Модификация различных конструкций, деталей и функциональных элементов зачастую выполняется путем полного изменения структуры материалов. Для этого задействуются средства глубокой термической, плазменной и химической обработки. Но существует и широкий сегмент методов изменения эксплуатационных свойств за счет внешних покрытий. К таким способам относится вакуумная металлизация, благодаря которой можно улучшать декоративные, токопроводящие, отражающие и другие характеристики материалов.

Общие сведения о технологии

Суть метода заключается в напылении частиц металла на рабочую поверхность. Процесс формирования нового покрытия происходит за счет испарения донорских металлов в условиях вакуума. Технологический цикл подразумевает выполнение нескольких стадий структурного изменения целевой основы и элементов покрытия. В частности, выделяются процессы испарения, конденсации, абсорбции и кристаллизации. Ключевой процедурой можно назвать взаимодействие металлических частиц с поверхностью в условиях особой газовой среды. На этом этапе технология вакуумной металлизации обеспечивает процессы диффузии и присоединения частиц к структуре обрабатываемой детали. На выходе в зависимости от режимов напыления, характеристик покрытия и типа заготовки можно получать самые разные эффекты. Современные технические средства позволяют не просто улучшать отдельные эксплуатационные качества изделия, но и с высокой точностью дифференцировать свойства поверхности на отдельных участках.

Применяемое оборудование

Различают три основные группы машин, используемых для данной технологии. Это оборудование непрерывного, полунепрерывного и периодического действия. Соответственно, они различаются по признаку общей организации обрабатывающего процесса. Агрегаты с непрерывным действием часто используют на серийных производствах, где требуется поточная вакуумная металлизация. Оборудование этого типа может быть одно- и многокамерным. В первом случае агрегаты ориентируются на выполнение непосредственно металлизации. Многокамерные же модели предусматривают и возможность реализации дополнительных процедур - первичной подготовки изделия, контроля, термической обработки и т.д. Такой подход позволяет оптимизировать процесс изготовления. Машины для периодической и полунепрерывной металлизации, как правило, имеют одну основную камеру. Именно в силу нерегулярности производства они используются для конкретной процедуры, а подготовительные операции и тот же контроль качества осуществляются в отдельном порядке - иногда в ручном режиме без автоматизированных линий. Теперь стоит подробнее рассмотреть, из каких узлов состоят такие агрегаты.

Устройство машин для металлизации

Помимо основной камеры, где и происходят процессы напыления, оборудование включает множество вспомогательных систем и функциональных компонентов. В первую очередь стоит выделить непосредственно источники распыляемого материала, коммуникации которых связываются с газораспределительным комплексом. Чтобы установка вакуумной металлизации могла обеспечивать нужные для конкретной задачи обработки параметры, подающие каналы напыления с регуляторами позволяют, в частности, настраивать температурный уровень, скорость направления потоков и объемы. В частности эта инфраструктура формируется натекателями, насосами, клапанами, фланцевыми элементами и прочей арматурой.

В современных установках для той же регуляции рабочих параметров используются датчики, подключенные к микропроцессорному блоку. Учитывая заданные требования и фиксируя текущие фактические значения, аппаратура без участия оператора может корректировать режимы обработки. Также для облегчения процессов эксплуатации оборудование дополняется внутрикамерными системами очистки и калибровки. Благодаря такой оснастке упрощается ремонт вакуумной металлизации машины, поскольку постоянная и своевременная чистка минимизирует риски перегрузок пневмодвигателей, манипуляторов и коммуникационных контуров. Последние и вовсе рассматриваются как расходная часть, замена которой в агрегатах непрерывного действия выполняется в регулярном порядке техобслуживания.

Целевые материалы для металлизации

Прежде всего процедуре подвергаются металлические заготовки, которые могут быть выполнены в том числе из специальных сплавов. Дополнительное покрытие требуется для обеспечения антикоррозийного слоя, повышения качества электрической проводки или же изменения декоративных свойств. В последние годы вакуумная металлизация все чаще используется и применительно к полимерным изделиям. Данный процесс имеет свою специфику, обусловленную характеристиками структуры объектов такого рода. Реже технология применяется в отношении изделий, которые имеют низкие показатели твердости. Это касается древесины и некоторых синтетических материалов.

Особенности металлизации пластиков

Напыление на поверхности пластиковых деталей также способно изменить его электрические, физические и химические свойства. Нередко металлизацию используют и как средство повышения оптических качеств подобных заготовок. Главной же проблемой при выполнении таких операций является процесс интенсивного термического испарения, который неизбежно оказывает давление на потоки частиц, напыляющих поверхность элемента. Поэтому требуются специальные режимы регуляции диффузии основного материала и расходуемой массы.

Имеет свою специфику и вакуумная металлизация пластмасс, отличающихся жесткой структурой. В данном случае будет иметь значение присутствие защитных и грунтующих лаков. Для поддержания достаточного уровня адгезии с преодолением барьеров этих пленок может потребоваться повышение энергии термического воздействия. Но здесь же вновь возникает проблема с рисками разрушения пластиковой структуры под влиянием тепловых потоков. В итоге для снятия излишнего напряжения в рабочей среде вводятся модифицирующие компоненты наподобие пластификаторов и растворителей, позволяющих удерживать форму заготовки в оптимальном состоянии независимо от температурного режима.

Особенности обработки пленочных материалов

Технологии изготовления упаковочных материалов предусматривают использование металлизации для ПЭТ-пленок. Данный процесс обеспечивает алюминирование поверхности, благодаря чему заготовка наделяется более высокой прочностью и стойкостью перед внешними воздействиями. В зависимости от параметров обработки и конечных требований к покрытию могут применяться разные способы теплоотвода. Поскольку пленка чувствительна к температуре, вводится дополнительная процедура осаждения. Как и в случае с пластиками, она позволяет регулировать термический баланс, сохраняя оптимальную для заготовки среду. Толщина пленок, которые обрабатываются по методу вакуумной рулонной металлизации, может составлять от 3 до 50 мкм. Постепенно внедряются и технологии, обеспечивающие подобные покрытия на поверхностях материалов толщиной 0,9 мкм, но по большей части это пока лишь экспериментальная практика.

Металлизация отражателей

Это тоже отдельное направление использования металлизации. Целевым объектом в данном случае выступают автомобильные фары. Их конструкция предусматривает наличие отражателей, которые со временем утрачивают свои эксплуатационные качества - тускнеют, ржавеют и, как следствие, становятся непригодными к использованию. Кроме того, даже новая фара может получить случайное повреждение, из-за чего потребуется ее ремонт и восстановление. Именно на эту задачу и ориентируется вакуумная металлизация отражателей, обеспечивающая износостойкое напыление на зеркальной поверхности. Заполнение внешней структуры металлизированными частицами с одной стороны ликвидирует мелкие дефекты, а с другой - выступает защитным покрытием, предотвращая возможные повреждения в будущем.

Организация процесса в домашних условиях

Без специального оборудования можно применить технологию поверхностного химического покрытия, но для вакуумной обработки в любом случае потребуется соответствующая камера. На первом этапе подготавливается сама заготовка - ее следует очистить, обезжирить и при необходимости выполнить шлифование. Далее объект помещается в камеру вакуумной металлизации. Своими руками можно выполнить и специальную оснастку на рельсах из профильных элементов. Это будет удобный способ загрузки и выгрузки материала, если планируется обработка в регулярном режиме. В качестве источника частиц металлизации применяются так называемые болванки - из алюминия, латуни, меди и др. После этого камера настраивается на оптимальный режим обработки и начинается процесс напыления. Готовое изделие сразу после металлизации можно покрыть вручную вспомогательными защитными покрытиями на основе лаков.

Положительные отзывы о технологии

Метод имеет множество положительных качеств, которые отмечают пользователи готовых изделий в разных областях. В частности указывается на высокие защитные свойства покрытия, которое предотвращает процессы коррозии и механического разрушения основы. Положительно отзываются и рядовые потребители продукции, которая подвергалась вакуумной металлизации с целью улучшения или изменения декоративных качеств. Специалисты же подчеркивают и экологическую безопасность технологии.

Негативные отзывы

К минусам данного метода обработки изделий относят сложность технической организации процесса и высокие требования к подготовительным мероприятиям заготовки. И это, не говоря о применении высокотехнологичного оборудования. Только с его помощью можно получить качественное напыление. Стоимость также входит в список недостатков вакуумной металлизации. Цена обработки одного элемента может составлять 5-10 тыс. руб. в зависимости от площади целевой области и толщины покрытия. Другое дело, что серийная металлизация удешевляет стоимость отдельного изделия.

В заключение

Изменение технико-физических и декоративных свойств тех или иных материалов расширяет возможности их дальнейшего применения. Развитие метода вакуумной металлизации обусловило появление специальных направлений обработки с ориентацией на конкретные эксплуатационные качества. Технологи также работают и над упрощением самого процесса напыления, что уже сегодня проявляется в виде уменьшения габаритов оборудования и сокращения процедур пост-обработки. Что касается применения методики в домашних условиях, то это наиболее проблемный способ покрытия, так как требует от исполнителя наличия специальных навыков, не говоря о технических средствах. С другой стороны, более доступные методы напыления не позволяют получать покрытия того же качества - будь то защитный слой или декоративная стилизация.

Для приобретения товарного вида и определенных технических свойств на современном производстве все готовые изделия покрываются различными материалами. Особенно актуальным этот вопрос является для металлических деталей, где покрытие играет не столько декоративную роль, сколько защищает металл от коррозии и прочих вредных факторов окружающей среды.

Вакуумное напыление

В современном производстве самой продвинутой технологией нанесения покрытий на детали является вакуумное напыление. Технология заключается в прямой конденсации пара наносимого покрытия на поверхность детали. Определяется три основных стадии такого напыления:

Испарение вещества, из которого будет создаваться покрытие;

Перенос созданного пара к поверхности, на которую вещество будет наноситься;

Конденсация пара на поверхность детали и создание покрытия из него.

Установка для хромирования литых дисков

Методы вакуумного напыления

Помимо вакуума, в напылении могут учувствовать и другие физические процессы. Нижеприведенная классификация также будет касаться и веществ, которые будут напыляться на поверхность.

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий проводится по следующему механизму. Катодом выступает поверхность, на которую необходимо нанесение пленки, анодом выступает подложка газоразряда. Когда дуга накаляет атмосферу до предельной температуры, происходит переход напылительного материала в газообразную фазу и перенос его к катоду. Затем молекулы напылителя конденсируются на поверхности изделия, образуя однородный слой. Однородность в установках вакуумно-дугового напыления может быть отрегулирована вплоть до получения исходного изделия с разводами напылителя.

Такая сложная технология применяется для нанесения сверхтвердых покрытий на режущие и сверлящие инструменты. Крепкие износостойкие буры для перфораторов создаются с помощью вакуумно-плазменного напыления.

Высокопрочные буры для перфоратора

Ионно-вакуумное напыление

Считается самым экологически чистым способом нанести покрытие на любую металлическую поверхность. Минус заключается в дорогостоящем оборудовании, далеко не каждое предприятие может себе позволить его покупку и установку.

Жесткие требования также предъявляются к чистоте поверхности, однако конечный результат превосходит все ожидания. Нанесенное покрытие отличается высокой однородностью, прочностью и износоустойчивостью, поэтому таким способом напыляют покрытия на детали и механизмы, которые будут эксплуатироваться в жестких климатических условиях. Является последней операцией, после которой дальнейшая обработка деталей не допускается – ни сварки, ни резки быть не должно.

Вакуумное напыление алюминия

Нанесение алюминия считается самым популярным способом металлизации практически любой поверхности. Универсальность алюминия позволяет наносить его на такие необычные поверхности, как пластик и стекло, причем, в отличие от остальных металлов, здесь не нужно дополнительное лаковое покрытие для прочности. Алюминий обычно используется в декоративных целях – им обрабатываются автомобильные аксессуары и отражатели для фар, косметические элементы, ручки шкафов и дверей, швейные принадлежности. Этот металл хоть и не отличается высокой прочностью, однако отработка технологии позволила сильно уменьшить стоимость такого напыления, делав его самым распространенным в мире.

Отражатель автомобильной фары с алюминиевым покрытием

Вакуумное напыление металлов

Помимо алюминия, имеется ряд не менее распространенных металлов для напыления. Благодаря различным физическим и химическим свойствам они нашли применение абсолютно во всех отраслях промышленности. Основные назначения напыленных металлов:

улучшение проводимости;

повышение изоляции;

придание износоустойчивых и антикоррозийных свойств.

Регулирование температуры при нанесении слоя покрытия позволяет придать конечному изделию практически любой оттенок, этим часто пользуются для нанесения покрытий «под золото» (используются никеле-титановые сплавы).

Широкое распространение напыление титана и серебра нашли в медицине. Эти уникальные металлы очень хорошо взаимодействуют с организмом человека и имеют антибактериальные свойства. Имплантаты и хирургические инструменты (а также стоматологические и прочие) практически везде имеют напыление серебра – высокая гарантия прочности и стерильности инструмента.

Вакуумное ионно-плазменное напыление

Под воздействием высоких температур покрытие не просто конденсируется на поверхности детали, оно буквально запекается на нем, что придает конечному изделию очень высокие технические характеристики – износоустойчивость при механическом воздействии и хорошую сопротивляемость жестким погодным условиям.

Установка вакуумного напыления УВН

Приборы типа УВН – современные высокотехнологические установки вакуумного напыления. В зависимости от назначения, может оборудоваться любыми устройствами для испарения вещества и его переноса на поверхность детали. Строение:

Технологическая камера закрытого типа – область, где размещается деталь, которая обрабатывается в процессе вакуумного напыления.

Блок управления – панель с кнопками и регуляторами, которые позволяют задавать все необходимые параметры перед началом работы. Современные варианты установок вакуумного напыления оборудованы цифровыми дисплеями для отображения параметров процесса в реальном времени.

Корпус установки скрывает под собой все важные механические и электронные узлы агрегата, защищая их от случайного и несанкционированного вмешательства, а также обеспечивая безопасность оператору станка. В зависимости от размера машины, комплектуется колесиками (с тормозными колодками, для маленьких моделей), либо устанавливается стационарно (для мощных и производительных камер).

Классическая УВН

Вакуумная установка – это по сути та же система, которая состоит из определенного количества компонентов. Каждый из элементов подобной установки выполняет определенные функции. Один из самых главных компонентов вакуумных установок – это вакуумный насос, коих может быть огромное количество. Зачастую, устройство строится таким образом, чтобы внутри него взаимодействовали все компоненты. Лишь в случае подобного расклада, можно будет добиться по-настоящему высоких показателей производительности. Что касается главной задачи подобных установок, то, несомненно – то создание уровня глубокого технического вакуума.

Подобные процессы играют особенно большую роль, если речь идет об откачке воздушных или же газовых смесей. Но не стоит упускать тот момент, что эффективно использовать вакуумные установки можно не только в промышленности, а еще и в домашних условиях. В домашних задачах, вакуумные установки работают без какой-либо ощутимой нагрузки и способны выдавать огромнейшие показатели производительности.

Что касается востребованности предприятий в подобных установках, то в этом и вовсе нет никаких сомнений. На данный момент огромное количество производителей проявляется интерес к продукции подобного предназначения. Многие производители готовы даже переплачивать за то, чтобы первыми получать подобные установки.

Сейчас мы рассмотрим те отрасли, где вакуумные установки уже стали неотъемлемой частью системы:

• Текстильная промышленность
• Машиностроение
• Металлургия
• Пищевая промышленность
• Химическая отрасль
• Машиностроение
• Фармацевтика

Но это еще далеко не весь список отраслей, которые нуждаются в оборудовании подобного типа. Но даже глядя на этот список, создается впечатление, что это действительно один из наиболее практичных вариантов среди всего оборудования подобного типа.

Если же стандартной комплектации вакуумной установки пользователю недостаточно, то он без каких-либо проблем может докупить еще и дополнительное оборудование. Предназначено оно для того, чтобы сделать процесс более легким и в то же время эффективным. Многие пользователи пользуются подобными привилегиями и покупают дополнительное оборудование, дабы значительно упростить рабочий процесс и сделать его более надежным.

Главными задачами вакуумных установок можно назвать создание и поддержку высокого и сверхвысокого уровня вакуума внутри системы. Но это еще далеко не весь список возможностей подобных установок. Они также могут быть весьма эффективными при создании различных деталей, что является их основным преимуществом. Но все-таки чаще всего подобные установки покупают для того, чтобы образовывать сверхвысокий вакуум, так как другие установки справиться с этим не в силах.

Но, несмотря на то, что все нахваливают главные элементы подобных систем, есть еще и немалое количество второстепенных элементов, которые также играют особую роль. Ведь получать максимальный эффект от вакуумных установок можно только в том случае, если все элементы системы будут активно взаимодействовать друг с другом. В ином же случае, эффекта от подобного оборудования попросту не будет.

Главные элементы вакуумной установки:

• Вакуумметр – устройство, для измерения давления внутри системы и контроля ключевых процессов, которые с ним связаны.
• Вакуумные баллоны – один из ключевых элементов, который важен в процессе образования вакуума внутри системы.
• Вакуумные трубопроводы – это скорее дополнительное оборудование, которое позволяет производить движение всех жидкостей по определенным отсекам установки.
• Вакуумные насосы – это фундаментальная часть установки, которая выполняет практически все функции, и без которой образование вакуума внутри системы и вовсе было бы невозможным.

Современный вакуумный рынок предоставляет нам огромный выбор подобной продукции. Одной из лидирующих компаний на рынке является Busch. Данная компания уже давно успела о себе заявить и по сей день держит свою репутацию на высоком уровне.

Одно из главных преимуществ установок компании Busch –это качество, которое находится на максимально высоком уровне. Сейчас на рынке можно увидеть сразу несколько серий продукции данной компании.

• Вакуумные установки
• Воздуходувки
• Вакуумные насосы

Во всех из вышеперечисленных направлений на данный момент компании нету равных. Данный производитель действительно мог занять весомую нишу рынка, чем самым доказав, что именно его продукция соответствует всем стандартам и достойна, занимать первую позицию на рынке.

Установки вакуумного напыления УВН

Установка вакуумного напыления УВН – это агрегат, имеющий целый ряд функциональных особенностей. Но все-таки наиболее главным моментом является сфера применения подобного оборудования. Установки подобного типа активно используются практически во всех отраслях, из-за чего назвать какую-то одну из них весьма проблематично.

Одним из явных преимуществ подобных установок, является наличие четырёх съёмных технологических модулей. Каждый из них выполняет определенные функции, что собственно и позволяет добиваться высоких показателей производительности.

УВН-1М – это одна из наиболее практичных моделей подобных установок, которая, несмотря на свою среднюю стоимость, смогла вместить в себе огромное количество положительных качеств. Данный агрегат может похвастаться не только высокими показателями производительности, а еще и высоким качеством, стабильностью и широкой сферой применения.

Что касается внешнего вида подобных установок, то он не настолько прост и все-таки имеет определенные дополнения. Чаще всего модули подобных систем закрыты специальной вакуумной камерой из стекла. Данное приспособление позволяет защитить модули от различных угроз.

Но это еще далеко не весь список преимуществ, ведь кроме всего прочего есть огромное количество аспектов, которые говорят о том, что подобные установки действительно очень эффективны.

Вакуумные литейные установки

Одно из главных предназначений подобных установок – это литье стоматологических сплавов. С подобной задачей, вакуумные установки данного типа справляются довольно неплохо. Именно поэтому, многие и стали покупать подобное оборудование для его подобной эксплуатации.

Стоит отметить наличие у подобных установок активного охлаждения, которое позволяет установке не поддаваться перегреву, что также играет далеко не самую последнюю роль. Ключевым компонентом подобных установок можно считать инертный газ, который дает возможность работать устройству наиболее надежно и избегать окисления разного рода сплавов.

Подобные установки чаще всего используются именно в стоматологическом направлении. При желании, их можно использовать и в других отраслях., но особой пользы от него будет получить довольно проблематично.

Установка вакуумной металлизации

Нанесение качественного покрытия на изделия – это далеко не самый легкий процесс. Дабы результат подобной процедуры был качественным, для этого надо использовать специальное оборудование. Лучше всего в этом себя проявляет установка вакуумной металлизации. Сам процесс металлизации представляет собой нанесение тонкой пленки, которая позволяет защитить материал от воздействия разных факторов.

Одна из наиболее продаваемых вариаций подобных установок – это вариант с вертикальными дверцами. В плане удобства, данный вариант значительно превосходит обычный, так как загружать и выгружать материал намного проще.

Материалы, обрабатываемые в установках вакуумной металлизации:

• Стекло
• Пластик
• Металл
• Керамика

Производители вакуумных установок

Роль производителя также является далеко не самой последней. Лучше всего покупать подобные установки у проверенных поставщиков, которые могут предоставить вам все гарантии качества и надежности продукции.

Наиболее надежные производители вакуумных установок:

• Edwards
• Becker
• Atlas Copco

Все вышеперечисленные производители являются максимально надежными и им можно доверять. Это можно понять по показателям их продаваемости, так как все эти компании входят в пятерку наиболее качественных и перспективных компаний по продаже вакуумных установок.

 Вакуумное напыление основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул, кластеров) наносимого материала на поверхность изделий и их конденсации.
Процесс включает несколько стадий: переход напыляемого вещества или материала из конденсированной фазы в газовую, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, конденсацию их на поверхность, образование и рост зародышей, формирование пленки.
 Вакуумное напыление - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10 -2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10 -1 -10 -2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью.
 Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку.
 Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.
 Напыление вакуумное используют в планарной технологии полупроводниковых микросхем, в производстве тонкопленочных гибридных схем, изделий пъезотехники, акустоэлектроники и др. (нанесение проводящих, диэлектрических, защитных слоев, масок и др.), в оптике (нанесение просветляющих, отражающих и др. покрытий), ограниченно - при металлизации поверхности пластмассовых и стеклянных изделий, тонировании стекол автомобилей. Методом напыления вакуумного наносят металлы (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti и др.), сплавы (например, NiCr, CrNiSi), химические соединения (силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.).

 
Рис. П2.1.

 Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа. Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции:
 ·создание вакуума;
 ·испарение или распыление материала пленок;
 ·транспортировка и осаждение покрытия;
 ·контроль режимов вакуумного напыления и свойств пленок;
 ·электропитание.

 Установки вакуумного напыления

 Вакуумная установка резистивного напыления серии DV-502B (Рис. П2.2.) (данная установка является настольной)

Рис. П2.2.

 Установка ВАТТ1600-4ДК (Рис. П2.4.) предназначена для нанесения комбинированного покрытия, которое может состоять из слоя металла, слоя соединения этого металла (оксид, нитрид, карбид) и слоя SiOx.

Рис. П2.3.

 Применяя различные соединения титана возможно получать различные оттенки золотого, синего, зеленого, черного и некоторых других цветов (Рис. П2.4.). Покрытия можно наносить на листы нержавеющей стали с любой обработкой поверхности: зеркальной, шлифованной, декоративной текстурированной или обычной матовой. Габариты вакуумной установки позволяют напылять листы размером 1500х3000 мм. Листы после напыления могут быть покрыты самоклеющейся защитной пленкой. Стоимость напыления – от 700 руб./кв.м.

 

Рис. П2.4. Применение вакуумного напыления.

Нержавеющая сталь:

 Для вакуумного напыления нитридом титана используют подложку из нержавеющей стали.
 ·элегантность и изящество в отделке;
 ·коррозионная стойкость, устойчивость к воздействию атмосферных воздействий;
 ·соответствие самым строгим гигиеническим требованиям;
 ·легкость ухода и долговечность;
 ·термостойкость и пожаробезопасность;
 ·отличное сочетание с другими отделочными материалами (стекло, пластик, дерево, камень).

Технические характеристики:

 ·Материал подложки - сталь нержавеюшая, 08Х18Н10 (AISI 304);
 ·Толщина подложки 0,5мм – 1,5 мм;
 ·Покрытие нитрид титана, толщина 0,2-6 мкм;
 ·Цвет покрытия - различные оттенки золотого;
 ·Светорассеивание - от зеркального до матового;
 ·Механические свойства - допускает многократный изгиб и холодную штамповку;
 ·Атмосферостойкость - не менее 50 лет.

Метод получения материала

 Покрытие на нержавеющей стали TIN, TiO2 и TiON получено методом ионно-плазменного напыления в вакуумной камере.
 Листы нержавеющей стали, после предварительной обработки, которая обеспечивает высокую отражающую способность покрытия, помещаются в герметичную вакуумную камеру. Во время процесса напыления в камере создается глубокий вакуум, который обеспечивает заданный цвет и стойкость покрытий.
 При ионно - плазменном напылении ионы плазмы, обладающие высокой энергией, выбивают с поверхности титанового листа атомы титана, которые в свою очередь, проходя через высокоразреженное облако азота или кислорода, окисляясь, внедряются в материал подложки.
 Такой процесс обеспечивает хорошие адгезионные и декоративные свойства покрытия.
 Технологии вакуумного напыления являются чрезвычайно энергозатратными, и во многих странах превращаются в нишевой продукт. Многие компании заменяют вакуумное напыление на более производительное и менее затратное атмосферное плазменное напыление.
 Качества и свойства материала:
 Высокая атмосферная и антикоррозионная стойкость декоративного покрытия подтверждена сертификатом соответствия ГОСТ №СХ02.1.3,0040 от 18.09.96г. и составляет 50 лет в условиях городской атмосферы;
 Цвет может быть достигнут любой, но технологический процесс отлажен под три основных цвета: имитирующий цвет золота - покрытие TiN, синий - покрытие TiO2, имитирующий цвет свежей меди - покрытие TiON;
 Отражающая способность покрытия - 60-70%;

Области применения:

 ·Кровля куполов церквей и крыш зданий;
 ·Наружная реклама (таблички, объемные и плоские буквы из нержавеющей стали);
 ·Декоративное оформление зданий и интерьеров помещений;
 ·Реставрация памятников культуры;
 ·Изготовление фрагментов сувениров и фурнитуры.
 Вакуумное напыление применяется для изделий как из чёрного металла так и других металлов, используются различные напыления, в том числе и под золото, серебро (Рис. П2.5.).

 

Рис. П2.5. Применение вакуумного напыления.

 Материалы покрытий:
 TiN - нитрид титана (золотисто-бронзовый,повышенной износостойкости);
 TiOx1Cx2Nx3 - карбонид титана
 Gr - хром (белый);
 TiOx - оксид титана (голубой, многоцветный, перламутровый);
 NiGr - нихром (светло-серый);
 ZrN - нитрид циркония (светло-золотистый);
 также алюминий, медь и т.д., по желанию заказчика.
 Цвет, твердость и другие параметры покрытия могут варьироваться в широком диапазоне материалов и оттенков.
 Важными характеристиками микросхем является быстродействие, электрические контакты, формат матрицы и т.д. Для повышения одного из самого важного параметра – быстродействие – требуется повысить проводимость электрических контактов. Наиболее простым способом сделать это является вакуумное напыление элементов через свободные маски. Золото обладает очень хорошей проводимостью, что дает возможность повысить скорость прохождения информации.

Микросхема PRAM-памяти компании Intel (Рис. П2.6.)

 Материал: Золото(серебро).

 
Рис. П2.6. Микросхема PRAM-памяти компании Intel

Подшипники скольжения центробежных насосов (Рис. П2.6.)

 Самой главной характеристикой подшипника является его ресурс. Для его повышения у подшипников скольжения разработана специальная технология детонационного напыления с нанесением нанопорошков. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием монокарбида 62%. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка.
 Технологии: вакуумное напыление
 Отрасль: Электроника и Электротехника
 Материал: быстрозакаленные магнитные порошки БЗМП системы Nd-Fe-B.

Рис. П2.6. Подшипник скольжения

Высокоскоростное напыление

 Высокоскоростное газопламенное напыления по праву считается наиболее современной из технологий напыления. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия , процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным .
 В начале 80-х годов появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме ЖРД, со скоростью газового потока более 2000 м/с. Плотность покрытий достигает 99%. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0…1,5 МПа, а в конструкцию соплового аппарата вводят сопло Лаваля. На Рис. П2.7. представлена схема распылителя системы ВСН.

Рис. П2.6. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 - подача порошка (осевая); 2 - подача кислорода; 3 - подача топлива;
4 - подача порошка (радиальная); 5 - ствол.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Быстрое развитие производства микроэлектронных приборов (МЭП) в последние десятилетие привело к созданию рабочего оборудования, которое возможно меньше влияло бы на процесс формирования тонких пленок и позволяло бы контролировать их параметры. В результате в настоящее время имеется большой выбор вакуумных установок, комплектующих деталей, а так же материалов и методов монтажа позволяющих решать сложные технологические задачи при изготовлении МЭП.

Процесс получения тонких пленок идет в вакуумной среде подколпачного устройства вакуумной установки. Для уменьшения давления в подколпачном устройстве можно использовать два принципа. В первом – газ физически удаляется из вакуумной камеры и выбрасывается наружу. Примером такого способа действия являются механические и пароструйные, паромасляные насосы. Другой метод откачки основан на конденсации или захвате молекул газа на некоторой части поверхности вакуумной камеры без удаления газа наружу. На данном принципе сконструированы криогенные, геттерные и геттеро - ионные насосы.

Количественной мерой переноса или способности поглощения газа насосом является его производительность (Q). Производительность зависит от давления в откачиваемом устройстве и определяется как количество газа, которое протекает через всасывающий патрубок работающего насоса в единицу времени при t = 20 0 C:

Q = Fp· P,

где Fp – быстрота откачки, л/с; P – давление откачиваемых газов, мм рт. ст.

Другой параметр, характеризующий работу насоса - быстрота откачки Fp, которая определяется как отношение производительности насоса к парциальному давлению данного газа вблизи впускного отверстия насоса:

Fp = Q/ P

Большинство вакуумных насосов имеет почти постоянную быстроту откачки в интервале нескольких порядков давления газа. Выше и ниже этой области она резко падает, поэтому откачка этим видом вакуумного насоса становится не эффективной.

При выборе насоса для вакуумной установки необходимо помнить о том, что сами насосы при определенных условиях являются источниками остаточных газов в вакуумной камере. Разные типы насосов сильно различаются между собой как по количеству, так и по природе выделяемых газов. Особенно вредны следы паров органических соединений, обусловленные применяемыми в насосах рабочими жидкостями.

К основным параметрам насоса также относиться предельное давление Pg – это то минимальное давление, которое можно получить с помощью вакуумного насоса, если сам насос газов не выделяет.

Для вращательных насосов Pg зависит от “вредного объема” насоса (то есть той части камеры сжатия, из которой не может быть вытеснен газ, поступающий из откачиваемого объекта) и давления пара веществ, например масла, применяемого для уплотнения. Для пароструйных насосов Pg зависит от скорости молекул пара в сопле, скорости молекул газа в откачиваемом объеме и от молекулярного веса газа.

Допустимое внешнее (впускное) давление – это максимально допустимое давление газа у выпускного патрубка насоса, то есть такое давление, при котором быстрота откачки все еще остается равной максимальной величине. У форвакуумных насосов, сжимающих газ до атмосферного давления, допустимое выпускное давление равно атмосферному, у высоковакуумных насосов величина допустимого выпускного давления равна форвакуумному.

Процесс откачки подколпачного устройства с объемом V и начальным давлением Pо, совершаемый любым насосом с быстротой откачки Fp и предельным давлением Pg может быть описан с помощью дифференциального уравнения, выведенного на основе закона Бойля – Мариотта. Падение давления со временем описывается следующим уравнением:

DP/dt = Fp/V(P - Pg) (1)

Решение этого дифференциального уравнения даст характеристику изменения со временем t давления P в откачиваемом сосуде.

В случае “идеального” насоса Fp = Fp max = const – характеристика насоса P является прямой линией. Быстрота откачки Fp всех технических насосов в отличие от “идеальных” зависит от давления, и поэтому временные характеристики изменения давления получают обычно не расчетным путем, то есть интегрированием уравнения 1, а определяют из эксперимента.

УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ

Вакуумная установка предназначена для создания и поддержания вакуума в рабочем объеме (подколпачном устройстве). Установка состоит из вакуумного блока и стойки управления. Конструктивно вакуумный блок (рис.1.1) представляет собой корпус 1, на котором установлено подколпачное устройство 2. На корпусе смонтированы также вакуумная система, система охлаждения, газовая система и гидропривод подъема колпака. В подколпачном устройстве устанавливается рабочее давление газов от 1·10 -3 до 5·10 -4 мм рт. ст. и производится осаждение материалов распыляемой мишени на подложке при помощи распылительного устройства.

Вакуумная система установки (рис.1.2) состоит из механического насоса НВР-5Д и вакуумного агрегата ВА-2-3Р-Н, клапанной коробки, электромагнитного натекателя, трубопроводов и датчиков для измерения давления.

Рис.1.1. Внешний вид установки: 1 – корпус; 2 – колпак; 3 – система

вакуумная; 4 – система охлаждения; 5 – механизм перемешивания;

6 – распылительное устройство; 7 – клапанная коробка; 8 – вакуумметр

Трубопроводы вакуумной системы соединяют ее с механическим насосом, подколпачным устройством и выпускным патрубком паромасляного насоса. Вентиль – натекатель предназначен для разгерметизации рабочего объема.

Управление откачивающими средствами вакуумной системы установки осуществляется блоком управления вакуумной системой.

Для запуска механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке.

Рис.1.2. Вакуумная система установки: 1 – механический насос НВР-5Д;

2 – нижняя рукоятка клапанной коробки; 3 – электромагнитный натекатель;

4 – верхняя рукоятка клапанной коробки; 5 – клапанная коробка;

6 – термопара; 7 – манометрический датчик; 8 – вентиль-натекатель;

9 – затвор; 10 – вакуумный агрегат типа ВА-2-3РМ; 11 – трубопроводы

Для включения механического насоса необходимо включить соответствующий тумблер на панели управления. При этом срабатывает магнитный пускатель, который

одним нормально-разомкнутым контактом становится на самоблокировку, а тремя другими контактами включает электродвигатель привода электромеханического насоса в вакуумном блоке

Включение нагревателя паромасляного насоса ЭН-1 возможно только после включения механического насоса, так как питание магнитного пускателя осуществляется через нормально разомкнутый контакт магнитного пускателя, при этом на панели управления загорается сигнальная лампа.

При помощи клапанной коробки 2 обеспечиваются все переключения вакуумной системы необходимые для работы установки. Управление клапанной коробкой выведено на переднюю стойку установки (Рис.1.1). При вытягивании верхней рукоятки механической насос откачивает рабочий объем подколпачного устройства, при вытягивании нижней рукоятки откачивается полость паромасляного насоса.

Электромагнитный натекатель расположен на клапанной коробке 5 и предназначен для напуска атмосферного воздуха в трубопровод механического насоса.

Включение электромагнитного натекателя производится переключателем “натекатель”, находящимся в блоке управления вакуумной системой. Натекатель срабатывает только в том случае, если механический насос отключен. При выдвинутой нижней рукоятке клапанной коробки этим же натекателем напускается атмосферный воздух в полость паромасляного насоса. Конструктивно натекатель представляет собой соленоид, торцовая часть которого выполнена в виде уплотнительного клапана. В натекателе есть фильтр из пористого стекла, который задерживает частицы пыли из воздуха.

Контроль вакуума осуществляется вакуумметром ВИТ-2 от датчиков, подключаемых к нему переключателем “Выбор датчика”.

При установке переключателя “Выбор датчика” в положение “1” вакуумметр измеряет низкий вакуум в форвакуумной магистрали. При установке в положение “2” измеряется высокий вакуум в подколпачном устройстве с помощью ионизационного датчика давления, при переключении в положение “0” оба датчика отключаются.

Насос вакуумный механический. Насос пластинчато-роторного типа с масляным уплотнением предназначен для откачки воздуха, химически неактивных газов и парогазовых смесей не воздействующих на материалы конструкции и рабочую жидкость. Такие насосы могут нормально откачивать конденсируемые пары и парогазовые смеси допустимой концентрации.

Процесс откачки газов в пластинчато-роторных насосах основан на механическом всасывании газа вследствие периодического увеличения рабочей камеры.

Принцип работы такого насоса иллюстрируется рисунком 1.3 и происходит следующим образом.

Рис.1.3. Пластинчато-роторный насос: 1 – цилиндр; 2 – ротор; 3 – лопатки;

4 – пружина; 5 – клапан; А и Б – полости

В цилиндре 1 в направлении, указанном стрелкой вращается эксцентрично установленный ротор 2. В прорези ротора помещены лопатки 3, которые пружиной 4 прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. При вращении ротора лопатки скользят по внутренней поверхности цилиндра, полость, образованная цилиндром, ротором и лопатками делится на полость А и полость В.

При вращении ротора объем полости А периодически увеличивается и в нее поступает газ из откачиваемой системы; объем полости Б периодически уменьшается и в нем происходит сжатие. Сжатый газ выбрасывается через клапан 5. Уплотнение между полостями всасывания А и сжатия В осуществляется при помощи масляной пленки. Так работает насос в одноступенчатом исполнении. В двух ступенчатом исполнении выход первой ступени соединен со входом второй ступени и газ через клапан выбрасывается в атмосферу.

Все пластинчато-роторные насосы имеют подобное конструкционное исполнение, но отличаются размерами, что определяет быстроту откачки насосов. Конструкция одноступенчатого пластинчато-роторного насоса показана на рисунке 1.4.

При присоединении насоса к вакуумной системе, трубопровод должен иметь малую длину и большой диаметр, не менее диаметра входного отверстия насоса. Невыполнение этих условий ведет к уменьшению быстроты откачки насоса.

Используемый в установке механический пластинчато-роторный насос ВН-05-2 имеет следующие основные эксплуатационные характеристики:

Быстрота откачки 0,5 л/ с

Остаточное давление 5·10 -3 мм рт. ст.

Насос высоковакуумный паромасляный. Насос высоковакуумный паромасляный Н-05 предназначен для откачки воздуха, неагрессивных газов, паров

и парогазовых смесей.

Насос должен работать только совместно со вспомогательным насосом предварительного разряжения. Место паромасляного насоса в высоковакуумной системе показано на рисунке 1.5.

Широко применяемые трехступенчатые паромасляные насосы состоят из следующих основных узлов: корпуса, паропровода, электронагревателя, маслоотражателя и гидрореле. Конструкция насоса показана на рисунке 1.5.

Корпус 1 насоса представляет собой стальной цилиндр с приваренным к нему днищем, входным фланцем 2, выпускным патрубком с фланцем 3. Для установки деталей эжектора на выпускном патрубке есть заплуженный фланец 4.

Рис.1.5. Общий вид насоса: 1 – электронагреватель; 2 – паропровод; 3 – корпус; 4 – маслоотражатель; 5 – сопло; 6 – подсопельник;

7 – сопло; 8 – подсопельник; 9 – эжекторное сопло

Основная конструкционная деталь насоса – паропровод, в котором осуществляется такая циркуляция масла, при которой пары масла из кипятильника, расположенного в нижней части корпуса по паропроводящим каналам попадают в верхнее, нижнее и эжекторные сопла, выходя, откуда конденсируются на холодных стенках корпуса насоса и выпускного патрубка. Стекая в кипятильник, масло попадает сначала в участок кипятильника, связанный с последним (выпускным) соплом и лишь в последнюю очередь, проходя по лабиринту, попадает в участок, связанный с наиболее ответственным внутренним паропроводом, подающим пар в высоковакуумное сопло. Благодаря этому высоковакуумное сопло, ближайшее к откачиваемому объекту, работает только на масле, имеющем наименьшее давление насыщенного пара, а сопло, ближайшее к насосу предварительного разряжения, работает на самых легких фракциях.

Паропровод насоса трехступенчатый. Первые две ступени зонтичного типа, третья ступень – эжекторная. Пары масла из кипятильника по паропроводам попадают в сопла трех ступеней насоса и, истекая из них, образуют струи. Откачиваемый газ диффундирует в струи пара и переносится ими в область предварительного разряжения. Пар, достигнув охлаждаемой стенки насоса, конденсируется и стекает обратно в кипятильник.

Пуск насоса осуществляется в следующей последовательности:

а) включить форвакуумный насос и, открыв вентиль, откачать систему

с паромасляным насосом до давления 5·10 -2 - 1·10 -2 мм рт. ст.;

б) пустить воду для охлаждения корпуса насоса;

в) включить электронагреватель паромасляного насоса.

Для остановки насоса включить электронагреватель насоса и подать воду для охлаждения дна. После остывания насоса перекрыть вентиль, выключить форвакуумный насос и прекратить подачу воды.

Основные характеристики паромасляного насоса:

Предельное остаточное давление не более 5·10 -7 мм рт. ст.

Быстрота откачки Fp 500 л/ с

Максимальное выпускное давление не менее 0.25 мм рт. ст.

Натекание атмосферного воздуха не более 0.02 л×мм рт. ст./с

Марка масла ВМ-1 ГОСТ 7904-56

предварительного разряжения ВН-2МГ или НВР-5Д

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить установку, для чего автомат “сеть” переводится в положение “Вкл.”.

2. Включить механический насос переводом ручки переключателя в положение “Вкл.”.

3. Откачать объем паромасляного насоса, открыть нижний клапан клапанной коробки.

4. Включить нагреватель паромасляного насоса тумблером “Вкл.”.

5. Через 35 – 40 минут после включения нагревателя паромасляного насоса включить азотный питатель.

6. После прогрева паромасляного насоса закрыть нижний клапан и произвести предварительную откачку подколпачного объема, открыв верхний клапан клапанной коробки.

7. Снять и построить характеристику P(t) при откачке на механическом насосе для этого в течение одного часа фиксировать показания термопарного вакуумметра через каждые 10 минут. Данные свести в таблицу и начертить кривую P(t).

8. Снять и построить характеристику P(t) для диффузионного насоса. Опыт провести также как и в пункте 7.

9. Оценить возможности обоих насосов при достижении уровня предварительного вакуума: механического в течение 40 минут, высоковакуумного – в течение 1 часа.

10. Дать заключение о предварительном вакууме, который можно получить при предложенной системе откачки.

11. Полученные при эксперименте данные привести в виде таблиц и графиков.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируется вакуум. Объяснить принцип работы установки вакуумного напыления, назначение узлов.

2. Объяснить правильную последовательность включения и выключения вакуумных насосов в вакуумной установке. Объяснить, чем ограничен предельный вакуум, который можно получить на такой установке.

3. Объяснить работу паромасляного насоса.

4. Объяснить работу механического насоса.

5. Объяснить принцип измерения вакуума и работу термоэлектронного и ионизационного датчиков.

6. Объяснить назначение и работу вентиля – натекателя.

7. Объяснить принцип действия и устройство азотной и электромагнитной ловушек.

8. Прокомментировать полученные вакуумные характеристики установки.