертя.
Rа, мкм
0.4
0.3
0.2
0.1
300 400 500 600 700 800 900
Т, 0С

Рисунок 3.12 Залежність шорсткості покриттів TiN від температури
підкладки.
62

Рисунок 3.13 Ріжучі пластини без покриття, та з покриттям TiN

Процес нанесення нітрид титанових (TiN) покриттів може
супроводжуватися утворенням різних дефектів, які впливають на їхні фізико-
механічні та експлуатаційні властивості. Виявлення причин дефектів і
впровадження заходів для їх усунення є ключовим завданням для забезпечення
якості покриттів.
1. Крапельна фаза: утворення мікрокрапель металу (титану) на поверхні
покриття через вакуумно-дугове випаровування. Краплі збільшують
шорсткість, спричиняють дефекти адгезії й знижують зносостійкість.
Причинами є інтенсивна ерозія катода та недостатня дегазація матеріалу
катода. Для усунення необхідно провести дегазацію катоду (попереднє
нагрівання катода для видалення газів). Використовувати магнітні або
електричні пастки для видалення крапель із плазмового потоку. Проводити
регулювання струму дуги та тиску в камері.
2. Утворення мікро- та макротріщин через внутрішні напруження або
механічне навантаження. Причинами є надмірна товщина покриття та високі
внутрішні напруження через термічні чи механічні впливи. Способами
усунення є контроль товщини покриття (дотримуватися оптимального
діапазону (зазвичай до 5–7 мкм)), зниження напружень (регулювання
температури підкладки та енергії іонів у плазмі).
63

3. Наявність пор у структурі покриття, які знижують його щільність і
захисні властивості. Причинами є низька енергія осаджених атомів та
неправильний тиск робочого газу. Способами усунення є підвищення
температури підкладки. Забезпечує кращу мобільність атомів. Збільшення
напруги плазми для покращення адгезії та щільності шару.
4. Нерівномірність покриття ( різна товщина або неоднорідний колір
покриття на різних ділянках поверхні). Причинами є неправильне
розташування деталей у вакуумній камері, невідповідна геометрія мішені або
нерівномірне розпилення. Способи усунення: є оптимізація розташування
деталей та забезпечення рівномірного потоку частинок до всіх поверхонь.
Збільшення швидкості обертання підкладок або використання магнетронних
систем із кращою рівномірністю осадження.
5. Погана адгезія (відшарування покриття під час експлуатації).
Причинами є недостатнє очищення підкладки та низька енергія іонів у плазмі.
Способами усунення є іонне очищення (бомбардування поверхні іонами перед
нанесенням покриття), збільшення енергії іонів (використання підкладного
потенціалу для покращення адгезії), контроль чистоти поверхні(застосування
хімічної або механічної обробки перед нанесенням).
6. Окислення покриття (утворення оксидів на поверхні покриття, які
знижують його механічні й декоративні властивості). Причинами є потрапляння
кисню під час процесу осадження або охолодження.
7. Перегрів підкладки (деформація або пошкодження матеріалу підкладки
через високі температури). Причинами є надмірна енергія іонів або тривале
опромінення. Способами усунення є контроль температури(зниження енергії
іонів або використання систем охолодження).
Дефекти при нанесенні TiN-покриттів можуть бути зменшені або усунені
шляхом оптимізації технологічних параметрів процесу, підготовки підкладки та
використання додаткових методів обробки. Контроль умов осадження
забезпечує високу якість покриттів із заданими властивостями для різних сфер
застосування.
64

Висновки до розділу 3
Було встановлено, що значення мікротвердості TiN покриттів з перебігом
часу осадження з 20 до 60 хв підвищуються більш ніж у 4 рази. Визначено
вплив товщини покриття на мікротвердість та поведінку системи «покриття-
підкладка». Товщина покриття значно впливає на його механічні
характеристики: збільшення товщини знижує ризик руйнування та забезпечує
кращі механічні властивості В результаті досліджень було встановлено, що для
навантаження 0,025 Н мікротвердість зразків із покриттям зросла у 1,2 рази при
товщині покриття 5 мкм, та більш ніж у 3 рази при товщині покриття 7 мкм.
Дослідження показують, що тиск азоту під час формування нітридтитанових
(TiN) покриттів істотно впливає на їхні механічні властивості, структуру та
експлуатаційні характеристики. При низькому тиску азоту (~0,01 Па) покриття
демонструють максимальну твердість, однак характеризуються, підвищеною
крихкістю, значною кількістю крапельної фази титану та непридатністю для
використання на ріжучому інструменті через утворення дефектів і недостатню
зносостійкість. Зі зростанням тиску азоту зменшуються розміри й кількість
крапель титану в покритті, а покриття стають більш однорідними
(монофазними) та покращується стійкість до зношування й ерозії.
Покриття з твердістю в діапазоні 16–20 ГПа є найбільш стійкими до зносу
під час різання. Такі покриття поєднують високу твердість із помірною
пластичністю, що знижує ризик утворення тріщин і відшарування.
Твердість TiN-покриттів при тиску ( p = 0,03 Па) значно залежить від
струму. Оптимальні значення твердості спостерігаються при струмі 60–80 А,
тоді як зменшення або перевищення цього діапазону призводить до погіршення
механічних властивостей через пористість або утворення крапельної фази.
При напиленні у вакуумі товщина покриття нітриду титану (TiN)
змінюється залежно від відстані між катодом (джерелом матеріалу) і
підкладкою через зміну енергетичних умов осадження та розподілу частинок у
плазмі.

65

РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ

4.1 Будова та принцип дії вакуумної установки «Булат 6»

Камера, підставка, джерела плазми, аноди, пристрій поворотний, лінія
форвакуумна, введення датчика пірометра, система напуску робочого газу,
вікно оглядове.Камера являє собою циліндричну посудину з внутрішнім
діаметром 500 мм і довжиною 500 мм. Вісь камери розташована горизонтально.
На обох торцях камери на петлях кріпляться кришки. У нижній частині камери
є чотири кронштейна, в кронштейнах кріпляться установочні гвинти, за
допомогою яких камера виставляється в потрібному положенні.
На камері і кришках розташовані шість патрубків з фланцями (чотири на
камері і по одному на кришці), до яких кріпляться: введення датчика пірометра
(або вікно оглядове), пристрій поворотний, джерела плазми з анодами. Затвор
повороний ЗП- 250У. Всі фланці однакові, що дає можливість встановлювати
на них введення датчика пірометра, вікно оглядове, пристрій поворотний і
джерела плазми з анодами на будь який з них так, як це потрібно і зручно для
ведення технологічного процесу.
На верхній частині камери розташовані штуцер для напуску робочого газу
і кронштейн для кріплення клапана - натікача.
До корпусу камери і кришок припаяні мідні трубки, по яких протікає вода
(гаряча в режимі прогріву і холодна в режимі нанесення покриття). Всі роз'ємні
з'єднання на камері мають ущільнення з вакуумної гуми. Камера з'єднується з
насосом високовакуумним затвором ЗП- 250У. На затворі встановлена пробка
для напуску атмосферного повітря в камеру, блок манометричних
перетворювачів і вентиль системи вентиляції.
Підставка призначена для установки на ній камери з затвором, щита
конденсаторів, насосу й нагрівача індукційного. У підставці гребінки водяної
66

системи, на яких встановлене реле протоку рідини, регулюючі та запірні
вентилі.
Джерело плазми призначене для створення потоку плазми з матеріалу
катода. В якості катода можуть бути використані різні метали і сплави.
Джерело плазми складається з наступних основних конструктивних елементів -
фланець поз. 1, котушка поз. 2, кришка поз. 3, катодний вузол, екран поз.4 з
підпалюючим пристроєм, електровводи поз.9.
Котушка поз.2 встановлюється на фланці поз. 1, фіксується упором
поз.47, у певному положенні і закріплюється трьома гвинтами поз.58,
загвинченими в кільце поз. 32.
Катодні плями, переміщаються по кругових траєкторіях на
випаровуваному торці катода, є джерелом плазмових струменів. Змінюючи
величину електромагнітного поля котушки, встановлюють такий середній
радіус траєкторій катодних плям, щоб забезпечити більш рівномірне
випаровування матеріалу на торці катода.
Катодний вузол розташований в центрі кришки поз. 5 і включає в себе
катод поз.37, елементи водяного охолодження, вакуумного ущільнення і
струмопроводи. На державкі катодного вузла закріплений екран поз.4, який
перешкоджає горінню дугового розряду на бічній поверхні катода і деталях
катодного вузла і є одним з електродів пристрою що підпалюється.
На екрані поз.4 є зйомне кільце. При тривалій роботі джерела плазми
кромка центрального отвору в зйомному кільці обгорає, кільцевий зазор між
зйомним кільцем екрану і катодом порушується, що призводить до
нестабільного горіння дуги. Цей дефект усувається заміною зйомного кільця.
Катод являє собою монолітний циліндр, на водоохолоджувальну торці
якого є зовнішня різьба і кільцевий виступ для забезпечення вакуумного
ущільнення катода. Торець виступу, який стикається з гумовим ущільнювачем,
не повинен мати вм'ятин і радіальних подряпин.
Гайкою поз.36 катод через ущільнювач поз.35 притискається до державки
поз.6. На іншому кінці державки закріплений наконечник поз.7, через який
67

подається до катода вода. Підведення (і відведення) води до джерел плазми
повинне бути виконано згідно з «Схемою гідравлічних з’єднань Ф13595 Г4.
Ущільнення між державкою і наконечником здійснюється гумовим
ущільнювачем поз.19, кільцем поз.20 і гайкою поз. 26. Втулки і ущільнювач
електрично ізолюють катодний вузол від кришки поз.5.
Катодний вузол підключається до силової мережі через клему поз.24.
необхідно ретельно стежити за відсутністю подряпин, тріщин та інших
дефектів на поверхні державки, корпусу фланця, ізолятора та інших деталей,
дотичних з гумовими ущільнювачами.
Пристрій підпалюючий служить для створення пускового розряду і
складається з екрану поз. 4, електрода поз.38, деталей які необхідні для їх
закріплення, і електродів поз.9. опис роботи підпалюючого пристрою дивись
підрозділ 5.2 .
На кришці поз.5 розташований патрубок закритий пробкою поз.69, через
який вводиться трубка датчика пірометра . Зовні джерело плазми закрите
кожухом, який кріпиться до фланці гвинтами.
Анод являє собою циліндричний водоохолоджуваний плазмовод, на
зовнішній поверхні якого розміщені котушки фокусуючого соленоїда.
Усередині корпусу анода розташовані вставки з кільцями з нержавіючої сталі.
Ці кільця затримують макрочастки (краплі, тверді куски), які утворюються при
випаровуванні матеріалу катода, і очищають від них потік плазми чим
досягається поліпшення якості нанесених покритттів.
Пристрій поворотний служить для обертання оброблюваних виробів в
потоці випаровуваного матеріалу катода, що забезпечує рівномірне нанесення
покриття.
Пристрій поворотний складається з кришки, до якої з одного боку
кріпиться шпиндель, а з іншого боку мотор- редуктор. Між кришкою і мотором
- редуктором встановлено діелектричне 5 кільце. Кришка ізольована від камери
діелектричним ізолятором і втулками.
68

Вакуумне ущільнення між кришкою і камерою здійснюється двома
гумовими ущільнювачами.
Вал мотор - редуктора через муфту з'єднаний з валом шпинделя, вал
шпинделя через вакуумне ущільнення проходить всередину камери і
закінчується спеціальним хвостовиком, на якому кріпиться необхідне
пристосування з закритими або встановленими на ньому оброблюваними
(напилюваними) виробами.
Пристрій поворотний може бути встановлено на любий патрубок камери,
і працювати як з вертикальним, так і з горизонтальним розташуванням осі вала
електродвигуна.
Пристрій поворотний закрито діелектричним кожухом, так як до нього
при нанесенні по-покриття на вироби підводиться висока напруга.
Введення датчика пірометра призначене для установки приладу, що
визначає температуру оброблюваних виробів. Наявність шарніра з вакуумним
ущільнювачем дозволяє визначати температуру в різних точках.
Вікно оглядове служить для візуального спостереження за процесом
нанесення покриття на вироби. Внутрішнє змінне скло, у міру його запилення.
Необхідно періодично очищати або замінювати на нове.
Система напуску робочого газу складається з балона, редуктора, клапана -
натікача і трубопроводів.
Клапан - натікач призначений для дозованого напуску газу у вакуумний
обсяг і підтримки в ньому заданого тиску. Клапан - натікач функціонально
складається з двох частин: натікача та електромагнітного клапана. Натікач
складається з корпусу з мідним сідлом, запірно -регулюючого пристрою, що
включає в себе голку, сільфонний вузол, пружину, диференціальних гвинтову
передачу і маховик. Переміщення голки натікачем проводиться обертанням
маховика вручну.
Електромагнітний клапан складається з котушки, усередині якої
знаходиться якір з гумовим ущільнювачем, пружини, кришки, штепсельного
роз'єму і накидної гайки, що кріпить клапан до корпусу натікача .
69

Клапан - натікач працює в комплекті з блоком управління і вакуумметром
ВІТ- 3.
Лінія форвакуумна являє собою трубопровід, що з'єднує механічний
форвакуумний насос з камерою і з насосом високовакуумним паромасляним.
На лінії форвакуумній встановлені клапан електромагнітний, два вентилі
вакуумних, два вентилі запірних сильфонових і блок манометричного
перетворювача.
Компенсатор (сільфонний) перешкоджає передачі вібрації, що виникає
при роботі механічного форвакуумного насоса, іншим частинам агрегату.
Система водяна (позиційні позначення основних елементів см. Ф13595
Г4) складається з гребінок, вентилів, трубопроводів, нагрівача індукційного,
реле протоку рідиниі призначена:
- у режимі підготовки агрегату до роботи для прогріву його гарячою
водою, з метою знегазити внутрішні поверхні камери. Кришок камери, фланців
джерел плазми, анодів і затвора поворотного ЗП- 250У (температура прогріву
близько 60С). Для цього необхідно включити нагрівач індукційний НГ1
(вентиль ВНЕ1 закритий).
- у робочому режимі, при включеному нагрівачі індукційному -
охолоджувати камеру, кришки камери, аноди, затвор поворотний ЗП- 250У
(вентиль ВНЕ1 відкритий).
Насоси й джерела плазми охолоджуються постійно, як в режимі прогріву,
так і в робочому режимі.
Для контролю протоку води в гілках системи охолодження джерел плазми
і насоса високовакуумного встановлені реле протоку рідини.
Розводка води по агрегату «Булат 6 » здійснюється мідними трубками і
гумовими рукавами.
Система охолодження працює тільки з вільним зливом води!

70

4.2 Будова та принцип дії електрообладнання

Електрообладнання установки «Булат 6» складається з наступних частин
(див. рис . Ф.10000 - 02 Е3):
а) трьох джерел живлення електродугового випарника Ф.12580,
призначених для живлення електродугового розряду в джерелах плазми;
конструктивно джерело живлення електродугового випарника являє собою
стійку блокової конструкції; вхідні кола виведені на блоки затискачів, силові
кола на клеми Кл1, Кл2, ланцюги підпалу на роз'єми (У2) Ш3 і (У2) Ш4;
пристрій і роботу джерела живлення електродугового випарника див.
«Технічний опис та інструкція з експлуатації» Ф. 12580 ТО;
б) випрямляча іонного бомбардування Ф.14275, призначеного для
створення високовольтного потенціалу на підложкі в режимі очищення виробів,
і живлення підложки в режимі напилення; конструктивно випрямляч являє
собою стійку блокової конструкції; вихідні ланцюги виведені на блок
затискачів, а високовольтні - на клеми «+» і «-»; пристрій і роботу випрямляча
іонного бомбардування див. Ф. 14275 ТО;
в) панелі конденсаторів Ф.11512, встановленої на підставці агрегату;
панель конденсаторів містить розрядні конденсатори і резистори схеми підпалу
дуги джерел плазми, реле блокувань, випрямляч живлення клапана вакуумної
системи, а також блок затискачів зовнішніх кіл агрегату і клеми силових
ланцюгів;
г) стійки управління ф11504, призначеної для управління технологічним
процесом нанесення зміцнюючих покриттів на установці «Булат 6М»,
контролю параметрів, сигналізації та блокування; конструктивно стійка
управління являє собою стійку блокової конструкції; вихідні ланцюги виведені
на блоки затискачів А1- 111 ...... А1- 117. Стійка управління містить блоки
дистанційного управління джерелами живлення електродугових випарників і
високовольтний випрямляч, що дозволяє встановлювати їх в окремому
71

приміщенні і управляти ними дистанційно зі стійки управління, що створює
зручність при експлуатації установки.
Стійка управління містить наступні блоки управління:
- блоки дистанційного управління джерелами плазми А1 - У1; А1- 12, А1 -
У3;
- блок дистанційного управління випрямлячем А1- У4;
- блок управління нагрівачем і пристроєм поворотним А1- У5;
- блок натікача А1- У6;
- блок управління форвакуумними насосами А1- У7;
- блок управління дифузійним насосом А1- У8;
- блок управління клапанами А1- У9;
У стійці управління розміщені так само вакуумметр А1- ІП1, загальний
автоматичний вимикач А1- В5 і автоматичні вимикачі джерел живлення
електродугових випарників А1 -В1, А1- В2, А1- В3 і випрямляча іонного
бомбардування А1- В4, магнітний пускач нагрівача А1- Р1, сигнальна лампа
про наявність напруги А1- Л1 з додатковим опором А1- R1.
Блок дистанційного управління джерелом плазми призначений для
дистанційного управління джерелом живлення електродугового випарника.
Схема блоку являє собою дублюючі ланцюги управління, сигналізації та
вимірювання джерела живлення електродугового випарника: кнопка Кн 3 -
включення, КН 2 - відключення джерела живлення; перемикач В1 -
перемикання режиму роботи - постійний, імпульсний; резистор R1 -
регулювання струму дуги, R2 - регулювання струму фокусуючого соленоїда;
кнопка Кн 1 призначена для зняття блокування перевантаження по струму;
амперметр А1 призначений для вимірювання струму дуги; лампи Л1, Л2, Л3,
сигналізують відповідно включення джерела живлення, порушення блокувань,
перевантаження по струму. Дзвінок Зв 1 призначений для аварійної звукової
сигналізації при порушенні блокувань і перевантаженнях по струму.
72

Зовнішні ланцюги боків дистанційного керування випарниками А1- У1,
А1- У2, А1 -У3 виведені відповідно на блоки затискачів А1- П1, А1 -П2, А1-
П3.
Перемикач місцевого та дистанційного упраління знаходиться на джерелі
живлення електродугового випарника.
При натисканні кнопки Кн3 включається джерело живлення А2, і на
електродах джерела плазми («+», «-») з'являється напруга холостого ходу
джерела живлення; спрацьовує схема підпалу дуги, напруга високовольтного
імпульсу прикладається до пристрою підпалу (клеми 4 і 5 джерела плазми ІД1)
і відбувається пробій розрядного проміжку по поверхні діелектрика. При цьому
іонізується простір між екраном, що є одним з електродів пристрою підпалу, і
катодом джерела плазми, що призводить до розряду конденсаторів С1, С2,
попередньо заряджених до напруги холостого ходу джерела живлення.
Потужність другого розряду достатня для іонізації міжелектродного простору
катод - анод, в результаті чого виникає електродуговий розряд між катодом і
анодом.
Заряд конденсаторів С1, С2 відбувається через резистор R1. Живлення
стабілізуючого (клеми 1,2 джерела плазми ІД1) і фокусуючого (L1) соленоїдів
здійснюється від схеми джерела живлення.
Схеми джерела плазми ІД2, ІД3 працюють аналогічно.
Контроль охолодження джерел плазми здійснюється за допомогою реле
протоку Р1, Р2, Р3, розмикаючі контакти яких включені в схему управління і
сигналізації джерела живлення.
Крім того, паралельно вказаних контактів включені розмикаючі контакти
реле Р4, котушка якого включена через контакти кінцевих вимикачів кришок
камери В1, В2 і пристрої поворотного В3. При припиненні подачі води для
охолодження катодів або порушенні зазначених блокувань відключається
живлення джерел плазми і спрацьовує світлова та звукова сигналізації.
Блок дистанційного управління випрямлячем іонного бомбардування А1-
У4 призначений для дистанційного управління випрямлячем. Схема блоку
73

являє собою дублюючі ланцюги управління сигналізації та вимірювання
випрямляча іонного бомбардування: кнопка Кн1 – включення, Кн 2 -
відключення випрямляча; кнопковий перемикач В1 - переключення ступенів
напруги випрямляча; резистор R1 - плавне регулювання напруги на кожному
ступені; вольтметр V1 - вимірювання вихідної напруги на всіх щаблях; лампа
Л1 - сигналізація включення випрямляча, Л2 .... Л7 включення певного ступеня
напруги.
Перемикач місцевого та дистанційного управління знаходиться на
випрямлячі іонного бомбардування. При натисканні Кн1 включається напруга
кіл управління випрямляча. Для подачі вихідної напруги на підложку необхідно
накатати відповідну необхідному ступені напруги кнопку перемикача В1.
Позитивний полюс випрямляча приєднано до корпусу камери, а негативний до
підложки.
Конденсатор С7, встановлений на панелі конденсаторів, шунтує вихід
випрямляча. Включення випрямляча іонного бомбардування можливо тільки
при закритих кришках камери і пристрої повортного, 5.2.5. Блок управління
індукційним нагрівачем і пристроєм поворотним А1- У5 призначений для
управління прогріванням камери і механізмом обертання підложки. Схема
управління пристроєм поворотним містить кнопки Кн1, КН2, пускач р1 і
сигнальну лампу Л1 з добавочним опором R1. При натисканні кнопки КН2
включається пускач Р1 і напруга мережі подається на провід поворотного
пристрою М1 через запобіжник Пр 1 .... Пр 3.
Схема управління прогріванням містить кнопки Кн3, Кн4, пускач А1- Р1,
встановлений поза блоком, проміжне реле Р2, реле контролю наявності потоку
води А6 - Р5, індукційний нагрівач А6 -Н1 і електромагнітний клапан в системі
охолодження А6 - ЕМ1, сигнальні лампи Л2 і Л3 з додатковим опором R2. При
відключеному прогріванні контакт пускача А1- Р1 в ланцюзі електромагніту А6
- закритий і електромагніт включений. Це забезпечує додатковий потік води в
систему охолодження камери по гілці. Шунтувальний нагрівач А6 -Н1. При
включенні прогріву камери кнопкою Кн3 спрацьовує пускач А1- Р1,
74

замикаються контакти в ланцюзі живлення індукційного нагрівача А6 -Н1 і
розмикаються контакти в ланцюзі живлення індуктивного нагрівача А6 - ЕМ1.
При цьому клапан закривається, шунтуюча гілка системи охолодження
перекривається і вода надходить тільки через індукційний нагрівач А6 -Н1,
забезпечуючи необхідну температуру прогріву камери. Якщо з якої -небудь
причини припиняється подача води, контактори реле протоку А6 - Р5
розмикаються і спрацьовує проміжне реле П2, що призводить до відключення
прогріву. Крім того контактори реле В2 включені в ланцюзі управління
дифузійного насоса (ланцюги 320, 321). Лампа Л2 сигналізує відсутність потоку
води, Л3 - включення прогріву.
Блок натікача А1- У6 призначений для стабілізації тиску робочого газу в
вакуумній камері установок типу «Булат».
Стабілізація тиску робочого газу в камері здійснюється замкнутою
системою автоматичного регулювання, що складається з датчика тиску,
вакуумметра, блоку натікача і клапана - натікача. Блок натікача відпрацьовує
сигнал управління, підсилює його і видає сигнал на випробувальний механізм
клапана - натікача. Блок - схема блоку натікача показана на на рис.1.
За допомогою блоку натікача можливе одночасне управління двома
клапанами - натікачами. Це реалізується за допомогою двох зовсім ідентичних
каналів управління, тому надалі будемо розглядати один канал управління
клапаном - натікачем. Схема блоку натікача може працювати від вакуумметра
ВІТ- 2, що має вихідний сигнал 0 ...... 2,2 В. Вибір схеми здійснюється
кнопковим перемикачем (П). На компараторі виникає порівнювання величини
вхідного сигналу з сигналом завдання. Напругою розсогласування між
сигналом завдання і сигналом пропорційним тиску робочого газу в камері
визначають, в якому з двох стійких положень знаходиться компаратор, а
значить - відкритий або закритий клапан - натікач.
Робота принципової схеми блоку - натікача здійснюється наступним
чином (див.Ф.10755 Е3). Сигнал постійної напруги пропорційний тиску
робочого газу в камері установки, надходить з виходу вакуумметра на вхід
75

схеми блока - натікача (контакти 5,10) або 15,20 роз'єму ХР1). Положення
перемикача А1- 5В1 набирається в залежності від типу приладу ВІТ- 2 або ВІТ-
3. При підключенні до блоку натікача вакуумметра ВІТ- 2, вхідний сигнал на
схему компаратора, зібрану на мікросхемі DA1, надходить через резистор А1-
R6, а при підключенні ВІТ- 3 через резистор А1- R7. Резистори А1- R6 і A1 - R7
визначають вхідний опір компаратора при різних джерелах вхідного сигналу.
На вході мікросхеми А1- DA1 для захисту від перенапруг встановлені
діоди А1- VD4. Підлаштування резистора А1- R7 служить для установки
необхідного гистерезиса вихідної характеристики компаратора.
За допомогою дільника A1- R2- R1- A1- R4 задається рівень
спрацьовування компаратора. Якщо рівень вхідного сигналу нижче порога
спрацьовування компаратора, на виході 10 мікросхеми A1- DA1 спостерігається
позитивна напруга, яка через резистор A1- R12 подається на базу A1- Vt1.
Транзистори A1 - VT1 і A1- VT2 відкриті. На вході схеми (контактори 3,4 або
13,14 роз'єму ХР1) постійна напруга, якою живиться електромагніт клапана -
натікача.
Клапан - натікач відкритий і відбувається напуск газу у вакуумну камеру.
Світиться діод VD3, сигналізуючи напуск газу. У міру підвищення тиску в
камері збільшується вхідний сигал і після досягнення порогу спрацьовування,
напруга на виході компаратора падає, транзистори А1- VT1, A1- VT2
замикаються, припиняючи подачу газу у вакуумну камеру. Діод VD 3 гасне.
Діод A1- VD6 служить для захисту від перенапруг, що виникають на котушці
електромагніта клапана - натікача.
Живлення плати компаратора А1 здійснюється напругою 220 В, 50 Гц
через трансформатор рис.4.1.
76

Рисунок 4.1 Блок живлення електроклапана

Якщо рівень вхідного сигналу менше рівня сигналу завдання на виході
компараора (точка 5) з'являється напруга, яка через стабілітрон Е1 - Д7,
обмежувальний резистор Е1 - R6 і світлодіод Е1 - Д8 подається на базу
транзистора Е1 - Т2. На виході схеми (клеми 3,4 роз'єму Ш1) з'являється
напруга 12 В, яка подається на електромагніт клапана - натікача А6 - У2
(ланцюги 271,272). Клапан - натекатель відкривається і відбувається напуск
газу у вакуумну камеру. Світиться діод Д8 (зелений), сигналізуючи напуск газу.
У міру підвищення тиску в камері збільшується вхідний сигнал і після
досягнення рівня сигналу завдання зникає сигнал на вході компаратора.
Транзистор Е1 - Т2 замикається, напруга на виході блоку зникає. Електромагніт
клапана - натікача втрачає живлення і клапан закривається, припиняючи подачу
газу у вакуумну камеру.
Після замикання тразістора Е1 - Т2 з'являється напруга на базі
транзистора Е1 - Т3. Транзистор відмикається, утворюється ланцюг живлення
світлодіода Д10 (червоний), що сигналізує закриття клапана - натікачем.
Діод Д9, шунтуючий вихідні ланцюги, призначений для захисту від
перенапруг. Виникають на котушці електромагніта клапана - натікача .
Живлення блоку натікача здійснюється напругою 220 В 50 Гц через
трансформатор ТР1 що має дві вторинні обмотки: 12 В - для живлення схеми
77

компаратора і вихідних ланцюгів блоку; 18 В - для живлення схеми
попереднього підсилювача . Включення схеми живлення проводиться
тумблером В1. Схема містить також запобіжник Пр1 і сигнальну лампу Л1 з
добавочним опором R1.
Напруга 12 В випрямляється випрямним блоком Е1 - Д1 що згладжується
конденсатором С1 і подається на стабілізатор, що містить транзистор Е1 - Т1 і
стабілітрон Е1 - Д2. З виходу стабілізатора напруга подається, як опорна на вхід
компаратора.
Живлення попереднього підсилювача здійснюється від обмотки
трансформатора 18 В. Напруга 18 В випрямляється випрямним блоком Д1,
згладжується конденсатором С1 і подається на стабілізатор, зібраний на
мікросхемі Ст1. У схемі передбачено відключення стабілізатора в разі
перевищення струмом навантаження величини 50 мА. Величина струму
навантаження встановлюється резисторами R1, R2, R3. Ємності С2 і С3
служать для запобігання самозбудження стабілізатора. Величина вихідної
напруги визначається дільником R4, R5, R6. Резистором R4 здійснюється точна
установка вихідної напруги; ємності конденсаторів С4, С5 служать для
додаткового згладжування вихідної напруги.
Блок управління форвакуумними насосами А1- У7 призначений для
управління і живлення приводів форвакуумних насосів М2 і М3 схема містить
запобіжники Пр1 ... Пр6, встановлені в силових ланцюгах. Кнопки управління
Кн1 КН2, перемикач В1. Пускачі р1, Р2, реле часу Р3 і сигнальні лампи Л1 ...
Л4 з додатковими резисторами R1, R2, R3. Перемикач В1 призначений для
вибору включених насосів: положення 1 - включений форвакуумний насос М3,
положення 2 - обидва насоса, положення 3 - форвакуумний насос М2. При
натисканні кнопки Кн 2 спрацьовує пускач Р1, Р2, або обидва пускача. Залежно
від положення перемикача В1. При цьому подається напруга на приводи
насосів і спалахують лампи Л3 і Л4, що сигналізують про включення насосів.
Одночасно з включенням пускачів напруга живлення подається на котушку
реле часу Р3. Замикаючий контакт якого входить у ланцюг живлення клапана
78

аварійного У3. (див. Ф13820 Е3. Рис. 2, рис.3) Через деякий час (1,5 - 5с) після
пуску насосів контактор реле Р3 замкнеться, з'явиться напруга на котушці
електромагніту аварійного клапана, і клапан відкриється. Сигналізація про
положення аварійного клапана («Відкрито», «Закрито») здійснюється
сигнальними лампами Л1 і Л2, напруга живлення на які подається через
контакти кінцевого вимикача клапана.
Схема живлення клапана в залежності від типу застосовуваного клапана
має два виконавця. На рис.2 рис. Ф13820 Е3 показана схема живлення клапана
типу КМУ - 63 . А на рис.3 рис. Ф13820 Е3 - клапана КМУ -50. Напруга
живлення клапана КМУ - 50 дорівнює 24 В, тому схема живлення клапана
містить понижуючий трансформатор Тр 1. Випрямляч Д1 ... Д4 і згладжує
конденсатор С8. Спочатку напруга подається на пускову котушку, а котушка
утримання закорочена. Після спрацьовування клапана підключається котушка
утримання. Реле Р6 служить для розмноження контактів кінцевого вимикача.
Блок управління дифузійним насосом А1- У8 призначений для управління
і живлення нагрівача дифузійного насоса. Схема містить автоматичний вимикач
В1 в силовому ланцюзі нагрівача. Запобіжник Пр1 в ланцюзі управління,
кнопка управління Кн1, КН2, пускач Р1, проміжне реле Р2 Р3, сигнальні лампи
Л1, Л2, Л3 з додатковими резисторами R1, R2 і дзвінок аварійної сигналізації
ЗВ1. Ланцюг управління дифузійним насосом має блокування: по включенню
форвакуумного насоса - ( контакти 22,9 роз'єму Ш1), за наявністю потоку води
в системі охолодження і перегріву корпусу насоса. Для блокування по
включенню форвакуумного насоса в ланцюзі пускача Р1 включені контакти
реле Р3 в блоці управління форвакуумним насосом а1- У7. Контакт термореле
S7, встановлений на корпусі дифузійного насоса, а також контакт реле Р2 і
блоку А1- У5, що контролює наявність потоку води в системі охолодження
установки (ланцюги 320,321), включені в ланцюг живлення котушки реле Р3, а
контакт реле Р3 включений в ланцюг котушки пускача Р1. При наявності
потоку води в системі охолодження і нормальній температурі корпусу
дифузійного насоса реле Р3 включено і його контакти в ланцюзі пускача Р1
79

замкнуті. При натисканні кнопки КН2 спрацьовують пускач Р1 і подається
напруга живлення на нагрівач дифузійного насоса, запалюється сигнальна
лампа Л1. При обриві однієї з спіралей трифазного нагрівача дифузійного
насоса на котушці реле з'являється напруга 127 В, реле спрацьовує і з'являються
світловї (лампа Л3) і звукові аварійні сигнали. Вимикач В2 служить для
відключення звукової сигналізації. При порушенні блокувань по роботі
форвакуумного насоса і по наявності протоку охолоджуючої води також
з'являється світловий (лампа Л2) і звуковий аварійні сигнали і відбувається
відключення нагрівача дифузійного насоса.
Блок управління апаратами А1- У9 призначений для управління
вентилями вакуумної системи А6 - У5 .... А6 - У8. Блок містить п'ять
аналогічних схем реверсивного управління приводами; кожна схема
складається з двох пускачів, двох кнопок управління (« закрито») (« відкрито»),
двох сигнальних ламп з додатковим опором. Крім того є загальний
автоматичний вимикач В1 і загальна кнопка відключення живлення Кн1.
При натисканні однієї з кнопок, наприклад, Кн4 або Кн5 спрацьовує
пускач Р3 або Р4, привід вентиля отримує живлення, і після досягнення
засувкою крайнього положення («закритий» або «відкритий») задіюється
відповідний кінцевий вимикач вентиля (В1, В2) і розривається ланцюг
живлення пускача, загоряється відповідна сигнальна лампа. Кнопкою Кн1
здійснюється зупинка будь-якого з вентилів у проміжних положеннях.

4.3 Заходи безпеки

При роботі на установці потенційну небезпеку для обслуговуючого
персоналу представляють:
- утворення твердих аерозолів в процесі нанесення покриття;
- підвищення значення напруги в електричних ланцюгах;
- можливість механічних травм.
80

До роботи на установці повинен допускатися обслуговуючий персонал,
добре знаючий установку і роботу установки, комплектуючого обладнання,
електроживлення, вакуумні вимірювання, а також технологічний процес, для
якого установка призначена, і що пройшов підготовку за правилами
експлуатації установки і правилам техніки безпеки і вакуумної гігієни.
Персонал, який експлуатує і ремонтує установку і її устаткування,
повинен мати посвідчення, що дає йому право працювати на електроустановках
напругою понад 1000 В.
Експлуатація установки повинна проводитися у виробничих
приміщеннях, відповідних санітарно -технічним вимогам, встановленим ГОСТ
12.1.005-76.
Підготовка інструменту і деталей машин до нанесення покриттів із
застосуванням легкозаймистих рідин (бензин, ацетон, спирт) повинна
проводитися з виконанням вимог щодо забезпечення пожежної безпеки
відповідно до ГОСТ 12.1.0 04-76 і вимог вибухобезпеки відповідно до ГОСТ
12.1.010-76.
Робочі приміщення, в яких проводиться обробка деталей або вакуумних
посудин із застосуванням бензину, спирту, ацетону повинні бути знеструмлені.
Куріння в таких приміщеннях забороняється.
У приміщеннях де проводяться роботи необхідно мати засоби для гасіння
пожежі - вогнегасник СУ- 5 (не менше 2 шт).
Опір між шинами мережевої напруги в стійці управління та опір між
пристроєм заземлення та шинами має бути, не менше 1 МОм
Ізоляція шин мережевої напруги між собою і пристроєм заземлення поса-
на витримувати без пробою і поверхневого перекриття випробувальну напругу
2000 В пе - ремінного струму частотою 50 Гц протягом 1 хв .
6Опір ізоляції високовольтного кабелю між висновками і корпусом
установки повинно бути,не менше 20 МОм
Температура поверхні вакуумної камери не повинна перевищувати 80С.
81

Рівень звукового тиску, створюваного установкою, не повинен
перевищувати значень, наведених у таблиці 4.1
Таблиця 4.1 Рівень звукового тиску, який створюється установкою
Частота активних 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
полос, Гц
Рівень звукового 99 92 85 83 80 78 76 76
тиску дБ, не більш

Витяжна вентиляція повинна бути забезпечена пиловловлювальним
фільтром. Необхідно стежити за своєчасним очищенням пиловловлюючого
фільтра.
Профілактичне очищення стінок камери проводити пилососом і
металевою щіткою.
При тривалій експлуатації установки (безперервна робота протягом 5-6
місяців) камеру демонтувати, внутрішні поверхні обробити піскоструминним
агрегатом до повного видалення плівки.
При вивантаженні виробів з камери, очищенню фільтрів відсмоктуючої
вентиляції, стінок камери і пилососа користуватися захисними окулярами і
безклапанним протипиловим респіратором ГОСТ 12.4.041. - 78.
Особи відповідальні за роботу установки, повинні знати, що включення
установки категорично забороняється:
а) при несправному блокуванні;
б) зі знятими захисними кожухами на джерелах плазми і пристрої
поворотному;
в) при несправній системі електроживлення;
г) при несправній системі водоохолодження;
д) без подачі води в усі водоохолоджувані частини агрегату.
Додаткові заходи безпеки при роботі з конкретними матеріалами повинні
бути вказані у відповідних технологічних інструкціях з нанесення певних видів
покриттів.
82

Кожен споживач зобов'язаний (залежно від конкретних умов) розробити
свою інструкцію з техніки безпеки.

4.4 Порядок встановлення вакуумної установки

Приміщення, в якому розміщується установка, має бути з щільними
непротікаючими стелями. Підлогу слід робити без пилу (метласька плитка,
лінолеум та ін) Стіни покриті олійною фарбою світлих тонів. Комунікації
бажано робити прихованими або пофарбувати олійною фарбою.
Приміщення має бути обладнане загальною припливно - витяжною
вентиляцією, згідно СниП 11-33-75. Повітрозбірники припливної вентиляції
повинні бути забезпечені пиловловлюючими фільтрами.
Всі виробничі ділянки необхідно розміщувати в окремих самостійно
вентильованих приміщеннях.
Загальне освітлення бажано здійснювати газорозрядними лампами.
Освітленість не менше 3000 лк.
Установка устаткування, меблів, у тому числі і робочих столів, повинна
дозволяти проведення вологого прибирання приміщення не рідше трьох разів
на тиждень.
Рекомендоване розміщення обладнання установки показано на рис.2.
Допускаються й інші варіанти розміщення обладнання, виконані з дотриманням
правил розміщення вакуумного та електричного обладнання.
Для розміщення кабелів зовнішніх приєднань до всіх функціональних
вузлів установки повинні бути передбачені кабельні канали.
Встановіть агрегат «Булат 6» (А6) джерела живлення електродугових
випарників (А2, А3, А4), стійку керування (А1) і випрямляч іонного
бомбардування (А5) без перекосів згідно планування.
Виконайте складальні операції на агрегаті «Булат 6»:
- встановіть на камеру замість заглушок джерела плазми з анодами;
83

- встановіть вентиль вакуумний на верхньому патрубку затвора
поворотного;
- встановіть блок манометричних перетворювачів;
- встановіть балон для азоту 20П - 150 Л і встановіть на нього редуктор;
- встановіть форвакуумні насоси та підключіть їх до форвакуумної лінії,
попередньо знявши заглушки;
Підключіть установку до системи водопостачання
Система водоохолодження працює тільки з вільним зливом води!
Підключіть агрегат до відсмоктуючої вентиляції. Відсмоктуюча
вентиляція підєднується безпосередньо до агрегату через вентиль вакуумний.
Виконайте заземлення складових частин установки, перевірте надійність
заземлення.
Виконайте всі зовнішні електричні з'єднання агрегату. Кабелі зовнішніх
з'єднань повинні бути надійно захищені від механічних пошкоджень.
Переконайтеся зовнішнім оглядом у відсутності пошкоджень апаратів,
проводів, кабелів.
Відкрийте кришки камери агрегату, зніміть кожух на джерелах плазми:
перевірте опір ізоляції між катодами і камерою; опір має бути не менше 1 МОм.
Закрийте кришки і кожухи.
Встановіть випрямляч іонного бомбардування ф.14275 відповідно до
«Технічний описом та інструкцією по експлуатації ф.14275 ТО (розділ
«Порядок установки».
Встановіть джерела живлення електродугових випарників відповідно до
«Технічного опису та інструкції по експлуатації».
Встановіть вимикач А1 -В1, А1- В3, А1- В4 в положення «Відключено»;
включіть напругу мережі 380 / 220 В автоматичним вимикачем А1- В5.
Переконайтеся в правильності фазування приводів вентилів У5, ..... У8
вакуумної системи короткочасним включенням.
Переконайтеся в правильності фазування двигунів М2, И3 форвакуумних
насосів короткочасним включенням
84

4.5 Характерні несправності і методи їх усунення

При аварійному вимкненні електроенергії необхідно:
- відключити прилади для вимірювання вакууму;
- негайно закрити всі вакуумні вентилі;
- відключіть автоматичний вимикач А1- В5;
- відключити блок натікачем А1- У6; закрити ручний вентиль клапана -
натікачем;
- з'ясувати причину несправності й усунути її.
При аварійному вимкненні води необхідно:
- відключити іонізаційний датчик вакуумметра ПМИ - 2;
- з'ясувати причину несправності й усунути її.
При різкій зміні тиску в установці або при коливанні стрілки
вакуумметра, що може бути при порушенні герметичності установки,
необхідно:
- відключити вакуумметр;
- закрити клапан форвакуумного відкачування У7 високовакуумного
насоса;
- відключити автоматичний вимикач А1- В5;
- з'ясувати несправність і усунути її.
У разі перегоряння нагрівача високовакуумного насоса закрити затвор
поворотний У8 і замінити нагрівач.
При частому мимовільному згасанні дуги може бути:
- струм дуги менше струму стійкого горіння дуги;
- натікання газу через ущільнення в області джерела плазми або через
тріщини в випаровуваному матеріалі;
- підвищення газовиділення в області катода;
- тріщини, раковини сторонні включення в матеріалі катода;
- несправності в джерелі живлення електродугового випарника (див.
«Технічний опис та інструкція з експлуатації ф.12580 ТО).
85

Причиною відсутності підпалу дуги після її згасання або важкого підпалу
(дуга загоряється після декількох імпульсів) може бути:
- руйнування ізолятора підпалює пристрій в джерелі плазми;
- вихід з ладу якого-небудь елемента в схемі підпалу або несправність в
схемі відключення живлення стабілізуючої і фокусуючої котушо.
Причиною великих струмів мікродуг в процесі іонного очищення виробу
або струмового захисту можуть бути несправності в блоці струмового захисту.
Ремонтні роботи на установці проводити тільки при відключеній системі
електроживлення.
Перед зняттям водоохолоджуючих вузлів для ремонту попередньо
видаліть воду стисненим повітрям з охолоджуваних порожнин.
При ремонті джерел плазми зверніть особливу увагу на якість виконання і
вакуумних ущільнень.

4.6 Порядок роботи

Провірте наявність захисних засобів і їх справність:
- діелектричні рукавички;
- захисні кожухи на випарниках і поворотному пристрої;
Увімкніть систему охолодження.
Увімкніть напругу 380 / 220 В; увімкніть автоматичний вимикач А1- В5;
проконтролюйте сигналізацію блокувань і положення вентилів вакуумної
системи; всі повинні знаходитися в закритому стані.
Увімкніть форвакуумний насос;
Відкрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування насоса
високовакуумного.
Увімкніть насос високовакуумний У4. Насос вийде на робочий режим
через 60 хв.
Увімкніть прогрів камери, анодів і затвора поворотного.
86

Заповніть камеру повітрям через пробку до атмосферного тиску;
прикрийте злегка кришку камери (технологічний люк); відкрийте вентиль У5
вентиляції камери.
Увімкніть вентиляцію камери на 5 хв.
Відкрийте кришку камери і завантажте оброблювані вироби, виконайте
вказівки технологічної інструкції; закрийте камеру; закрийте пробку.
Закрийте вентиль У5 вентиляції камери.
Закрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування насоса
високовакуумного, відкрийте вентіль У6 форвакуумного відкачування камери.
Закрийте вентиль У6 форвакуумного відкачування камери при досягненні
тиску в камері 1,32 Па (110 -2 мм рт ст.).
Відкрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування насоса
високовакуумного.
Відкрийте затвор поворотний У8.
Вимкніть прогрів камери при досягненні тиску 6,5  10 -3 па ( 5  10 -5 мм рт
ст), перевірте охолодження камери в робочому процесі.
Проводьте іонну очистку виробів відповідно до технологічної інструкції,
для чого: - увімкніть поворотний пристрій:
- увімкніть випрямляч іонного бомбардування А5, встановивши необхідну
напругу; управління випрямлячем виконуйте відповідно до «Технічний опис і
інструкції з експлуатації»;
- увімкніть один або більше джерел плазми (за технологічною
інструкцією); управління джерелами живлення електродугових випарників А2,
А3, А4, виконуйте відповідно з «Технічним описом та інструкцією по
експлуатації», встановіть необхідні струми джерел плазми;
- контролюйте тиск в камері і температуру виробу; тиск у камері не
повинен перевищувати 9,2 .... 10,6  10 -3 Па (7 .... 8  10 -5 мм рт ст.). Вимкніть
джерело плазми при перевищенні зазначеного тиску в камері і включайте його
після відновлення тиску до значення 2,6 ... 3,9  10 -3 Па ( 2 ..... 3 10 -5 мм рт ст.).
87

- перемкніть напругу випрямляча іонного бомбардування на напругу
живлення підложки за технологічною інструкцією після досягнення
температури оброблюваного виробу, зазначеної в технологічній інструкції.
Проведіть нанесення покриття на виріб у відповідності з технологічною
інструкцією, для чого:
- увімкніть клапан – натікач, за допомогою ручного вентиля клапана -
натікача встановіть тиск робочого газу в камері згідно з технологічною
інструкцією і налаштуйте роботу блоку натікачем в діапазоні необхідних тисків
за допомогою ручки потенціометра на блоці натікачем А1- У6;
- увімкніть потрібну кількість джерел плазми і встановіть необхідний
струм дуги.
Вимкніть джерела живлення електродугових випарників після закінчення
часу нанесення покриття на виріб, зазначеного в технологічній інструкції.
Вимкніть клапан - натікач іонного бомбардування; закрийте ручний
вентиль клапана - натікача.
Вимкніть випрямляч іонного бомбардування.
Вимкніть поворотний пристрій.
Проведіть вивантаження виробів, для чого:
- закрийте затвор поворотний У8 після охолодження виробів; час
охолодження виробів визначається технологічною інструкцією;
- увімкніть прогрів камери;
- заповніть камеру повітрям через пробку до атмосферного тиску;
- відкрийте кришку камери (щілина 10 .... 15 мм); включіть вентиляцію
камери і відкрийте вентиль У5 на 15 хв, після чого закрийте вентиль;
- відкрийте камеру і вивантажите вироби.
Для повного відключення установки зробіть наступні операції:
- відключіть високовакуумний насос;
- закрийте камеру, пробку;
- закрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування високовакуумного
насоса;
88

- відкрийте вентиль У6 форвакуумного відкачування камери;
- відключіть прогрів камери після досягнення тиску в камері 1,32 Па
- закрийте вентиль У6 форвакуумного відкачування камери;
- відкрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування високовакуумного
насоса;
- закрийте вентиль У7 форвакуумного відкачування високовакуумного
насоса через 20 ... 30 хв. Після виключення високовакуумного насоса:
- відключіть форвакуумний насос і, напустіть атмосферне повітря через
пробку в форвакуумну лінію;
- відключіть автоматичний вимикач А1- В5.

Висновки до 4 розділу
Було розглянуто вимоги безпеки при роботі на вакуумній установці
«Булат»

89

Висновки
1. В результаті проведеного літературногу огляду встановлено, що
одним з найперспективніших методів відновлення зношених поверхонь
ріжучих пластин є вакуумно-плазмовий метод.
2. Розглянуто обладнання та матеріали для формування покриттів з
нітрид титану.
3. Проведено дослідження отриманих покриттів
4. В результаті проведених досліджень встановлено:
5. Було встановлено, що значення мікротвердості TiN покриттів з
перебігом часу осадження з 20 до 60 хв підвищуються більш ніж у 4 рази.
Товщина покриття значно впливає на його механічні характеристики:
збільшення товщини знижує ризик руйнування та забезпечує кращі механічні
властивості В результаті досліджень було встановлено, що для навантаження
0,025 Н мікротвердість зразків із покриттям зросла у 1,2 рази при товщині
покриття 5 мкм, та більш ніж у 3 рази при товщині покриття 7 мкм.
Дослідження показують, що тиск азоту під час формування нітридтитанових
(TiN) покриттів істотно впливає на їхні механічні властивості, структуру та
експлуатаційні характеристики. При низькому тиску азоту (~0,01 Па) покриття
демонструють максимальну твердість, однак характеризуються, підвищеною
крихкістю, значною кількістю крапельної фази титану та непридатністю для
використання на ріжучому інструменті через утворення дефектів і недостатню
зносостійкість. Зі зростанням тиску азоту зменшуються розміри й кількість
крапель титану в покритті, а покриття стають більш однорідними
(монофазними) та покращується стійкість до зношування й ерозії. Покриття з
твердістю в діапазоні 16–20 ГПа є найбільш стійкими до зносу під час
різання.Твердість TiN-покриттів при тиску ( p = 0,03 Па) значно залежить від
струму. Оптимальні значення твердості спостерігаються при струмі 60–80 А,
тоді як зменшення або перевищення цього діапазону призводить до погіршення
механічних властивостей через пористість або утворення крапельної фази. При
напиленні у вакуумі товщина покриття нітриду титану (TiN) змінюється
90

залежно від відстані між катодом (джерелом матеріалу) і підкладкою через
зміну енергетичних умов осадження та розподілу частинок у плазмі.
6. Проведено аналіз умов праці при напиленні покриттів з нітрид
титану

91

Список використаної літератури
1. Інженерія поверхні: Підручник / К. А. Ющенко, Ю. С. Борисов,
В. Д. Кузнецов, В. М. Корж — К.: Наукова думка, 2007. — 559 с.
2. Підвищення стійкості різального інструменту технологічними
методами : навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / [Тарельник В. Б. та ін.] ; за
ред. проф. В. Б. Тарельника. – Суми: Університетська книга, 2011. – 189 с.
3. Шиліна О.П. Вакуумно-конденсаційне напилювання покрить.,
навчальний посібник /О.П. Шиліна, В.І. Савуляк, А.Ю. Осадчук. – Вінниця:
ВНТУ, 2007.-96с.
4. Конспект лекцій з дисципліни «Інженерія поверхні» (Частина 1) для
студентів спеціальності 131 «Прикладна механіка» освітня програма
«Відновлення та підвищення зносостійкості деталей та конструкцій» усіх форм
навчання / Укл.: С.П. Бережний. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2018 – 78 с.
5. Покриття у приладобудуванні : монографія / В. С. Антонюк. Г. С.
Тимчик, Ю. Ю. Бондаренко та ін. - Київ : НТУУ «КПІ». Вид-во «Політехніка».
2016. – 360с
6. Корж В. М.Технологія та обладнання для напилення: Навчальний
посібник/ В.М.Корж— К.: НМЦВО, 2000. — 152 с.
7. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент
/ Ю.Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В. Лаврова и др. – К.: Техника, 1992. – 143 с.
8. Нанесення покриття: навчальний посібник / [Корж В.М., Кузнецов
В.Д., Борисов Ю.С., Ющенко К.А.]; за редакцією НАН України К.А. Ющенка –
К.: Арістей, 2005 р. – 204 с.
9. Залога В.О. Сучасні інструментальні матеріали у машинобудуванні:
навч. посіб / В. О. Залога, В. Д. Гончаров, О. О. Залога. – Суми: СумДУ, 2013. –
371 с.
10. . Рожков О.Д Технологія нанесення покриттів. Частина II: Навч.
посібник /О.Д. Рожков – Дніпропетровськ: НМетАУ, 2008. - 38 с.
11. Білик І.І. Технологія нанесення покриттів та їх властивості
навчальний посібник [Електронний ресурс] : навчальний посібник / І. І. Білик,
92

С. О. Руденький – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – 120 с.
12. Лабунець В. Ф. Формування зносостійкого покриття на різальному
інструменті зі сталі Р6М5 / В. Ф. Лабунець, В. В. Загребельний // XVII
Міжнародна науково-технічна конференція «Прогресивна техніка, технологія
та інженерна освіта», 21–24 червня 2016 р, м. Одеса-м. Київ.: матеріали. – С.
253- 255.
13. Подус Л.П. Отримання тонких плівок магнетронним розпиленням:
методичні вказівки до виконання лабораторної роботи /уклад Л. П. Подус, Р. М.
Приходько. – Харків: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2020.
14. Carvalho N. J. M. Stress analysis and microstructure of PVD monolayer
TiN and multilayer TiN/(TI,Al)N coatings / N. J. M. Carvalho, E .Zoestbergen, B. J.
Kooi et al. // Thin Solid Films, 2003. – V.429. – № 1–2. – P. 170–189.
15. Костюк Г.И. Эффективный режущий инструмент с покрытием
упрочненным слоем. Справочник / Г.И. Костюк. – К.: Антиква, 2003. – 412 с.
16. Корас В.М. Технологія та обладнання для напилення: Навч.
посібник/ В.М. Корас – К.: НМЦ ВО, 2000. – 152 с.
17. Ковришкін М.О. Методи формування покриттів на різальному
інструменті / М. О. Ковришкін, О. В. Шевченко, С. О. Довжук // Техніка в
сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування,
автоматизація, 2010. – Випуск 23. – С. 344-351.
18. Антонюк В. С. Особливості визначення параметрів покриття на
різальному інструменті / В. С. Антонюк // Вісник НТУУ «КПІ».
Приладобудування : збірник наукових праць, 2004. – Вип. 28. – С. 129–132.
19. Костюк Г.И. Физико-технические основы нанесения покрытий,
ионной имплантации и ионного легирования, лазерной обработки и
упрочнения, комбинированных технологий. Кн.1: Физические процессы
плазменно-ионных, ионно-лучевых, плазменных, светолучевых и
комбинированных технологий / Г. И. Костюк. – К.: Изд-во АИНУ, 2002. – 596 с.
20. Антонюк В. С. Дискретні покриття на різальному інструменті / В.С.
Антонюк, О. Б. Сорока, Б. А. Ляшенко, А. В. Рутковський // Проблеми
93

прочности, 2007. – № 1. – С. 138-143.
21. Внуков Ю. М. Зношування і стійкість різальних лезових
інструментів: навч. посіб / Ю. М. Внуков, В. О. Залога. – Суми: СумДУ, 2010. –
243 с.
22. Корбут Є. В. Підвищення стійкості різального інструменту
комбінованими методами поверхневого зміцнення / Є. В. Корбут, О. В. Радько,
О. В. Андрєєв та ін. // Проблеми тертя та зношування, 2014. – Вип. 4 (65). – С.
105-110.
23. Veprek S., A concept for the design of novel superhard coatings./ S.
Veprek, S. Reiprich. /Thin Solid Films 268 (1995), 64-71. 10. T. Hirai and S.
Hayashi, J. Mater. Sci.17 (1982) 1320.
24. Ikeda T. Phase formation and characterization of hard coatings in the Ti-
Al-N system prepared by the cathodic arc ion plating method / T. Ikeda, H. Satoh //
Thin Solid Films. – 1991. - V. 195.– P. 99 – 110.
25. Sue, J.A. Development of arc evaporation of non-stoichiometric titanium
nitride coatings / J.A. Sue // Surface and Coatings Technology. – 1993. – V. 61. – P.
115 – 120.
26. Luridiana S. Spectrofotometric study of oxide growth on arc evaporated
TiN and ZrN coatings during hot air oxidation tests / S. Luridiana, A. Miotello // Thin
Solid Films. – 1996. – V. 290–291. – P. 289–293.
27. Torok E. Young′s modulus of TiN, TiC, ZrN and HfN / E. Torok J. Perry
L. Chollet, W.D. Sproul // Thin Solid Films. – 1987. – V. 153. – P. 37–43.
28. Установка вакуумная. Булат-6.. Паспорт , 1992
29. ПМТ-3 Техническое описание и инструкция по эксплуатации. -
1983
30. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Бібліографічний запис, бібліографічний
опис. Загальні вимоги та правила складання»: методичні рекомендації з
впровадження/уклали: Галевич О.К., Штогрин І.М.– Львів, 2008 – 20с.
31. ДСТУ. 3008-95 – Документація. Звіти у сфері науки і техніки.
Структура і правила оформлення.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets