Оборудование для нанесения покрытий и модификации поверхности, в том числе методом ионной имплантации, служит для формирования на поверхности изделий, конструкций и конструкционных материалов слоев с особыми свойствами, отличающимися от основного материала и обеспечивающими защиту от разрушающего воздействия (физического, химического и механического) внешних сред и нагрузок, а также для восстановления геометрических размеров изношенных деталей.
Технологический цикл получения покрытий включает два основных этапа: подготовку поверхности изделий или конструкций перед нанесением покрытий и операцию нанесения покрытий. В соответствии с этим имеются две группы технологического оборудования. Установки для подготовки поверхности служат для обезжиривания поверхностей деталей, очистки их от оксидных пленок и загрязнений, придания необходимой шероховатости, активирования поверхностного слоя материала.
В ряде случаев, главным образом при вакуумных методах нанесения покрытий, операция подготовки полностью или частично осуществляется в основной технологической установке в качестве одной из рабочих операций. Оборудование для нанесения покрытий и модифицирования поверхности обеспечивает формирование защитных слоев заданной толщины на определенных участках или всей поверхности изделия.Классификация оборудования
Оборудование для нанесения покрытий и модифицирования поверхности может быть классифицировано по следующим признакам.По физическим условиям реализации процесса нанесения покрытий (для газотермических, вакуумных способов нанесения покрытий, ионной имплантации). В случае газотермических методов нанесения необходим генератор горячих газовых струй, нагревающих и ускоряющих частицы материала, образующие покрытие. При вакуумных методах обязательным условием является создание достаточно разреженной среды с малым содержанием посторонних включений. Ионная имплантация характеризуется наличием источника ионов с высокой энергией.
— По виду используемой энергии (газоэлектрическое, газопламенное, электроннолучевое, лазерное, электроискровое). При газотермических методах нагрев газовой струи может производиться или за счет электрической энергии (плазменный, электродуговой, газоэлектрические методы) или путем сжигания горючего газа (газоплазменный, детонационный методы). В других случаях энергетическое обеспечение процесса осуществляется благодаря энергии электронного или лазерного луча, электрической искры и др.
— По скорости газовых струй (дозвуковое, сверхзвуковое). Этот тип классификации оборудования относится только к газотермическим методам нанесения покрытий.
— По роду электрического разряда (дуговое, высокочастотное, искровое). Примерами могут служить дуговые и высокочастотные плазмотроны для газотермического напыления, электроискровые установки’для легирования. Дуговой и высокочастотный разряды используют также в установках вакуумного нанесения покрытий.
— По виду используемого исходного материала (порошок, проволока, гибкий шнур). Эта классификация охватывает в основном газотермические методы (в зависимости от вида материала в состав оборудования входят различные устройства для его подачи). При вакуумных методах нанесения покрытий расходуемый материал используют в виде мишени для распыления или слитков для испарения.
— По составу среды, в которой проводится процесс (воздух, вакуум, вода, инертная ат- мосфера). Разнообразие сред относится к газотермическому напылению. Состав оборудования значительно отличается в зависимости от условий его реализации — на воздухе, под водой, в вакуумируемой камере или в камере с контролируемой инертной средой.
— По степени комплектности и уровню механизации (ручной инструмент, станочный инструмент, механизированный комплекс, роботизированный комплекс). Использование ручного инструмента характерно для газоплазменного напыления, электродуговой металлизации и электроискрового легирования и, в меньшей степени, для плазменного напыления. Он применяется для нанесения покрытий на небольшие поверхности при отсутствии серийного производства, а также при работах в полевых условиях, например, при нанесении антикоррозионных покрытий на металлоконструкции мостов и других сооружений.
Станочный инструмент для реализации этих методов применяют при проведении более высокопроизводи-тельного технологического процесса. Он обладает большей массой, чем ручной, и крепится на станках иЛи специальных манипуляторах, обеспечивающих его механизированное перемещение.
Механизированные и автоматизированные комплексы могут быть использованы практически во всех рассматриваемых технологиях нанесения покрытий и модифицирования поверхности. Они обеспечивают подачу обрабатываемого изделия в рабочую зону, заданное относительное переме-
щение рабочего инструмента (горелки, плазмотрона, лазерного луча и др.) и обрабатываемой детали и выдачу готового изделия. Контроль рабочих параметров осуществляется или вручную (при механизированном комплексе), или автоматически с поддержанием заданного уровня. Примером автоматизированного комплекса может служить комплекс плазменного напыления ните-водящих деталей текстильных машин.
Назначение роботизированных комплексов состоит в обеспечении перемещения рабочего инструмента по сложной траектории, а также в проведении процесса нанесения покрытий в замкнутом пространстве, например, в вакуумируемой камере при плазменном напылении в динамическом вакууме. Роботизированные комплексы находят широкое применение при газотермическом напылении компонентов газотурбинных двигателей (лопаток, камер сгорания и др.).
— По технологическому назначению (нанесение покрытий, восстановление изношенных деталей, модификация поверхности).
Разнообразие типов оборудования для нанесения покрытий обеспечивает широкий диапазон его практического применения, например: ручные электродуговые пистолеты и газопламенные горелки для нанесения антикоррозионных и износостойких покрытий на экранные трубы бойлеров; газотермические установки для восстановления коленчатых валов; электронно-лучевые установки для нанесения покрытий на лопатки газотурбинных двигателей; поточные линии для газотермического нанесения антикоррозионных покрытий на лист, трубы, сортовой прокат; лазерные комплексы для упрочнения гильз двигателей внутреннего сгорания. Энергоснабжение
Вакуумные методы нанесения покрытий и модифицирования поверхности (электроннолучевой и ионно-плазменный методы, термоионное и катодное распыление, ионная имплантация и др.), а также электроискровое легирование и лазерная обработка основаны на использовании электрической энергии. Источники питания, как правило, являются специализированными и во многих случаях входят в состав установки для нанесения покрытий или обработки поверхности.
Оборудование для газотермического нанесения покрытий (электродуговой металлизации, газопламенного, плазменного и детонационного напыления) по виду используемой энергии делится на две группы — газопламенное и газоэлектрическое. В первом случае (газопламенное и детонационное напыление) ис- точником энергии является энергия сгорания горючего газа. Характеристики применяемых газов представлены в табл. Для установок газоэлектрических методов газотермического нанесения покрытий (плазменного напыления, электродуговой металлизации) в качестве источников питания используют различные типы выпрямителей, причем при плазменном напылении с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, а при электродуговой металлизации с жесткой или поло-гопадающей. Основные типы таких источников питания приведены в табл. Для плазменного напыления источниками питания служат ИПН и другие, для электродуговой металлизации - ПСГ и другие. Перспективно использование для этих целей тиристорных источников питания. К их числу относится специализированный источник питания ТИМЕЗ, имеющий следующую техническую характеристику. При электронно-лучевой технологии предъявляются повышенные требования к параметрам и характеристикам источников питания электронных пушек. Для питания электронно-лучевых пушек мощностью 250 кВ. А
Автоматизированные комплексы (или линии) в основном построены по модульному принципу и включают: механический модуль-автомат струйно-абразивной обработки; механический модуль-автомат напыления; аппаратурный модуль (установку) плазменного напыления; транспортный манипулятор; систему автоматического управления комплексом. Модуль транспортного манипулятора зависит от характера производства и типа напыляемого изделия. Система управления комплекса осуществляет локальное программное управление всеми модулями и управление в целом.
Примером такого оборудования является автоматизированный комплекс оборудования плазменного напыления ОПН Комплекс ОПН-11 предназначен для нанесения покрытий методом плазменного напыления на наружные поверхности деталей широкой номенклатуры, включает установку плазменного напыления марки УН-1, устройство аспира-ционное марки А-9000, блок плазменного напыления марки БП-1. Техническая характеристика комплекса ОПН-11 приведена ниже. Автоматизированные комплексы плазменного напыления разрабатывает и выпускает фирма Плазма-Техник АГ (Швейцария).
Комплексы плазменного напыления в динамическом вакууме отличаются наличием вакуумного модуля, который осуществляет откачку газов из камеры (до 7 Па), подачу инертного газа и поддержание его давления, в требуемых пределах очистку отсасываемых газов от дисперсных частиц перед форвакуум ной станцией. Оборудование для детонационного напыления покрытий. Оборудование включает следующие основные элементы: установку для детонационного напыления; пульт управления исполнительными органами установки; пульт газораспределения. В авто- матический комплекс для детонационных покрытий дополнительно могут входить манипуляторы для перемещения как установки, так и напыляемых изделий с блоком управления: рабочие камеры с системой вентиляции и пылеулавливания.
В качестве рабочих газов используются ацетилен, водород, пропан-бутан, природный газ, кислород, а также азот и сжатый воздух .
Высокий уровень шума при детонационном напылении обусловливает необходимость зов и флегматизирующего газа в ствол, порошковый дозатор; воспламенитель горючей смеси газов; систему локализации сгорания горючей смеси газов в стволе; систему охлаждения ствола и других нагреваемых узлов установки; системы контроля процесса напыления и качества напыляемого покрытия.размещения установки, пульта газораспределения и манипулятора для перемещения напыляемых изделий в звукоизолированном боксе. Управление процессом напыления осуществляют из операторской кабины с помощью пульта.
Установки для детонационных покрытий (детонационного напыления) имеют следующие основные функциональные органы: ствол с камерой зажигания; газораспределительный механизм, служащий для дозирования, смешивания и подачи горючей смеси га-
Оборудование для ионно-плазменного нанесения покрытий. Система оборудования для ионно-плазменных покрытий связана с источником плазмы, выбранным для осуществления технологического процесса. В систему входят: распылительное (испарительное) устройство, предназначенное для создания ионизированного потока пара материала покрытия. В случае применения тлеющего (или дугового) разряда испарение происходит из твердой фазы, при этом распыляется катод (мишень). Для термического испарения из жидкой фазы используется дуговой разряд. При этом испаряется анод, который выполнен в виде тигля, заполненного материалом покрытия. Однако если этот материал при заданном режиме испарения может сублимировать, то испарение происходит из твердой фазы;
рабочая камера, предназначенная для монтажа всех систем, поддержания требуемого давления в ходе технологического процесса;
система управления натеканием плазмо-образующего газа, предназначенная для создания газоразрядной плазмы определенного химического состава и плотности;т система охлаждения газоразрядного устройства и термостатирования рабочей камеры, предназначенная для охлаждения мишени и анода в распылительном устройстве, деталей испарительного устройства при термическом испарении;
источник питания вспомогательного разряда, предназначенный для создания несамостоятельного разряда;
дуговое газоразрядное устройство, предназначенное для создания потока ионизированного пара;
устройство подпитки тигля, служащее для пополнения тигля материала и обеспечивающее требуемую технологическим процессом температуру и уровень расплавленного металла в тигле;
устройство перемещения и ориентации покрываемых деталей, предназначенное для повышения равномерности распределения конденсата на детали;
откачной пост, предназначенный для создания вакуума в рабочей камере и поддержания определенного давления в процессе нанесения покрытия;
система управления технологическим процессом, настраиваемая на определенный технологический цикл нанесения покрытия.
Ниже рассматривается оборудование для особых способов ионно-плазменного нанесения покрытий.
Оборудование для катодного распыления представлено типичной установкой УВН-75П-1 , которая предназначена для нанесения покрытий на гибридные интегральные схемы. Техническая характеристика установки приведена ниже. Оборудование для магнетронного нанесения покрытий подразделяется на установки периодического и непрерывного действия . Различные сочетания взаимного расположения мишени, магнитной системы и подложки (напыляемой основы) позволяют создавать многообразные типы установок магнетронного нанесения покрытий (магнетронного распылива-ния) . Для изготовления интегральных схем используют установки серии “Оратория”, автоматические линии “Магна”. Для нанесения нитридных износостойких покрытий на режущий инструмент применяют установки “Мир” с двумя магнетронами производительностью 200 тыс. изделий в год.
Другими примерами оборудования магнетронного распыливания являются установки непрерывного действия УН-101 для металлизации заготовок печатных плат и УВ-84 для алюминирования стекла в зеркальном производстве.
Зарубежные фирмы Бальцерс (Лихтенштейн), Лейбольд (Германия), Ульвак (Япония), Алкатель (Франция) выпускают автоматизированные установки магнетронного распыления со стабилизацией тока и мощности разряда, парциальных давлений рабочего и реактивного газа. Оборудование для термического испарения сжатой дугой низкого давления представлено установкой У-304, предназначенной для металлизации элементов керамических конденсаторов . Оборудование для ионного распыления в плазме дуги с термокатодом имеет схему, аналогичную рассмотренной выше . Примером являются установки У. Установка У предназначена для металлизации полосковых плат, а установка УРМЗ — для металлизации гибридных интегральных микросхем.
Оборудование для термоионного нанесения покрытий представлено автоматической установкой УВН-ЭИП с групповой обработкой подложек, используемой при изготовлении полупроводниковых схем, СВЧ-транзи-сторов . В качестве покрытий напыляют алюминий, медь, титан, кремний. Техническая характеристика приведена ниже.
Вакуумные печи имеют преимущественно однокамерное исполнение. Они различаются по способу нагрева (радиационной, высокочастотной, проходящим током, кварцевыми лампами, в тлеющем разряде и др.), по максимальной температуре нагрева, наличии системы приложения усилия сжатия к паяемым изделиям и др. Техническая характеристика печей приведена в табл. Следует отметить, что большинство печей имеет радиационный нагрев и максимальную рабочую температуру в пределах 1100…1150°С. Последнее серьезно ограничивает их возможности по пайке жаропрочных материалов на различной основе. Основной недостаток однокамерных вакуумных печей — низкая производительность, обусловленная небольшой скоростью охлаждения в нижнем (менее 600°С) интервале температур. Иногда этот недостаток устраняется за счет продувки через камеру инертного газа. Однако большой расход последнего и необходимость его очистки делает в большинстве случаев эту операцию нерентабельной.
Существенное увеличение производительности может быть достигнуто за счет использования двухколпаковых печей, имеющих совмещенную вакуумную систему. Однако наиболее радикальное решение — разделение зон нагрева и охлаждения. Обычно идут по пути создания многокамерных печей, которые могут быть проходными и карусельными. Проходные вакуумные печи применяют, например, в поточной линии для производства испарителей автомобильных воздушных кондиционеров. Каждая печь конвейерного типа включает входной отсек. Процесс полностью автоматизирован за исключением операции снятия изделий с салазок, на которых оно перемещается в печи. Цикл изготовления испарителя в печи составляет 6 мин. Проходные печи — наиболее производительные вакуумные установки. Однако они не получили широкого распространения из-за сложности конструкции и большой площади, необходимой для их размещения.
Более компактны и надежны карусельные вакуумные печи. Карусельная печь показана на рис. Загрузка и выгрузка изделия производится на позиции 7, которая имеет индивидуальную систему откачки, в камерах 2 и 3 производится нагрев, а на позициях 4, 5 и 6 — охлаждение изделия. Очередной ход карусели осуществляется по достижении температуры пайки, т. е. по сигналу термопары на позиции 3. Для увеличения производительности нагрев в печи производится на двух позициях, что в 2 раза сокращает время пребывания изделия на каждой позиции. Если время пребывания на позициях охлаждения изделий недостаточно, предусмотрено охлаждение изделия инертным газом.
Нагрев в печах с воздушной атмосферой применяется, главным образом, при низкотемпературной пайке, когда не происходит интенсивное окисление металла. При высокотемпературной пайке нагрев изделия, как правило, осуществляется в контейнерах, герметизован-ных сваркой, песчаным затвором и др. В большинстве случаев они продуваются инертным газом, однако известно применение вакууми-рованных контейнеров. Ввиду относительной простоты и доступности метода пайка в контейнерах получила широкое распространение в промышленности.
Паяльники. Основное назначение паяльника — нагрев до температуры пайки паяльных материалов и соединяемых деталей или их частей. Основные элементы паяльника — нагреваемый наконечник (стержень или брусок), имеющий заточку (”жало”), обеспечивающую удобство нанесения припоя и хороший тепловой контакт с нагреваемой поверхностью, и теплоизолирующая ручка. На ручке могут монтироваться: устройства для нагрева наконечника, регуляторы нагрева, устройства подачи и дозирования припоя, устройства отбора припоя с места пайки, устройства, обеспечивающие проведение специфических манипуляций при пайке и др.
— Основное направление развития оборудования для пайки — механизация и автоматизация технологических процессов. Для газопламенной и индукционной флюсовой пайки можно добиться высокой степени автоматизации всех технологических операций: нагрева, нанесения припоя и флюса (чаще всего пасты, включающей оба компонента), очистки после пайки и др. Все большее распространение получат установки с программным управлением. Основной род установок — конвейерные и карусельные. Перспективны разработки установок как широкого профиля, так и узкоспециализированных, например, установок для газопрессовой пайки.
— Перспективно развитие компактных источников для получения кислородно-водородного пламени за счет электролиза воды. Кроме замены дефицитного ацетилена можно существенно изменить процесс газопламенной пайки, ввиду более легкого программного дозирования количества теплоты. Такие источники могут быть применены для деталей различных размеров, в том числе миниатюрных. Эффективно применение новых источников теплоты: светового, лазерного, инфракрасного излучения, причем как при высокотемпературной, так и при низкотемпературной пайке. Программное управление технологическим процессом при этом легко реализуется.
— Автоматизированные технологические линии с использованием низко- и высокотемпературной пайки как ведущего технологического процесса, например для узлов радио и электронной промышленности, различного рода теплообменников (например, автомобильных и тракторных радиаторов и др.) должны быть оснащены оборудованием не только для пайки, но и для подготовительных и вспомогательных операций.
— При увеличении производства изделий из новых материалов, в том числе неметаллических, значительно возрастает потребность в оборудовании для пайки в различных защитных средах, особенно в вакууме. Перспективно применение установок со сложными технологическими процессами, например, с ионной очисткой изделий перед пайкой, нанесением после этого покрытий и др. оборудования для пайки как на воздухе, так и в вакууме. В частности, большие перспективы имеют карусельные вакуумные установки (типа У-925, П-126).
— Большие возможности имеются в разработке вспомогательного оборудования: для нанесения припоев, очистки поверхности изделий перед пайкой и после нее для получения порошков припоев, аморфных лент, паяльных паст и др. Унификация узлов и агрегатов позволит компоновать новые установки из имеющихся компонентов. Одной из неотложных задач являются стандартизация и создание банка данных по оборудованию на современном уровне, когда эти данные можно анализировать с помощью компьютера.
