Оценка состояния подложки перед нанесением пкрытия на основе критерия работы выхода элетрона

Вид материала

Документы

Содержание Основная часть. При химическом взаимодействии Используя критерий степени недостроенности электронных оболочек Электронная структура поверхностей Реальное состояние подложки и нанесение покрытий R, то напряженность электрического поля Е Взаимодействие энергетических ионов с материалами Е - энергия иона на расстоянии х от поверхности, N Т15К6) с покрытием из Ti (C,N)

Подобный материал:

• Модификация свойств покрытий на основе ni и Со, нанесенных методом плазменной детонации, 297.75kb.
• Простейшая комплексная оценка финансового состояния предприятия на основе нечетко-множественного, 181.89kb.
• Уг на основе внедрения достижений научно-технического прогресса, эффективных форм хозяйствования, 932.28kb.
• Оценка функционального состояния человека в условиях космического полета на основе, 422.6kb.
• Мониторинг технического состояния скважин на основе глубинной видеосъемки, 70.64kb.
• Экономическая оценка финансового состояния, 81.64kb.
• Оценка состояния дебиторской задолженности в ООО «промстройсервис», 155.73kb.
• При невыполнении одного из данных требований, претендент к предквалификации для участия, 34.06kb.
• Методика обоснование рационального размещения автозаправочных станций в Санкт-Петербурге, 734.96kb.
• Оценка фактического состояния, 120.79kb.

УДК 621. 81.004.67 (085.2)


ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОДЛОЖКИ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ПКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕТРОНА.

THE ESTIMATION of the CONDITION of the SUBSTRATE BEFORE FIXING of the COVERING ON BASE the CRITERION WORKING the LEAVING the ELECTRON.


Ивашко В.С. (БНТУ), Ильющенко А.Ф. (ГНУ «НИИПМ» НАНБ), Лойко В.А., (УО «БГАТУ), Шипица Н.А. (ГНУ «НИИПМ» НАНБ)

Viktor S. Ivashko, Alexandr F. Iluschenko, Vladimir A. Loiko, Nicolai A. Shipisa.


Реферат.

В работе проанализированы существующие критерии адгезии и известные попытки описать математически единую модель влияния некоторых факторов для получения нанесения защитных покрытий высокими адгезионными свойствами. Показано, что на данный момент учесть все множество факторов и предложить модель адгезии оказывается невозможно. Имеется множество факторов (не считая технологических режимов), влияние на величину адгезионной прочности весьма существенно. Следовательно, весьма перспективным представляется оценивать параметр, характеризующий состояние поверхности перед нанесением покрытия работу выхода электронов (РВЭ). Приведены результаты исследования поверхности обработанной потоком ионов Ar из источника «Радикал».

THE ESTIMATION of the CONDITION of the SUBSTRATE BEFORE FIXING of the COVERING ON BASE the CRITERION WORKING the LEAVING the ELECTRON. In this work were analyzed existing criteria adhesion and the known attempts to describe mathematically united model of the influence some factor for reception of the fixing defensive covering high adhesion characteristics. It ´s shown that on given moment turns out to be impossible to take into account all ensemble a factor and offer the model. There is ensemble factor (not to count towards technological mode), influence upon value adhesion toughness very greatly. Consequently, more perspective introduces to value one of the parameter, which characterizes the condition to surfaces before fixing of the covering working the leaving electron (WLE). Are given the results of the study to surfaces by processed by the flow ion Ar by the source "Radical".


Введение. Развитие методов плазменной технологии высоких энергий дает дополнительные возможности получения покрытий тонких пленок, широко применяемых в настоящее время в различных об­ластях техники. Метод вакуумно-плазменной конденсации с ионной бомбардировкой [1] позволяет получать покрытия из вы­сокотвердых карбидов и нитридов переходных металлов для упрочнения деталей машин и металлорежущего инструмента. Синтез этих покрытий происходит непосредственно на подложке в процессе конденсации потока ме­таллической плазмы в атмосфере соответствующего реактивного газа. Конденсированные микрочастицы металла имеют высокую кинетическую энергию и химическую активность, достаточную для ионизации адсорбированных на поверхности атомов газа и перемещения их по поверхности, выравнивания концентраций и обеспечения условий для формирования равномерного по толщине физико-механическим характеристикам и триботехническим свойствам защитного слоя [2]. Из патентной, научно - технической и рекламной информации отечественных и зарубежных фирм и предприятий следует, что для повышения адгезионной прочности используют различные методы предварительной обработки поверхности деталей и технологические способы ее активации, одним из наиболее перспективных из которых является обработка ускоренными ионами нейтрального газа.

Целью работы являлась анализ существующих критериев адгезии и возможности создания единой модели адгезии, а также возможности использования критерия работы выхода электрона (РВЭ) для оценки влияния ионной очистки поверхности подложки с целью повышения ее активации и увеличения адгезионной прочности обработкой потоком ионов Ar из источника «Радикал».

Основная часть. Существующие критерии и соответствующие математические модели адгезии отражают различные стороны явлений меж­фазового взаимодействия на границах между подложкой и покрытиями разных типов, их контактной активностью:

1. Изобарные потенциалы ΔG_т, реакций, протекающих в двухмерном моно атомном пограничном слое (термодинамический критерий).

2. Энергетический критерий, основанный на средних энергиях единичных связей Me-N, Me-O, Me-Me и др., либо средних энергиях атомизации U_ат соответствующих химических соединений.

3. Электрохимический критерий описываемый нормальными электродными потенциалами Ψ_Ме , возникающими на границе металл-расплав.

4.Электронно-структурный критерий, описывающий сте­пень недостроенности электронных оболочек атомов и статистический вес атомов со ста­бильными электронными конфигурациями.

5. Разрядный потенциал и плотность заряда на границах металл-диэлектрик описывается и рассчитывается на основе электростатического критерия.

При химическом взаимодействии на границе покрытий с подложкой возникают химиче­ские связи и образуются новые химические соединения. Работа адгезии свя­зана со свободными энергиями образования соответствующих соединений. Чем больше отрицательное значение свободной энергии образования химического соединения в моно - слое, тем выше работа ад­гезии. На границе металл - слой нитрида образуются новые связи Me подложки - N. Поэтому адгезия нитридной фазы к металлам подложки должна возрастать по мере увеличения свободных энергий образования соответствующих нитридов, т.е. сродства к азоту.

Авторами [3,4] предприняты попытки разработать количественную теорию адгезии и найти теоретическую меру работы адгезии на границе расплавленный металл, твердый окисел при температуре Т по формуле:

ΔĠт⁰=ΔĠ_т ⁰Ме²О – ΔĠ_т⁰Ме¹О (1)

Согласно энергетическому критерий критерию адгезия обусловлена силами притяжения атомов, находящихся в различных фазах. Следо­вательно, непосредственной мерой адгезии может служить работа разъединения атомов, работа (энергия) разрыва межатомных связей, приходящихся на единицу поверхности раздела.

Работа, затраченная на разрыв связи атомов однофазного тела, есть работа когезии или энергия связи. Она определяется работой атомизации вещества. Работу когезии W_к простого вещества можно рассматривать как произведение числа атомов, расположенных в плоскости разрыва (N₀ρ/M)^2/3 на среднюю энергию разрыва половины связей, приходящихся на один атом U_ат/2N_o:

W_r = (2)

где U_ат- энергия атомизации 1 г/ат вещества, No - число Авогадро; ρ- плотность; М - атомный вес. Теоретическая мера адгезии металла к нитриду того же ме­талла и, наоборот приближенно выражается произведением средней энергии U_i единичной связи Me - N на число связей Σ, приходящихся на единицу поверхности раздела W_а = U_i Σ.

В отличие от простого расчета когезии материала, очень сложно определить число связей Σ, возникших в условиях нанесения покрытий в заданное время на границе двух и более разнородных фаз. На основании приведенного можно сделать качественное предположение, что работа адгезии нитридных покрытий к металлам в первом приближенно должна быть пропорциональна энергии атомизации нитридов, образующихся на границе раздела, т.е. W_a=U_ат. Среднее значение U_ат твердых нитридов могут быть определены из зависимости:

Uат = -1/ mΔH⁰ + L⁰ + n/2mD(N₂) (3)

Здесь D(N₂) - энергия диссоциации молекулы азота;

L⁰(Me) - теплота сублимации металла;

ΔH⁰ - энтальпия образования нитрида.

Согласно электронно-структурному критерию атом каждого элемента периодической системы, как известно, характеризуется в изолиро­ванном состоянии своей электронной конфигурацией. Многочисленные экспериментальные факты позволяют проследить связь между электронным строением атомов металлов и их контактной активностью. Предложено [3,4] расположить d - пере­ходные металлы по убывающей адгезионной активности в следующие ряды:

IY период......Ti, Cr, V, Mn, Fe, Ge, Ni.

Y период.......Zr, Nb, Mo, Pd.

YI период......W, Pt.

Эти ряды соответствуют расположению атомов в Периодической системе по степени недо­строенности их наружных электронных оболочек.

Используя критерий степени недостроенности электронных оболочек и данные магнитных, спектральных и других методов анализа, предпринята попытка перейти от качественной к количественной оценке электроннообменных явлений и величины адгезионной прочности [5, 6]. Согласно принятым понятиям при конденсации часть валентных электронов локализуется у остовов атомов, а часть переходит в нелокализованное состояние. Локализованные электроны участвуют в образовании ковалентной связи, а нелокализованные осуществляют металлические связи. Нелокализованные электроны обладают повышенным запасом энергии, легко возбуждаются и переходят от одного тела к другому, при этом существует наибольшая вероятность взаимодействия между двумя контактирующими телами. Это приводит к образованию энергетически устойчивых электронных конфигураций в контактирующих телах, вызывает дополнительную локализацию электронов, приводящую к повышению в системе так называемого статистического веса атомов со стабильными конфигурациями (СВАСК). Стабильными конфигурациями для d - переходных металлов являются d⁰, d⁵, d¹⁰; для f - переходных металлов f⁰, f⁷,f¹⁴; для непереходных s² ; для неметаллов – sp³ и s²p⁶ . Наиболее устойчивой электронной конфигурацией является конфигурация d⁵. Следовательно, при выборе материалов покрытия и подложки, для получения прочного адгезионного соединения, необходимо создание энергетически устойчивых электронных конфигураций на границе контактирующих тел.

При взаимодействии любых веществ [4, 7], в том числе твердых и жидких, должно сопровождаться обменом электронов, что приводит к понижению суммарной свободной энергии системы. Как известно, образование многих покрытий, их сцепление с основой обусловлены процессами диффузии. Движущей силой диффузии является энергия, выделяющаяся при локализации электронов Е₁. Взаимную диффузию атомов двух веществ А и В характеризуют параметрами Е₁ (АВ) и Е₁ (ВА). Первый означает передачу нелокализованных электронов от А к В, второй - от В к А. Если одна величина значительно больше другой, то диффузия происходит практически в одну сторону. Энергия активации процесса рассматривается как разность Е= Е_в – Е_0, где Е_в –энергия возбуждения, (активации) необходимая для начала электронного обмена. С увеличением доли локализованных электронов, энергетической устойчивости стабильных конфигураций необходимо увеличить соответственно и энергию активации. Следовательно, в зависимости от природы вещества и его электронного строения, протекание различных процессов, в том числе и диффузионных, будет зависеть от величины энергии активации. Особенности протекания диффузионных процессов в d- металлах следует связывать с перераспределением электронной концентрации при термической активации. Известно, что на границе раздела двух фаз всегда образуются двойные электрические слои, в которых разноименные заряды распределены неравномерно. Это обстоятельство ведет к возникновению контактной разности потенциалов. Скачок потенциала между двумя металлами или на границе металл-полупроводник, металл - нитрид зависит от работы выхода электрона. Впервые предполагается, что изменение работы выхода электрона (РВЭ) может быть количественной мерой оценки адгезии слоя покрытия к подложке. В граничной поверхности слой покрытия – подложка возникают области упругих остаточных напряжений, в которых наблюдается увеличение РВЭ, обусловленное изменением положения уровня Ферми вследствие дилатации решетки металла, затем наблюдается быстрое уменьшение работы выхода электрона на стадии сильного упрочнения, (что характерно для упрочняющих покрытий), а при приближении к стадии динамического возврата скорость изменения РВЭ убывает [8].

Электронная структура поверхностей в большой мере определяет адгезию и фрикцион­ное взаимодействие твердых тел. Даже частичное покрытие поверхности твер­дого тела моно слоем адсорбированных атомов или молекул существенно сказы­вается на адгезии и трении. Всего лишь 1% легированного элемента, содержа­щегося в материале, при сегрегации его к поверхности может определять его адгезионные свойства

Известно, что поверхностные электроны определяют адгезионное взаимодей­ствие твердых тел, их адсорбционные свойства и смазочные характеристики. Анализ электронной структуры обнаруживает существенные отличия в распре­делении электронов на разных кристаллографических плоскостях. При распределение плотности электронов плотноупакованной грани (111) отсутствуют резкие изменения заряда поверхности. По­ложительными зарядами являются ионные основы, а отрицательными газ сво­бодных электронов, окружающий ионы. С точки зрения упорядочения электро­нов плотноупакованные плоскости оказываются относительно «гладкими». Для граней с менее плотно упакованной, например (110) решетка положи­тельно заряженных ионов и газ свободных электронов оказывают сильное влия­ние друг на друга. Колебания плотности электронов на поверхности твердого тела отра­жаются на реакционной способности данного материала. Плотноупакованная грань (111) в грани центрированной ре­шетки обладает сравнительно низкой поверхностной энергией, минимально возможной энергией для ГЦК - кристалла. В то же время в грани с менее плот­ной упаковкой, например грань (110) обладает большой поверхностной энер­гией и химически более активна. Следовательно, они более активны при контакте с другими твердыми телами, с окружающей средой и с материалом покрытия, что необходимо учитывать при выборе материалов наносимых покрытий.

Первым этапом, предшествующим химическим реакциям при формировании поверхностных соединений (пленок) является физическая адсорбция. В по­ложении равновесия энергия связи зависит от толщины двойного электрического слоя, образующегося на поверхности металла. В связи с этим представляется возможным проведение исследований поверхности подложки, покрытия и оценка их связи (адгезии) по работе выхода электрона. В рамках первого приближении можно ожидать, что работа выхода невзаимодействующих частиц определяется как:

((4)

В этом выражении v_эфф(-) - кристаллический потенциал на большом удалении от металла, μ - химический потенциал. В случае металла с покрытием несколько изменяется смысл работы выхода электрона - определяется как энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его в некую среду и, если толщина слоя превышает некоторую величину, основной вклад в РВЭ будет вносить не подложка, а сам напыленный слой.

Влияние покрытий на поверхностную энергию чистых металлов изучалось в рамках метода функционала электронной плотности с учетом дискретности в распределении положительного заряда в металле в /1/, где показано, что диэлектрические пленки адсорбента в ряде случаев снижают поверхностную энергию и РВЭ металлов. В металлических сплавах диэлектрические покрытия могут приводить к изменению сегрегации компонентов на межфазной границе [3-8], что является дополнительным фактором изменения поверхностной энергии сплавов. В зависимости от знака и величины поверхностного заряда на межфазной границе влияние диэлектрика на распределение компонентов в поверхностном слое может усиливаться или ослабляться. Этот эффект в определенной степени подобен влиянию внешнего электрического поля на поверхностную сегрегацию в металлических сплавах.

Очевидно, что толщина слоя покрытия будет определяться длиной экранирования - характерное расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда. Длина экранирования определена, как расстояние от поверхности, на котором потенциал поверхности уменьшается в е раз. Длина экранирования l через значение проводимости G и коэффициента диффузии D определяется из выражения:

((5)

Исходя из приведенных данных были проведены расчеты длин экранирования для материалов используемых для нанесения ионно-плазменных покрытий.

Таблица 1. Результаты расчета длины экранирования для некоторых покрытий.

Наименование покрытия	Диэлектрическая проницаемость L−3M−1T4I².	Проводимость Ом-1·м-1	Коэффициент диффузии м2/с	Длина экранирования А.
TiN	10-12	2.5 104	4.5 10-7	0.13
Ti C	10-12	5 103	6.38 10—4	500
Ti (C, N )	10-12		1.43 10-5	10
Cr2N	10-12	5.05 103	1.6 10-6	0.5
Mo2N	10-12	1.2 104	4.3 10-7	0.3

*диэлектрическая проницаемость представлена оценочно


Из представленных результатов видно, что длина экранирования существенно зависит от природы покрытия и в первую очередь от его проводимости.

Для реальных материалов длина экранирования может значительно увеличиваться в результате снижения поверхностной энергии [6-8]. Снижение поверхностной энергии при увеличении толщины покрытия объясняется эффектом «вытягивания» диэлектриком из металлического сплава «хвоста» электронного распределения. Увеличение избыточного отрицательного заряда вне сплава приводит к понижению поверхностной энергии. Наличие положительного межфазного заряда приводит к усилению эффекта «вытягивания» хвоста электронной плотности.

Реальное состояние подложки и нанесение покрытий в естественных условиях без предварительной их подготовки могут содержать различные виды загрязнений и дефектов структурного характера. По типу их взаимодействия с подложкой их можно классифицировать на физические (механические) и химические.

К первым относятся все виды механически сцепленных частиц ( пыль, волокна, абразив, включения и т.д.), а также органические загрязнения, которые при нагревании и под действием бомбардировки заряженными частицами разлагаются, выделяя газообразные продукты ( СО, СО₂, Н₂О и др.). Они ухудшают условия формирования тонких пленок и покрытий, приводят к изменению их фазового состава и снижению адгезионных свойств.

На Рис.1 схематически изображена предложенная нами модель осаждения слоя покрытий на подложки с различными видами поверхностных примесей. Модель формирования структуры слоя следующая. Поток ионов состоит из одноименно заряженных положительных ионов (для случая одного элемента). Вдали от подложки распределение и направление движения ионов к ней будет одинаковым. В области пространства вблизи микровыступов и частиц загрязнений направление движения ионов будет изменяться ввиду значительного повышения напряженности электрического поля. Ионы осаждаются преимущественно у вершин микровыступов и на поверхности частиц включений. Нейтральная и капельная фазы конденсируется преимущественно у впадин между выступами. На первом этапе это приведет к быстрому росту покрытия на микровыступах и уменьшению радиуса закругления их вершин. В какой-то момент времени радиус закругления вершин, а следовательно и напряженность электрического поля, достигнут таких величин, что коэффициент распыления и конденсации станут равными и рост покрытия на микровыступах прекращается. Наличие в ионном потоке ионов с различными по величине массами и соответственно зарядами (для случая двух и более элементов) также будет способствовать их сепарации при осаждении на микронеровностях. Ионы с большим зарядом будут осаждаться преимущественно у вершин микровыступов.

а	б
Рисунок 1 - Схема нанесения покрытия на реальную подложку без предварительной очистки: а) - подложка загрязненная частицами различной формы; б) - подложка содержащая загрязнения в виде пленок. 1 - положительно заряженные ионы распыляемого материала, 2 - электроны, 3 - нейтральные частицы, 4 - капельная фаза.

Если радиус полусферы (выступа) R, то напряженность электрического поля Е в области выступа определяется потенциалом  и размерами. Можно показать, что Е~ R/r², где r - радиус, проведенный из центра полусферы в рассматриваемую точку у самой поверхности выступа, где r R, получаем Е /R. Если  = 100В, что характерно для реального процесса, R= 2*10^-6 м то Е= 2,5*10⁸ В/м - напряженность, существующая в области выступа. Тангенс угла отклонения от первоначального движения ионов можно оценить из выражения:

(6)

Для совершенствования поверхности и удаления подобных загрязнений используют различные способы очистки: шлифовка и полировка, простая промывка различными моющими составами и органическими растворителями, в том числе с обработкой в ультразвуке. Эффективность того или иного способа очистки необходимо контролировать.

Предложены следующая модель очистки и контроля перед нанесением покрытий на образцы из стали: после предварительной шлифовки и полировки проводили очистку в органических растворителях с наложением ультразвукового поля, затем ионная очистка потоком ускоренных ионов Ar с использованием источников ионов «Радикал».

Контроль поверхности подложки перед нанесением покрытия осуществляли на разработанной и изготовленной в ГНУ «НИИ ПМ» опытной установке по изменению потенциала при определении работы выхода электрона (РВЭ). На Рис.2 представлены результаты проведенных исследований. Из приведенных результатов видно, что резкое изменение потенциала (кривая 1) определено наличием примесных атомов углеводородов, приводящих к образованию окисных пленок на поверхности образцов. Обработка потоком ускоренных ионов Ar приводит к очистке поверхности и изменение потенциала (кривая 2) имеет линейную зависимость и практически не изменяется при сканировании на всей поверхности образца.


Рисунок 3 - Зависимость изменения потенциала при измерении работы выхода электрона

1. кривая, полученная при сканировании поверхности после очистки органическими растворителями; 2 – кривая, полученная при сканировании поверхности образца после обработки потоком ускоренных ионов Ar с использованием источников ионов «Радикал».
   

При выборе материалов для напыления, чтобы получить хорошую адгезию, необходимо учитывать их совместимость с материалом подложки в особенности их кристаллических решеток. Так взаимодействие двух материалов, имеющих гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, приводит к возникновению достаточно больших адгезионных сил. Значительно слабее взаимодействуют друг с другом материалы с плотноупакованной гексагональной (ГПУ) решеткой. Изучение взаимодействия пары медь вольфрам показало, что коэффициент адгезии этой пары чрезвычайно мал . Вольфрам представляет собой материал с очень высоким модулем упругости и большой энергией когезионного взаимодействия. Плоскостью плотной упаковки, обладающей минимальной энергией, у вольфрама является плоскость (110), и следует ожидать, что именно она характеризуется минимальной адгезионной активностью. С ростом рассогласования параметров кристаллических решеток контактирующих материалов увеличивается вероятность образования дефектов кристаллического строения в переходной зоне, а адгезионное взаимодействие уменьшается. Так расчет адгезионного взаимодействия пары медь - алюминий с разностью параметров решетки в 10% показал, что сила адгезии, равная 0,8 х10^-3 Н значительно ниже, чем для пары золото-алюминий с разностью параметров решеток 0,71% и силой адгезии 4х10^-3Н. Таким образом рассогласование кристаллических решеток контактирующих материалов оказывает влияние на их адгезионное взаимодействие.

Взаимодействие энергетических ионов с материалами в процессе ионно-плазменной обработки в вакууме обеспечивают качественно новый высокий уровень решения многих технологических задач в том числе и повышение адгезии при нанесении покрытий. Поэтому важным является изучение процессов получения ионной плазмы, ее энергетическом воздействии на вещество и возможности управлять этим процессом, а также управлять воздействием на материалы, увеличивая их поверхностную энергию активации и тем самым повышая адгезионные свойства контактирующих материалов. Основу ионно-плазменной обработки составляет воздействие на материалы энергетически активных и неактивных частиц плазмы. Эффективность протекания процесса физического распыления и процесса химического взаимодействия слабо зависит от того, заряжена частица или нет. Определяющим фактором является ее кинетическая или потенциальная энергия, поскольку уже на расстоянии нескольких десятых нанометра вблизи поверхности происходит нейтрализация ионов электронами, вырываемыми из материала электрическим полем ионов.

При взаимодействии ионов с поверхностью материала потери энергии ядер и электронов - можно считать независящими друг от друга. Среднюю величину удельных потерь бомбардирующей частицы при торможении можно выразить в виде суммы [5].

(8)

или , (9)

где Е - энергия иона на расстоянии х от поверхности, N - плотность атомов материала, S_n(Е) - ядерная тормозная способность, S_e(E - электронная тормозная способность.

В соответствии с приведенным соотношением, ядерная и электронная тормозная способность характеризуют энергию, теряемую ионом на интервале пути dx при столкновениях с ядрами атомов и электронами при плотности атомов, равной единице. При известных S_n(E) и S_e(E) интегрирование дает полное расстояние, пройденное ионом с начальной энергией Е₀ до его остановки, т.е. средний полный пробег:

(10)

N - плотность обрабатываемого материала.

Таким образом, для определения соотношения пробег-энергия необходимо знать значение ядерной и электронной тормозных способностей при заданных энергиях ионов.

Для определения энергетических диапазонов, в которых преобладает тот или иной вид торможения, оценим пробеги ионов. В первом приближении можно считать, что ядерная тормозная способность S_n(E) слабо зависит от энергии иона и может быть количественно оценена [5,8 ]:

(11),

где М_1,М₂,Z_1, Z₂ – относительные атомные массы и атомные номера бомбардирующих ионов и обрабатываемого материала соответственно. Электронная тормозная способность S₀(E) пропорциональна скорости [9] движения иона V_1, в свою очередь пропорциональна

S_e(E)=сV₁=k₀ (12),

Где с и k – коэффициенты пропорциональности. Коэффициент k можно считать независящим от характеристик иона. Например для титана k= 28*10^-26 Дж^1/2см².

Предполагая независимость ядерной тормозной способности и зависимость электронной тормозной способности от энергии иона, найдем критическую энергию Е_кр., при которой они становятся равными. Это условие _кр= S_n⁰/k [10]. Подставив в это выражение значение k, Z_2, M_2, для обрабатываемого материала например: алюминия, то окажется, что в случае бомбардировки ионами аргона ( Z₁=18, М₁=40), Е_кр.=5,1·10^-14Дж (320 кэВ). Следовательно, если начальная энергия иона Е₀ меньше Е_кр., то преобладает ядерное торможение, если Е₀ больше Е_кр.- электронное.

При средней энергии ионов аргона порядка 1 кэВ, характерной для процессов ионно-плазменной обработки, глубина проникновения по нашей оценке не превышает 3 нм. Таким образом, можно пренебречь электронным торможением, поскольку энергия бомбардирующих ионов много меньше критической.

а	б
Рисунок 4 – Фрактограммы изломов образцов (сплав Т15К6) с покрытием из Ti (C,N) толщиной 10 мкм, SEM, 20000х. a - с неудовлетворительной адгезией покрытия к основе; б – с достаточно высокой адгезией покрытия к основе.

На поперечных металлографических шлифах и фрактограммах изломов композиций «покрытие + основа» при больших увеличениях сканирующего электронного микроскопа достаточно хорошо различимы структурных особенности, позволяющие судить о состоянии адгезии слоя (Рис. 4 а,б). Однако такой метод не приемлем из технологических и экономических соображений, поэтому целесообразно прогнозировать этот параметр по наиболее приемлемому критерию, или, что на наш взгляд более перспективно, оценивать состояние поверхности конденсации по работе выхода электрона и по этому параметру прогнозировать значение адгезии покрытия.

Таким образом, особенности протекания диффузионных процессов в d- металлах следует связывать с перераспределением электронной концентрации при термической активации. Адгезионное взаимодействие двух твердых тел в значительной степени зависит от электронного состояния их поверхностей.

Целесообразно учитывать протекание диффузионных процессов на границе раздела, связанных с перераспределением электронной концентраций в результате ионно-термической активации поверхности на начальной стадии нанесения покрытия при оценке возникновения адгезионной связи.


Заключение.

В работе проанализированы некоторые факторы, влияющие на адгезионное взаимодействие контактирующих материалов. Кроме них имеют место множество других условий и параметров (не считая технологических), которые влияют на величину адгезионной прочности. К ним можно отнести: межатомные связи, электронную структуру поверхности, влияние дислокаций, виды и концентрацию атомов внедрения и замещения, влияние границ зерен, особенности напряженно-деформационного состояния системы покрытие-основа, поверхностную сегрегацию и многие другие. Все они в разной степени, в зависимости от конкретных условий, влияют на величину адгезионной прочности вакуумно-плазменных покрытий к основе.

Из проведенного анализа следует, что создание простой и удобной единой математической модели, характеризующей все явления возникновения адгезионной связи при нанесения покрытий на данном этапе невозможно.

Предложена технологическая схема и блоки основных требований, каждый из которых может представлять собой модели по отдельным этапам технологического процесса нанесения защитных покрытий, руководствуясь которым возможно получить с хорошими адгезионными свойствами.

Показано, что диэлектрические пленки снижают поверхностную энергию подложки, связанную с перераспределением электронной концентрации на границе раздела подложка-покрытие, а оценка их адгезионной связи может быть определена по работе выхода электрона.

На основе проведенных экспериментов показана на образцах с различными видами поверхностной обработки показана возможность проводить оценку состояние поверхности до нанесения слоя и косвенно судить об адгезии покрытия к подложке по изменению работы выхода электрона.


Литература.

1. Вакуумно-плазменные технологии в ремонтном производстве. /В.А. Лойко, В.С. Ивашко и [др.] – БГАТУ, 2007. - 190 с.
   

2. Хейфец М.Л., Ивашко В.С., Лойко В.А. Направленное формирование показателей качества деталей с покрытиями. В сборнике материалов Десятой международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», Украина. с. 112-115.

3. Достижение электронной теории металлов. Под ред. П. Цише, Г. Лимана. М. - «Мир». 1984. т.1. 284с.

4. Евдокимов В.Д., Семенов Ю.И. Экзоэлектронная эмиссия при трении. М.: «Наука», 1973 г. 280 с.

5. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционом взаимодействии. /Перевод с английского под ред. Свириденка А.И. М.: «Машиностроение». 1986. 359 с.

7. Алчагиров А.Б., Созаев В.А., Хоконов Х.Б. Влияние адсорбированных диэлектрических покрытий на межфазную энергию металлических сплавов. ЖТФ. 1997, т. 67, №1. с.133-135.

8. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: «Наука». 1981. 128с.

9. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев: «Наукова думка».1972. 196 с.
   
10. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: «Наука». 1983. 280 с.