Материаловедение черных металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Дисциплина: Материаловедение

Исполнитель:

Нестеров В.П.

Содержание

Задание 5

Задание 19

Задание 22

Задание 35е

Задание 38

Список использованной литературы

Задание 5

Нагрев металла, полиморфное превращение железа и взаимодействие полиморфных модификаций железа с углеродом

Рисунок 1 Состояние Fe-Fe3C

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита). Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит (Ф) твёрдый раствор внедрения углерода в бFe кристаллическая решётка ОЦК, может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация в-Fe и низкотемпературная - бFe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в в- и б-железе.

Предельное содержание углерода в бFe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,008%. Низкотемпературный феррит бFe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d =50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в г-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% vглерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является механической смесью аустенита и цементита, образующихся при 1147°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях -карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):

s=800...900 МПа;

d< 16%; НВ 180..,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1147°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь ледебурит

ЖС(4.47%C) AE(2.14%C)+ЦF(6.67%C),

Ж4.3 Л4.3(ледобурит)

Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита

AGSФGP,

а по линии SE

АESЦII.

вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

Линия PQ при охлаждении отвечает температурам начала выделения из феррита цементита третичного в результате уменьшения растворимости С в феррите с понижением температуры при нагреве обратный процесс

ФPQ ЦIII.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 727°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита

AS(0.8%C) ФP(0.02%C)+ЦК(6Ю67%С)

А(0.8) П(0.8)перлит

В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на графике пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените).

Задание 19

Отпуск стальных деталей: его виды и сущность

Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.

Средний отпуск производится при температурах 300-500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Рис. 2. Влияние температуры отпуска на механичесуие свойства стали 40

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.

Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин.Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки. Недоотпущенная сталь сохраняет хрупкость. Устраняют этот дефект повторным, дополнительным отпуском. Сущность старения заключается в изменении растворимости углерода и азота в б-Fe, оно может быть связано также с выделением из твердого раствора частиц нитрида.

Различают искусственное и естественное старение. Отпуск, выполняемый при невысоком нагреве, называют искусственным старением. Процесс искусственного старения состоит в том, что закаленные детали нагревают до 120-150°С и выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. Искусственное старение осуществляют в масляных ваннах с автоматическим регулированием температуры. При старении закаленных деталей и инструмента стабилизируются размеры, а твердость и структура стали практически не изменяются.

Отпуск, если он происходит при комнатной температуре, называют естественным старением. При естественном старении детали и инструмент выдерживают при комнатной температуре три и более месяцев, так как процесс, вызывающий изменение размеров детали, протекает значительно медленнее, чем при искусственном старении.

Задание 22

Производство чугуна: конструкция доменной печи, исходные материалы для производства чугуна, доменный процесс

Профиль доменной печи, ограничивающий ее рабочее пространство, так называемый «полезный объем», является важнейшей частью конструкции печей. В зависимости от его очертаний доменная печь может быть склонна к периферийному или осевому ходу, к неустойчивости заданного режима и даже к настылеобразованию. Поэтому исключительно важно создание так называемого «рационального» профиля доменной печи, обеспечивающего стабильный ровный ход и максимальное использование восстановительной способности газа.

История его развития имеет много этапов -- от крайне несовершенного профиля завода «Фекерхаген» (Германия) до современных типовых, рассчитанных на любые условия плавки, что нельзя считать правильным, поскольку различные минералогические, гранулометрические и физико-химические особенности разного минерального сырья имеют свою специфику при переработке в доменной печи.

Создавать профиль доменной печи для проплавления только какого-то одного из них практически невозможно, поэтому важно создание так называемого рационального профиля, пригодного для всех условий доменной плавки. Вопрос о том, каким он должен быть, обсуждался многократно, но научного и практического обоснования его очертания нет и до настоящего времени. Многие рекомендации ограничиваются только статистическими данными на основе службы отдельных зон профиля в сопоставимых условиях.

Конструктивно профиль доменной печи по естественному разгару обрамляется футеровкой толщиной не выше 345 мм, находящейся полностью в сфере влияния вертикальной или вертикально-горизонтальной системы охлаждения, которая обеспечивает так называемую нижнюю реакционную температуру материала футеровки. Она устанавливает равновесное состояние в тепловом балансе кладки, обеспечивая минимальный износ ее и сохранение гарнисажа, а следовательно, и очертание профиля.

Такая конструкция шахт была принята в 60-х годах XX в. на печах Кузнецкого металлургического комбината (КМК) с последующей продажей лицензий ряду зарубежных стран. В настоящее время она является обязательной составляющей конструкции доменной печи.

Рекомендованная центральным Гипромезом толщина футеровки в 575 мм является приближением к тонкостенной. Дополнительный кирпич -- 230 мм, находящийся вне зоны охлаждения (она действует на глубину 300--350 мм), быстро разрушается. Образующийся при этом профиль произволен и ничего общего с рациональным профилем доменной печи не имеет. Таковым является только профиль по естественному разгару, совмещающий в себе единую конфигурацию проектного и рабочего объема печи.

Критерием распределения шихты по сечению колошника служит отношение руды к проходящему через нее газу. Этот показатель полезной неравномерности обеспечивает устойчивость шихтовых материалов. Излишнее приближение эллипсов движения к границам профиля -- причина разгара его вследствие увеличения периферийности движения газов.

Чрезмерное отдаление -- наоборот, отклонение газового потока в центральную область шахты с возможным образованием каналов и настылей в связи с застоем шихты на периферии. (Центральная область -- сечение шахты между периферийной и осевой зонами. Этим определяется разница между осевым и центральным потоками газа, понятие о которых многими авторами не различаются.)

Стабилизация эллипсоидов движения шихты легко регулируется методом «сверху и снизу». Увеличение горизонтальных размеров печей по сравнению с первыми типовыми профилями доменных печей Гипромеза (и при увеличении полезной высоты на 30%) снижает возможность этих отклонений и уменьшает относительные потери .веса шихты на трение материалов о стенки шахты, что способствует достижению более плавного и ровного хода.

Доменная плавка -- это сложный комплекс химико-физических процессов, протекающих в условиях высоких температур, комбинированного дутья и повышенного давления газа на колошнике. Главные из них -- тепломассообмен и восстановление. Возникая в результате противотока опускающихся шихтовых материалов и восходящих газовых потоков, они определяют газодинамику доменного процесса, зависящую от скорости их движения и взаимного контакта в различных зонах доменной печи.

Постоянство границ между ними, в том числе между областями косвенного и прямого восстановления, определяет закономерность и стабильность схода шихтовых материалов с возможно полным использованием восстановительной способности газового потока.

Уменьшение объема шихты и перераспределение ее составляющих становятся минимальными, сохраняя заданное при загрузке материалов в печь распределение, нарушающееся только в зоне когезии и плавления с образованием первичных шлаков. От этого зависят газопроницаемость столба шихтовых материалов с минимальным перепадом статического давления газов в шахте и постоянство дутьевого и температурного режимов в печи.

Многочисленные средства технического контроля за ходом доменной плавки, применение различных моделей доменного процесса и экспертных систем, создаваемых для наблюдения за ходом печи и предупреждения возможных отклонений его от установленного режима, не исключают роли человеческого фактора: квалификации специалистов ведущих плавку, их умения правильно и своевременно корректировать ход печи и предупреждать возможные расстройства и аварии. Это главное условие для сохранения стабильного режима печи, основным показателем которого является ровный ход.

Нормальная работа доменной печи с высокими технико-экономическими показателями обеспечивается хорошей газопроницаемостью материалов при распределении их на колошнике в соответствии с требованиями доменного процесса. Достигаемая подготовкой шихты к плавке, она обусловливается порозностью столба шихтовых материалов, величина которой зависит от их гранулометрического состава, усредненности и организации загрузки в печь при заданной характеристике расположения шихты на поверхности засыпи.

Спецификой доменной плавки является изменение первоначальных параметров шихтовой смеси в ходе процесса, полное или частичное термофизическое разрушение кусков с постепенным накоплением мелочи в смеси. Протекает оно различно:

окатыши почти не подвергаются прямому физическому разрушению, но покрываются микротрещинами кольцевого и поверхностного характера с последующим распадом, вызывающим образование большого количества тонкодисперсных частиц;

в агломерате появляются внутренние трещины, разрушающие куски;

нарушение прочности руды зависит от ее минералогической характеристики и начинается с появления в поверхностном слое сетки мельчайших трещин с образованием пыли, количество которой прогрессирует по мере опускания кусков.

В нижних зонах печи главной составляющей столба шихты является кокс. Разрушение его сокращает размер пустотных каналов и уменьшает плотностный эффект, создаваемый динамической порозностью. В этих условиях применение прочных, однородных по форме и размерам (хотя и более мелких) кусков оказывается положительным для стабилизации порозности, в чем и заключается главный вывод проведенных исследований. Поэтому в мировой доменной практике имеется тенденция к снижению верхнего предела агломерата до 8-- 15 мм и сужению диапазона крупности: кокса -- 25--60, агломерата до 15--30 мм, окатышей до 8--16, 40--70 мм при возможно полном удалении более мелких фракций.

Считается, что такие размеры обеспечивают надлежащую интенсивность хода и максимальное использование тепловой и восстановительной энергии газового потока. При этом крупность кусков минерального сырья между собой и коксом должна иметь соотношение наибольших и наименьших размеров, как 1,7^2,0. При увеличении его до 2 и выше порозность насыпной массы сокращается, особенно при соотношении крупных и мелких кусков в смеси 2:1.

Шихтовые материалы доменной плавки должны обладать высокой механической и термической прочностью, равномерной гранулометрией, низкой истираемостью и дробимостью, хорошей естественной сыпучестью. Большое значение имеют стабильность химического состава, восстановимость, температура размягчения и переход материала в жидкое состояние. Но не все свойства и не для всех видов сырья могут быть учтены в одинаковой степени в цеховых условиях. Поэтому предпочтение отдается тем из них, которые наиболее существенны для обеспечения ровного хода доменной печи. Так, например, главными показателями для агломерата являются механическая прочность и восстановимость.

Все материалы, поступающие в доменный цех, должны удовлетворять установленным техническим условиям (ТУ), выполнение которых поставщиками должно контролироваться. Так, железная руда, агломерат и окатыши должны проверяться по железнодорожным составам, если они поступают непосредственно на бункера.

На складах сырья штабеля должны быть разбиты на квадраты, по которым отбираются при штабелировании пробы для химического анализа. Известняк должен иметь крупность не более 25--10 мм с нерастворимым остатком SiO2 + Al2O3 не более 2% и содержанием СаО -54%, с браковочными пределами 5 и 51% соответственно.

Задание 35е

Производство заготовок деталей пластическим деформированием волочением.

Волочение - деформирование металла протягиванием катаных или прессованных заготовок через отверстие с целью уменьшения их поперечного сечения или получения более точных размеров и гладкой поверхности. Усилие Р прикладывается к заострённому концу заготовки, который свободно проходит через инструмент -- волоку и захватывается специальным захватом (см. рис.3).

Рис. 3 Схема волочения: 1 -- волока; 2 -- заготовка; 3 -- заострённый конец заготовки; 4 -- захват

Заготовки перед волочением подвергают термической обработке для снятия наклепа и придания металлу необходимых пластических и прочностных характеристик. Непосредственно перед волочением заостряют конец заготовки, удаляют окалину механическим, химическим или электролитическим методами, промывают и наносят подсмазочный слой, который должен удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волоки от налипания металла. Подсмазочный слой может быть различным: тонкий слой гидроксида железа, медный, фосфатный, известковый и др. В результате волочения заготовка приобретает форму и размеры отверстия волоки, её поперечные размеры уменьшаются, а длина увеличивается. Волочением можно получить проволоку диаметром менее 0,01 мм. Волочение труб производится тремя способами: без оправки, на короткой неподвижной оправке, на длинной движущейся оправке. В первом случае уменьшается диаметр трубы, во втором и третьем -- диаметр и стенка трубы (см. рис.4).

Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного инструмента. По типу тянущего устройства волочильные станы подразделяются на станы с прямолинейным движением протягиваемого материала (цепной, реечный, гидравлический) и с наматыванием его на барабан (барабанный тип). Станы барабанного типа применяются в основном для получения проволоки, редко для сплошных и полых профилей и только для тех случаев, когда изгиб при наматывании на барабан не нарушает формы поперечного сечения.

Рис. 4 Схемы волочения труб: 1 -- без оправки; 2 -- на короткой неподвижной оправке; 3 -- на длинной движущейся оправке

Волочение -- это холодный вид обработки давлением, в процессе которого заготовка упрочняется. Волочение получило широкое применение в производстве пруткового металла, проволоки, труб и других изделий постоянного сечения и большой длины.

Задание 38

железо углерод отпуск чугун напыление

Напыление покрытий: основные способы и их краткая сущность

Тонкопленочные металлополимерные материалы (металлизированные полимеры, металлические изделия с тонким полимерным покрытием, многослойные системы и др.), формируемые методами вакуумной технологии, характеризуются высокими служебными свойствами и эффективно используются при решении различных технических задач. Их применение во многом определило достижения оптики, электро- и радиотехники, химических технологий и ряда других отраслей промышленности. При этом в ближайшее время возможно еще более широкое использование вакуумно-плазменных методов при формировании тонкопленочных металлополимерных материалов, что связано, во-первых, с развитием технической оснащенности, с разработкой и внедрением высокоэффективных технологических процессов, в частности, с использованием непрерывных автоматических вакуумных установок и, во-вторых, с заметными успехами в изучении закономерностей осаждения вакуумных металлических и полимерных покрытий.

Основной особенностью формирования данных материалов является протекание сложных физико-химических процессов на границе раздела фаз, их зависимость от условий и режимов осаждения слоев. Именно по этой причине рассмотрение даже самой простой в технологическом отношении двухслойной системы металл-полимер предполагает, в частности, учет состояния граничного полимерного слоя как основного ее элемента. Структура и свойства данного слоя определяются кинетикой протекания диффузионных, контактных химических процессов, имеющих, как правило, релаксационную природу и зависящих от природы взаимодействующих материалов и технологических параметров формирования адгезионного контакта. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал о природе и механизме протекания межфазных взаимодействий, структуре и свойствах граничных слоев, влиянии на особенности и характеристики межфазных процессов природы взаимодействующих материалов и внешних тепловых и механических воздействий. Теоретические исследования, основной целью которых является аналитическое описание межфазных процессов, менее многочисленны, что объясняется сложностью протекающих процессов, влиянием большого числа факторов, степень и характер воздействия которых на межфазные процессы детально не изучены.

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.

Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц.

Вещество, подлежащее напылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) , где оно при достаточно высокой температуре интенсивно испаряется. В вакууме, который создается внутри камеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно и быстро распространяются в окружающее пространство, достигая, в частности, поверхности подложки . Если температура подложки не превышает критического значения, происходит конденсация вещества на подложке, то есть рост пленки. На начальном этапе испарения во избежание загрязнения пленки за счет примесей, адсорбированных поверхностью испаряемого вещества, а также для вывода испарителя на рабочую температуру используется заслонка , временно перекрывающая поток вещества на подложку. В зависимости от функционального назначения пленки в процессе осаждения контролируется время напыления, толщина, электрическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданного значения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества и процесс роста пленки прекращается. Нагрев подложки с помощью нагревателя перед напылением способствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессе осаждения создает условия для улучшения структуры растущей пленки. Непрерывно работающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10-4 Па.

Разогрев испаряемого вещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляют электронным или лазерным лучом, СВЧ-излучением, с помощью резистивных подогревателей (путем непосредственного пропускания электрического тока через образец из нужного вещества или теплопередачей от нагретой спирали). В целом метод отличается большим разнообразием как по способам разогрева испаряемого вещества, так и по конструкциям испарителей.

Если требуется получить пленку из многокомпонентного вещества, то используют несколько испарителей. Поскольку скорости испарения у различных компонентов разные, то обеспечить воспроизводимость химического состава получаемых многокомпонентных пленок довольно сложно. Поэтому метод термовакуумного напыления используют в основном для чистых металлов.

Весь процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация. Испарение вещества с поверхности имеет место, вообще говоря, при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Если допустить, что процесс испарения молекул (атомов) вещества протекает в камере, стенки которой достаточно сильно нагреты и не конденсируют пар (отражают молекулы), то процесс испарения становится равновесным, то есть число молекул, покидающих поверхность вещества, равно числу молекул, возвращающихся в вещество. Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы, называется давлением насыщенного пара, или его упругостью.

Практика показывает, что процесс осаждения пленок на подложку происходит с приемлемой для производства скоростью, если давление насыщенного пара примерно равно 1,3 Па. Температура вещества, при которой ри = 1,3 Па (ри - давление насыщенного пара при температуре испарения), называют условной температурой Тусл. Для некоторых веществ условная температура выше температуры плавления Тпл, для некоторых - ниже. Если Тусл < Тпл, то это вещество можно интенсивно испарять из твердой фазы (возгонкой). В противном случае испарение осуществляют из жидкой фазы. Зависимости давления насыщенного пара от температуры для всех веществ, используемых для напыления тонких пленок, представлены в различных справочниках в форме подробных таблиц или графиков

Вторая стадия процесса напыления тонких пленок - перенос молекул вещества от испарителя к подложке. Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, то можно получить высокий коэффициент использования материала, что особенно важно при осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышает также и скорость роста пленки на подложке.

По мере испарения вещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства типов испарителей постепенно меняются. В этих условиях последовательная обработка неподвижных подложек приводит к разбросу в значениях параметров пленки в пределах партии, обработанной за один вакуумный цикл. Для повышения воспроизводимости подложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении карусели подложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чего нивелируются условия осаждения для каждой подложки и устраняется влияние временной нестабильности испарителя. Третьей стадией процесса напыления тонких пленок является стадия конденсации атомов и молекул вещества на поверхности подложки. Эту стадию условно можно разбить на два этапа: начальный этап - от момента адсорбции первых атомов (молекул) на подложку до момента образования сплошного покрытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный рост пленки до заданной толщины.

Список использованной литературы

Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977.

Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003.

Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. / Под ред. Л.М. Бернштейна, А.Г. Рахштадта, М.: Металлургия, 1987.

Пожидаева С.П. Технология конструкционных материалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультета технологии и предпринимательства. Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002.

Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М., Машгиз, 1962.

Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для ВУЗов / С.Е.Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Привалов; Под ред. С.Е. Ушаковой. - М.: Радио и связь, 2002. - 256с.

Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред. А.М. Дольского. - М.: Машиностроение, 2005. - 448с.

Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб. - Мн. Выш. Школа, 2004 - 347с.

Тявловский М.Д., Хмыль А.А., Станишевский В.К. Технология деталей и периферийных устройств ЭВА: Учеб. пособие для ВУЗов. Мн.: Выш. школа, 2001. - 256с.

Размещено на Allbest.ru