Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

310

сверл с покрытием из ТiN возросла в 20 раз по сравнению со стойкостью

сверл без покрытия.

С увеличением температуры подложки при нанесении покрытия

стойкость инструмента возрастает (температура подложки должна быть

выше 600°С).

Не во всех случаях максимальная стойкость отвечает максимальной

твердости. Хотя более высокую твердость обеспечивает парциальное

давление С

~ 1·10

-4

·12,3 Па, минимальный износ задней грани имеет

место при давлении С

4·10

-4

мм рт. ст., что соответствует более низкому

значению НV~2500·9,8·10

-6

Па.

Сравнение достигнутых стойкостей при сверлении быстрорежущими

сверлами при критерии износа по углу h =0,5мм показывает, что каждое

нанесенное покрытие в данных условиях резания приводит к повышению

стойкости минимум на 70% в сравнении с инструментами без покрытия.

Режущие свойства сверл, прорезных и концевых фрез, резцов, зенкеров,

разверток, метчиков и зубообразующего инструмента с износостойкими

покрытиями окиси хрома и нитрида титана определялись при обработке

сплавов марок О8Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т, З0ХГСА, 45,

ОХ23Н28М3Д3Т, 50, 20ХН3А, БрХ08, АМц, АМц-6 и др. При точении

режущие свойства инструмента с покрытием оценивались в сравнении с

резцами из стандартной стали марки Р18, а при обработке многолезвийным

инструментом: развертками, фрезами, сверлами, метчиками - в сравнении с

инструментом из тех же быстрорежущих сталей без покрытий. Толщина

покрытий, осаждаемых на режущие кромки инструментов, составляла

5-15 мкм при микротвердости НV=1500-3000 Па.

Для ориентации в выборе составов износостойких комплексов

приводится таблица 6.5.

311

Таблица 6.5 – Рекомендуемый состав покрытий для нанесения на режущие

инструменты, предназначенные для резания труднообрабатываемых материалов

Обрабатываемый

материал

Покрытие

Реко-

мендуемый

инструм.

материал

вместо

матрицы под

покрытие

Ориентировочное

значение скорости

резания V, м/мин.,

при обработке

инструментом

Повышение

стойкости

инструмента

при

нанесении

покрытия

(резание при

оптимальной

скорости)

без

покры-

тия

с покры-

тием

Коррозионно-

стойкие стали

ферритного,

мартенситного

классов (типа

08Х13,12Х13,

1Х12Н2ВМВ)

(Ті,Cr)-(Ті,Cr)N-TiN

(Ті,Zr)-(Ті,Zr)N-ZrN

Zr-(Nb,Zr)-ZrN

Ti-(Ti,Al)N-Al2O3

ВК6-М, ВК6,

ТТ10К8-Б

140-160

170-200

2,5-3,5

Коррозионно-

стойкие,

жаропрочные стали

аустенитного

класса

(типа Х18Н10Т,

Х18Н12Т, Х23Н18,

Х15Н5)

ВК6-М, ВК6,

ТТ10К8-Б

120-150

155-180

2,0-2,8

Р6М5К5,

Р12Ф4К5

10-20

15-28

1,5-2,2

Жаропрочные,

жаростойкие

хромоникелевые

стали (типа

Х12Н20Т3Р)

ВК6,

ТТ10К8-Б

50-60

60-70

1,8-2,2

Сплавы на

титановой основе

(типа ВТ1, ВТ3,

ВТ6, ВТ14, ВТ20,

ВТ22)

Zr-(Nb,Zr)-ZrN

Cr-(Mo,Cr)N-CrN

Zr-(Zr,Cr)N-

(Zr,Cr,Al)N

ВК6

40-50

55-80

1,8-2,5

Жаропрочные

деформированные

сплавы

(типа ХН60В,

ХН77ТЮ,

ХН77ТЮР,

ХН35ВТЮ)

(Ti,Cr)-(Ti,Cr)N-TiN

(Ti,Cr)-(Ti,Cr,Al)N-

(Ti,Al)N

Cr-(Mo,Cr)N-CrN

ВК6,

ТТ10К8-Б

20-45

25-60

1,8-2,5

312

6.14 Заключение

Наиболее эффективная область синтезированных покрытий

определяется их функциональными свойствами: износостойкостью,

коррозионной стойкостью, оптическими, триботехническими,

декоративными и др. Послойное выращивание – реализация генеративного

принципа – позволяет конструировать поверхностный слой изделия в

зависимости от требований эксплуатации. Текстурирование граничного

слоя при многослойном синтезе покрытий дает возможность на

наноуровне управлять свойствами поверхности.

Износостойкость покрытий определяет их использование для

режущих, деформирующих и измерительных инструментов,

технологической оснастки, деталей машин.

Коррозионностойкость покрытий важна для изделий медицинской

техники (зубные протезы, хирургические и др. инструменты, имплантаты),

оборудование пищевой, химической, нефтяной и газовой

промышленности.

Оптические свойства покрытий улучшают характеристики световых

и тепловых фильтров, архитектурного стекла в строительстве, стекла всех

видов транспорта, медицинской и светозащитной оптики.

Триботехнические свойства покрытий повышают работоспособность

деталей узлов трения, инструмента и инструментальной оснастки.

Декоративные качества улучшают тонкие износостойкие пленки

различных цветов на стеклянной, керамической, фаянсовой и хрустальной

посуде и др. изделиях из этих материалов. Широко применяется нанесение

износостойких покрытий на элементы столовых приборов (ложки, ножи,

вилки), на корпуса часов, на браслеты, бижутерию, фурнитуру и другие

изделия из полируемой нержавеющей стали или других металлов, которые

предварительно хромированы или никелированы.

Области применения генеративных способов формирования

поверхности и приповерхностного слоя несомненно будут расширяться и

покрытия будут играть важную роль как при изготовлении миниатюрных

изделий, так и крупногабаритных.

313

6.15 Вопросы для самостоятельного контроля

1. Назовите основные группы методов получения покрытий и

модификации поверхностного слоя.

2. Каково влияние энергии ионов на формирование поверхности

изделий?

3. Каков спектр функциональных назначений покрытий

4. Сущность метода катодного (ионного) распыления

5. Сущность метода магнетронного распыления

6. Сущность метода ионно-термического нанесения покрытий

7. Как осуществляется синтез покрытий из плазмы электродугового

разряда с горячим и холодным катодом?

8. Как осуществляется синтез многослойных покрытий в

одновакуумном цикле?

9. Какие химические соединения составляют покрытия по методу

КИБ?

10. Какие принципы реализуются в конструкциях электродуговых

источников плазмы?

11. Какова роль температуры подложки в синтезе покрытий по

методу КИБ?

12. Каков механизм образования покрытия?

13. Каковы особенности метода комплексной поверхностной ионно-

плазменной обработки (КИПО)?

14. Представьте принципиальную схему износостойкого

многослойного комплекса.

15. Какие методы применяются для контроля качества покрытий?

16. Каковы предпосылки повышения работоспособности режущего

инструмента нанесением покрытий?

17. Приведите примеры повышения работоспособности режущего

инструмента.

18. Каковы тенденции развития технологии синтеза покрытий?

314

РАЗДЕЛ 7

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

НАНОУРОВНЯ

7.1 Особенности реализации интегрированных генеративных

технологий на нанометровом уровне

Разработка новых материалов, технологий их получения и

изготовления изделий является одной из ключевых задач развития всех

сфер жизнедеятельности человека, во многом определяет экономический и

социальный уровень развития общества.

В предыдущих разделах рассмотрены способы реализации

принципиально нового подхода в этом направлении – интегрированные

генеративные технологии макро- и микроуровня. Следующим этапом,

позволяющим достичь предельных характеристик современных технологий,

является формирование объектов путем структурирования на наноуровне.

Практическое осуществление данного подхода стало возможным

благодаря созданию и развитию нанотехнологий, позволяющих, в

частности, создавать необходимые «конструкции» из наномасштабных

элементов, располагаемых в требуемом порядке по принципу наращивания

«снизу-вверх» («bottom-up»), рис. 7.1.

Рисунок 7.1 – Получение требуемого изделия путем сборки на атомарном уровне

по принципу «снизу-вверх» («bottom-up»)

Нанотехнологии, реализующие генеративный принцип, являются

продолжением и развитием микротехнологии – науки, изучающей

микрообъекты и манипуляции с ними. Нанотехнологии базируются на

изучении нанообъектов с размерами, соизмеримыми с размерами

315

отдельных молекул и атомов независимо от их природы. Поэтому речь

идет о междисциплинарном направлении науки и технологии,

сочетающем различные разделы физики, химии, механики, биологии и т.д.

Особенность генеративных интегрированных технологий

наноуровня заключается в том, что рассматриваемые процессы и

совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне

пространственных размеров.

«Сырьем» при этом являются отдельные атомы, молекулы, системы

атомов, молекул и их структурных объединений, а не привычные в

традиционных технологиях микронные или макроскопические объемы

материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул.

Происходит переход от манипуляции веществом к манипуляции

атомами.

«Индивидуальный» подход, при котором внешнее управление

достигает отдельных атомов и молекул, способствует реализации особых

структурных состояний, сложных квантовомеханических эффектов,

определяющих «аномальные» физические, механические, химические и

другие свойства, отличные от свойств традиционных материалов.

Проблема создания и исследования структур с контролируемыми

параметрами и заданными свойствами на наноуровне входит в число

важнейших технологических проблем современности. Это связано с

уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,

близкими к фундаментальным ограничениям, возможностью создания

«интеллектуальных» материалов с заранее заданными программируемыми

свойствами, разработкой новых технологий обработки материалов и

модификации их поверхности, с общей тенденцией к миниатюризации

изделий. Решение данных задач, несомненно, приведет к революционным

изменениям во многих областях – материаловедении, машиностроении,

электронике, энергетике, химии, биологии, медицине и т. д.

Зарождение и развитие новой парадигмы всей производственной

деятельности «снизу-вверх» – от отдельных атомов к изделию, а не

«сверху-вниз» при традиционных технологиях, когда изделие получают

отделением «лишнего» материала от массивной заготовки, охватывает все

жизненно важные виды деятельности человека – от освоения космоса до

316

медицины, от национальной безопасности – до экологии и сельского

хозяйства.

7.2 Основные термины и определения

Как и любая область знаний, нанонаука имеет свою специфическую

систему терминов. Терминология нанонауки еще проходит стадию

формирования.

Более того, в связи с бурным развитием нанотехнологий в настоящее

время, открытием новых неожиданных явлений и перспектив применения

многие, казалось бы, устоявшиеся на данный момент определения нельзя

считать исчерпывающими. Перечень терминов с приставкой «нано-»

постоянно дополняется и расширяется.

Во многих странах ведется разработка стандартов, касающихся

нанотехнологий. Например, в Международной организации по

стандартизации (ISO), объединяющей 157 национальных организаций, в

2005 г. был создан Технический комитет по разработке стандартов для

нанотехнологий (ISO/ ТС 229), в том числе в области терминологии.

Рассмотрим некоторые основные понятия.

Наномасштаб подразумевает порядок размеров между 1 и 100

нанометрами (1 нм = 10

-9

м).

Нанотехнология – это междисциплинарная область науки, в

которой изучаются закономерности физико-химических процессов в

пространственных областях нанометровых размеров с целью управления

отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при

создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со

специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Нанотехнология – это также совокупность методов и приемов,

обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и

модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее

100 нм, имеющие принципиально новые свойства и позволяющие

осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы

большего масштаба.

Наноматериалы – это материалы, содержащие структурные

элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном направлении

317

не превышают 100 нм (от 1 до 100 нм), обладающие качественно иными по

сравнению с традиционными материалами физическими, химическими,

механическими и биологическими свойствами, функциональными и

эксплуатационными характеристиками.

Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что существенные

изменения свойств материалов начинаются при размерах структурных

элементов менее 100 нм. Нижняя граница диапазона обусловлена

критическим размером нанокристаллического материала как структурного

элемента, имеющего упорядоченное строение, т. е. кристаллическую

решетку (например, для железа этот предел составляет 0,5 нм).

Термин «наноматериалы» является объединяющим и включает в

себя большую группу различных материалов – нанокристаллических,

нанофазных, нанокомпозитных, нанопористых, а также нанокластеры,

наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нанопокрытия и т. д.

Нанокристаллические (наноструктурные, наноструктурирован-

ные, нанофазные) материалы – материалы, у которых размер отдельных

кристаллитов или фаз, составляющих структурную основу, не превышает

100 нм хотя бы в одном измерении.

Объемные (массивные, компактные) наноматериалы –

наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более

нескольких миллиметров), состоящие из большого числа наноразмерных

элементов (кристаллитов), т. е. поликристаллические материалы с

размером зерна 1…100 нм.

Консолидированные наноматериалы – компактные наноматериалы,

пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые

методами порошковой технологии, интенсивной пластической

деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и

разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Нанокластеры (атомные кластеры, от англ. cluster – пучок, рой,

скопление) – низкоразмерные структуры, состоящие из небольшого числа

атомов, размером до 10 нм.

Наночастицы (атомные частицы) – промежуточные образования

из атомов (молекул) между нанокластерами и макроскопическими

твердыми телами, имеющие характеристические размеры менее 100 нм.

318

Квантовые точки, проволоки, ямы – искусственно созданные

кластерные наноструктуры с размерным квантованием движения

носителей заряда в трех, двух и одном направлениях соответственно, рис. 1

Приложения А1.

Фуллерены – стабильные замкнутые сферические и сфероидальные

многоатомные молекулы, поверхность которых образована правильными

многогранниками из атомов углерода (или другого элемента).

Нанопорошки (ультрадисперсные порошки) – порошки с размером

частиц менее 100 нм.

Нанотрубки – нитевидные наночастицы из атомов углерода или

других элементов диаметром не более 100 нм, содержащие протяженную

внутреннюю полость.

Нановолокна – нитевидные частицы диаметром не более 100 нм, не

имеющие внутренней полости.

Наноструктурные покрытия – покрытия нанометровой толщины

(нанослойные покрытия); покрытия с нанометровым размером

кристаллитов (нанокристаллические покрытия).

Нанокомпозиты – композиционные материалы с металлической,

полимерной, керамической матрицей и наполнителем в виде наночастиц,

нановолокон, нанослоев, а также композиционные материалы со сложным

использованием нанокомпонентов.

Нанонаука – система знаний, основанная на описании, объяснении и

прогнозировании свойств материальных объектов с нанометровыми

характеристическими размерами или систем более высокого метрического

уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных

элементов.

Нанопроизводство – производство или подготовка наноструктур.

Наноиндустрия – интегрированный комплекс производственных,

научных, образовательных и финансовых организаций различных форм

собственности, осуществляющих целенаправленную деятельность по

созданию интеллектуальной и промышленной конкурентоспособной

промышленной продукции, относящейся к сфере нанотехнологий.

Нанообъект – физический объект исследований (и разработок),

размеры которого принято измерять в нанометрах.

319

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или

самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометровыми

размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта

качественно новых свойств, связанных с проявлением наномасштабных

факторов.

Наносистемная техника – созданные полностью или частично на

основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные

системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом

отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения,

созданных по традиционным технологиям.

Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства,

материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных

возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее

недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями,

технико-экономическими параметрами и функциональными

возможностями.

Нанодиагностика – совокупность методов исследования

структурных, физико-химических, механических, биологических и других

характеристик наноматериалов и наносистем, измерение метрических

параметров с наноточностью.

Нанометрология – наука об измерениях, методах и средствах

обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности в

нанометровом диапазоне.

Объединяющим началом всех указанных понятий и терминов

является то, что приставка «нано-» есть особое обобщенное отражение

объектов исследования, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их

описания, связанных с характерной протяженностью базового

структурного элемента.

На рис. 7.2 представлена схема, отражающая фундаментальные

основы нанонауки, составляющие ее направления, контуры

технологического пространства и областей применения наноматериалов,

нанотехники, нанотехнологий.