دانلود فایل ورد مقاله رسوب دهي لايه هاي نازك سخت و يا نرم

    —         —    

ارتباط با ما     —     لیست پایان‌نامه‌ها

... دانلود ...

بخشی از متن دانلود فایل ورد مقاله رسوب دهي لايه هاي نازك سخت و يا نرم :

رسوب دهی لایه های نازك سخت و یا نرم

مقدمه
مورفولوژی یك پوشش بطور عمده به فناوری بكار گرفته شده بستگی دارد. بطور كلی روشهایی كه در آن پوشش از فاز بخار رسوب داده می‌شوند. را می‌توان دو گروه اصلی تقسیم كرد روش رسوب شیمیایی بخار CVD و روش رسوب فیزیكی PVD بعلاوه از روشهایی به نام روشهای كمكی یا تحریك شده نیز استفاده می‌شود. بعنوان مثال روش كمكی پلاسمای رسوب شیمیایی بخار PA-CVD یا فرآیندهای دما توسط مانند روش دما متوسط CVD كه با MT-CVD نمایش داده می‌شود نیز گسترش پیدا كرده است. همانطور كه در شكل 51 نشان داده شده است بعنوان مثال به روشهای فوق مواردی مثل پرایدهای نسوز، كارمیدها، نیتریدها ،اكسیدها وتركیب های مختلفی از این گونه پوششها را میتوان رسوب داد.

52 روشهای رسوب شیمیایی بخار
521 طبقه بندی فناوریهای CVD
در روش رسوب شیمیایی بخار واكنش كننده ها بصورت گاز تامین شده و واكنشهای شیمیایی در اثر گرما در سطح زیر لایه گرم شده انجام می‌شوند. در روشهای CVD معمولا فرآیند در درجه ر600 تا 1100 درجه سانتیگراد انجام می‌شود هزینه فرآیندهایی كه در درجه وارستای پایین تر نیز كار می كنند بكار گرفته شده است. در جدول 51 می‌توان روشهایی از CVD كه بیشتر در صنعت ارز برش بكار می رود را ملاحظه كرد.

In به شكل سنتی خود فناوری CVD بدون فرآیندهای كمكی در فشار محیط مثل پوشش دهی در فشار محیط APCVD ,CVD یا در فشار پایین مثل پوشش دهی به فشار كم CVD استفاده میشود. از فناوری APCVD كه به پوشش دهی با دمای بالای (HT-CVD) CVD نیز معروف است بعنوان پرمصرف ترین روش پوشش می‌توان نام برد.

در روش كلاسیك پوشش دهی CVD كه از سال 1969 در صنعت بكارگرفته شد از در یك لحظه ای حفاظت شده از اتمسفر محیط،تحت گاز هیدروژن فشار 1 اتمسفر یا كمتر تا 1000C گرم می‌شود. همچنین تركیبات تبخیر شدنی به اتمسفر هیدروژن اضافه می‌شوند. تا بتوان تركیبات فلی وغیرفلزی را رسوب داد. یك جنبه مشترك تمام فناوریهای CVD افزودن عنصر مورد نظر در پوشش به شكل یك هالوژن مثل Tic4 در ورد لایه های Ti(cN) یا TiN ,Tic یا مخلوطی از هالوژنها مثل Ticl4 +Bcl3 در مورد لبه های TiB2 می‌توان نام برد.

522 روش تحت فشار اتمسفر رسوب شیمیایی بخار (APCVD)
وسایل بكار گرفته شده برای رسوب دهی لایه TiN به روش CVD در شكل 52 ارائه شده است در این روش یك محفظه واكنش گرم شده و وسایل انتقال گاز مورد نیاز است. در بیشتر موارد زیر لایه به روش هرفت یا تشعشعی ازداخل محفظه پوشش دهی گرم می‌شود. فرآیند با تغییر دادن درجه حرارت قطعات تحت پوشش تركیب شیمیایی و فشار گانه ها كنترل میشود. همانطور كه قبلا اشاره شد واكنشهای هالیه فلزات مثلا با هیدروژن ،نیتروژن یا متان. بكار گرفته می‌شود تا بتوان پوششهایی مثل انواع نیترید ها یا كاربیدهای فلزات را ایجاد كرد.

بعنوان مثال واكنشهای ذیل برای ایجاد پوششهای به ترتیب نیترید نتیتانیوم وكاربید تیتانیوم بكار گرفته می‌شود:
(1)
(2)

لایه اكسید آمونیومو را میتوان با واكنش ذیل ایجاد كرد.
(3)

With با مخلوطهایی از هالیه فلزات، هیدروژن ،اكسیژن، نیتروژن ،هیدروكربنها و تركیبات بر، پوششهای مختلفی از نیترید، كاربید و براید فلزات را میتوان به روش CVD ایجاد كرد. در حال حاضر متداولترین پوشش های ایجاد شده به روش هستند (شكل 53) لایه های ایجاد شده به روش CVD ساختار میكروسكوپی ستونی دارند هر چند رسوبات اولیه گاهی به شكل هم محور هستند.

بطور خاص اندازه دانه وساختار میكروسكوپی اولیه به شدت به شرایط اعمال شده در فرآیند بستگی دارد.
چون فرایند در درجه حرارتهای بالا انجام می‌شود بین پوشش زیر لایه به میزان قابل توجهی نفوذ صورت می گیرد. بنابراین پوششهای CVD معمولا چسبندگی بین پوشش و زیر لایه را به شدت بهبود می بخشد. در رسوب دهی Tic كربن كاربیدهای زیر لایه باتیتانیوم طی واكنشی تولید Tic می كنند.در اثر كربن زدایی از سطح باعث می‌شود كه ناز ترد اما تولید شود و آن نیز به نوبه خود با تخلخهای بسیار در زیر لایه در مرز پوشش –زیرلایه همراه است كه در شكل 53 نشان داده شده است.
523 فرایند درجه حرارتهای متوسط (MT- CVD) CVD

اثبات شده كه استحكام پارگی در سطح مقطع (TRS) در كاربیدهای 300% یا بیش از آن كاهش می یابد. مشكل ضعیف شدن لبه برش را میتوان با استفاده از فرآیندهای درجه حرارت متوسط رفع كرد یا honing لبه های از در قبل از فرآیند رسوب دهی CVD تا حدودی كاهش داد.
The با انتخاب مناسب واكنشگرهای گازی یا فشارهای كمتر باعث میشود كه بتوان در درجه حرارتهای پایین تر رسوب دهی كرد. در موراول هنگام ایجاد لایه Tic هیدروكربن بنزن را میتوان بجای متان جایگزین كرد برای ایجاد لایه Ti(C,N) بجای CH4 میتوان از استولینتریل استفاده كرد. فرایند موسوم به رسوب شیمیایی بخار در درجه حرارت متوسط (MT- CVD) در

درجه حرارتهای بین دماهای فرایند های HT-CVD ودمای فرایندهای PVD فرایند انجام می‌شود. در حقیقت این فرایند در درجه حرارتهای بین 750 تا 900 درجه سانتیگراد (بطور متوسط 850c) انجام می‌شود. درجه حرارتهای كمتر رسوب دهی باعث كاهش تنشهای رس ماند وبهبود چقرگی در لبه ها می‌شود. ابزار پوشش داده شده به روشMT-CVD در مقایسه با

فرایند CVD در درجه حرارتهای بالا مقابل شوكهای حرارتی واز بین رفتن لبه ها مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد. این اثرات مفید باعث بهبود كارایی coated inserts در عملیات برشكاری منقطع میشود . در این تقسیم بندی TicN پوشش برتر (ترجمه leading) است.بعلاوه برای دستیابی به فناوری CVD با دقت های بیشتر (fine –trining) از تركیبی از MT-CVD, CVD می‌توان استفاده كرد.بعنوان مثال با تركیب یاز MT-CVD برای ایجاد لایه TiCN با حداقل مقدار فاز و ایجاد لایه با استفاده از CVD كه بتوان ابزار پوش داده شده ای را برای ظرفیتهای باربرداری زیاد ایجاد كرد خصوصا برای بار برداری شدید خشن كاری مناسب است.

In در مورد د وم با كاهش فشار تا حد 1تا5 كیلوپاسكال منجر به فرآیند فشار پایین (Lp- CVD) CVD خواهد شد.
Fig شكل 54 مقاومتهای اساسی در ساختار میكروسكوپی از زیر لایه در اثر تكنیكهای رسوب دهی مختلف را نشان می دهد. در یك فرایند خاص CVD مرسوم به تكنولوژی چند لایه ای (Ml- CVD) CVD كه اخرا توسط [s)widia Valemta ابداع شده طی آن بش از 200لایه بسیار بسیار نازك روی یك (insert) ایجاد می‌گردد.

The بیشترین مزیت پوشش ML-CVD آن است كه بطور موثر در مقابل انتشار تركهای میكروسكوپی در ساختار پوشش مقاومت می‌كند. پوششهای ML- CVD دارای سطوحی بسیار نرم بودكه كه اصطكاك وحرارت ایجاد شده در اثر جداشدن براده در سطح تیغچه را حداقل می‌كند. تمایل وجود دارد كه تیغچه های پوشش داده شده با ML- CVD از جنس را جایگزین پوششهای متداول كرد. هم چنین فرایندهای پوشش دهی لایه های معروف به MTML-CVD (فرایندهای متوسط ML- CVD) هم چنین توسعه یافته اند. [5]

524 روش كمكی پلاسما (ACVD) CVD
Fither برای كاهش بیشتر درجه حرارت میتوان از فعال كردن الكترونی محیط گازی با استفاده از تخلیه (glow) استفاده كرد كه این عمل با جریانهای با فركانس بالا یا با اعمال تكنولوژی لیزر (LCVD) یا اشعه الكترونی (EA CVD) از یك محیط گازی مناسب انجام می‌شود. در فرایند كمكی پلاسما (PACVD) CVD كه در آن یك تخلیه الكتریكی در گاز فشار پایین صورت می گرید تا سینك واكنشهای CVD تشدید شود. این فرایند یكی از پرمصرف ترین روشهای رسوب دهی( تركیب شده) محسوب می‌شود. این فرایند تركیبی از درجه حرارتهای متوسط رسوب دهی(حدود 600c) وایجاد پوششی با ضخامت مناسب ویكنواخت بدون هیچگونه نیاز به دوران ابزرا در حین فرایند پوشش دهی را ایجاد می‌كند. در فرایند متداول CVD انرژی حرارتی واكنش شیمیایی را فعال می‌كند واین باعث تشكیل پوشش سخت خواهد شد.درروش كمكی پلاسمای CVD فعال شدن در درجه حرارتهای پایین تر با انرژی ذرات ایجاد شده در اثر پلاسما بعنوان مثال تخلیه گاز آرگون جبران می‌شود.

در این روش از منبع انرژی با جریان مستقیم وجریان با امواج رادیویی برای رسوب دهی پوششهای هادی حرارت مثل Tic,TiN) وپوششهای عایق حرارت میتوان استفاده كرد.
Figur 5.5 شكل 55 بطور شماتیك فرایند PACVD را كه در آن از كوره تخلیه glow با استفاده از لوله كوارتز كه بوسیله ژنراتور ولتاژ بالا (كه میتوان به دلخواه از جریان منقطع با فركانس رادیویی یا میكرویو استفاده كرد كه بوسیله یك میكروپروسسور كنترل می‌شود را نشان می دهد.سیستم خلاء كوره تخلیه glow به یك پمپ خلا مجهز است كه بتوان فشار داده محفظه

كاری بین با جریان های مورد نیاز گازهای واكنش كننده بین 1-13mpa تنظیم كرد وبتوان پس از پایان فرایندهای با هوا محفظه را با هوا پر كرد. تكنیك PACVD كه در بالا تشریح شد را می‌توان در محدوده دمایی بین 670 تا 870 درجه كلوین برای مخلوطی از گازهای شامل برای ایجاد یك لایه یا لایه هایی با تركیبات مختلف هر یك شامل Ti(C,N) ,Tic,TiN ایجاد كرد. می‌توان بعنوان زیر لایه از فولادهای ابزار، فولادهای HSS وكاربیدهای سمانته استفاده كرد. باید توجه كرد كه برای استفاده از فولادهای HSS بعنوان زیر لایه باید عملیات حرارتی مناسب را قبل از عملیات پوشش دهی انجام داد.

A broader هنگام استفاده از اتمسفرهای گازی حاوی تركیبات آلی فلزی با روش PACVD بجز به تخلیه Slow بدون عملیات قبلی میتوان به كاربردهای وسیعتری دست یافت. بعنوان مثال با این فرایند می‌توان لایه های چند جزیی از ولایه های مركبی مثل تیتانیوم اكسی نیترید Ti(NCO) كه بروی آن لایه های از نیترید تیتانیوم قراردارد را ایجاد كرد مثل Ti(NCO)+TiN [2]

525 رسوب دهی فیلمهایی از الماس
The روش كمكی پلاسمای CVDبعنوان یكی از روشهای متداول برای رسوب دهی فیلمی از الماس نازك روی قطعات مطرح است. از این روشها تجزیه گازهای جاری كربن در حضور هیدروژن واغلب اكسیژن صورت می گیرد.

بعنوان مثال مخلوطی از گازهای متان، هیدروژن و دی اكسید كرین ممكن است استفاده شود.
The most آخرین توسعه در ایجاد پوشش های سخت ایجاد فیلمهای الماس در فشارهای كم با استفاده از تجزیه گازهای كربن دار در حضور یونهای هیدروژن است این فرایند جایگزین فرایند تولید الماس مصنوعی لایه wc-co لحیم كاری سخت میشود [4,8] مع ذلك این ابزارهای در گران بودن فرایند HP-HT و عملیات صیقل كاری با الماس و پولیش كردن نسبتا گران هستند. در مقابل با پوشش دهی ابزار ممانعه با الماس به روش كم فشار CVD دیگر هیچ ضرورتر به پرداخت سطح پوشش داده شده وجود ندارد.

Microware فرایند CVD با استفاده از میكرویو، فیلمان گرم، احتراق مصنوعی، وقوس پلاسما تعدادی از روشهای هستندكه بصورت مستقل یا تركیبی برای ایجاد پوششهای الماس بر روی ابزارهای برش بكار گرفته می‌شوند. [8] در مورد سیستمهای متداول میكرویو،فیلم الماس به روش CVD بر روی زیر لایه ای در دمایی حدود 900c كه نزدیك دمای گاز تركیب شده است اعمال می‌گردد. دراین روش مخلوطی گازی از حاوی 1تا5 درصد اتمی مثال در هیدروژن بصورت شیمیایی تحریك شده تا رادیكالهای هیدروژن وهیدروكربن ایجاد شود. همانطوریكه

اشاره شد در بیشتر سیستمها تحریك با استفاده از تشعشع میكرویو ایجاد می‌گردد. معمولا از فشارهایی مارن (20تا 100 torr) برحسب طراحی توان راكتور( و نرخ رسوب دهی برای ابزار بین 1/0 تا 10 استفاده می‌شود. [9] با این روش تولید الماس مصنوعی برای كاربردهای ابزار برش می‌توان تركیبی از بلورهای كوچك الماس( معمولا به قطرهای بین 1تا10 میكرومتر) دست یافت. كه هر یك از بلورهای تولید شده در این روش مثل یك الماس طبیعی والماس تولید شده به روش مصنوعی در فشار بالا می‌باشد.

The مهمترین عامل در موفقیت آمیز بودن ایجاد پوشش الماس بر روی ابزار برش در فرایندهای متداول میزان چسندگی فیلم زیر لایه است. این مسئله در اثر تفاوتهای قابل توجه در خصوصیات این لایه با زیر لایه مثل ضریب انبساط حرارتی.‌مدرن الاستیك ، خواص شیمیایی و ساختار اتمی متفاوت بین الماس و كاربیدهای ممانته می‌باشد.

As همانطوریكه komandri , Malika گزارش كرده اند [8] می‌توان الماس را با چسبندگی قوی بوسیله میكرویو با استفاده از CVD روی زیر لایه ابزار كاربید ممانته تنگستن حاوی كبالت كم (%3) وكبالت زیاد (6نت 12%) ایجاد كرد. هم چنین با عملیات قبلی Morakami بعلاوه عملیات اولتراسونیك با استفاده از سوسپانسیون الماس برای داشتن كبالت سطحی از روی كاربیدهای تنگستن ممانته تیغچه ها دریافت كه برای بهبود كیفی وچسبندگی پوششهای الماس بر روی زیر لایه wc-co بسیار تعیین كننده است. به ویژه دیده شده تنشهای پس ماند

اثر مهمی بر كآرایی ابزار های برش دارد. كاربیدهای دریل (6%-94%wc) كه با فیلمی از الماس كه راكتوری به روش فیلمان داغ CVD پوشش داده شده است وجود تنشهای فشاری در فیلم و در مرز بین فیلم و زیر لایه به روش اسیكترویسكی Raman تشخیص داده شد. همانطوریكه Uh/mann همكاران گزارش كرده اند [12] هر دو كلاس زیر لا یه k10-iso و زیر لایه های سرامیكی با لایه های از الماس به ضخامت فرایند HF CVD پوشش داده شده اند. طبق شكل 45 باید توجه كرد كه فیلم الماس CVD بطور متوسط حدود 30% بیش از تیغچه های

لحیم كاری سخت شده PCD از خود نشان می دهند. مع ذالك ابزارهای پوشش داده شده با الماس مخصوصا آنهایی ك با فیلم های ضخیم تر و پوشش داده می‌شوند. را نباید در عملیات برشكاری منقطع استفاده كرد زیرا اینها نسبت به ابزار PCD مقاومت كمتری در مقابل شكست از خود نشان می دهند. شكل 56(a) تصویری SEM از یك لبه برش تیز از یك ابزار پوشش داده شد با الماس به روش CVD هنگامیكه پوشش نازكی معادل روی آن ایجاد شده را نشان می دهد. شكل را نشان می دهد.
56(c ) هنگامیكه ضخامت پوشش الماس معادل است.در این شكل دیده می‌شود كه چگونه شكل هندسی آن بطور قوی تری تغییر یافته است.

53 تكنیكهای رسوب فیزیكی بخار
531 جنبه های عمومی وكاربردها
در دهه 1980 روش رسوب فیزیكی بخار (PVD) بعنوان یك فرایند اقتصادی برای ایجاد پوششهای TiN روی ابزار كاربید ممانته مطرح شد. در مقایسه با CVD ،فرایند PVD در درجه حرارتهای نسبتا پایین رسوب دهی معمولا بین 200 تا C 500 بكار گرفته می‌شود. رسوب دهی در دماهای پایین از تشكیل فاز جلوگیری می‌كند و پوششهای عاری از ترك با دانه هایی ریزتر را ایجاد می‌كند. نتیجتا نیازی به (تیز كردن hone) لبه های ابزار قبل از فرایند پوشش دهی وجود ندارد. پوششهای PVD مزایای بسیاری از قبیل عملیات ماشین كاری و یا مواد مورد ماشینكاری نسبت به فرایند CVD داراست.

با این روش پوششهایی به ضخامتهای كمتر از میتوان ایجاد كرد معمولا بین 2تا5 پوششها نرم بوده لذا در حین عملیات ماشینكاری حرارت كمتری در اثر اصطكاك ایجاد میشود. همانطوریكه در شكل 57 دیده می‌شود پوششهای PVD را می‌توان بصورت یكنواخت روی لبه های تیز ابزار برش ایجاد كرد. لبه های برش تیز وقوی جز به ملزومات اولیه در فرایندهای ماشینكاری ، سوراخكاری.‌ایجاد دنده پیچ، وقطع كردن بوده واز ایجاد BUE جلوگیری كرده وهنگام برش فولادهای كم كربن از تولید براده های طویل جلوگیری كند. هم چنین ابزار پوشش داده شده با روش PVD رامی توان برای ماشینكاری محدوده وسیعی از مواد با قابلیت ماشینكاری به مثل تیتانیوم آلیاژهای پایه ومورد غیرآهنی را ماشینكاری كرد. مخصوصا لبه های نیز نیروهای برش را تقلیل می دهند بنابراین از اینگونه ابزار می‌توان بصورت موثر در ماشینكاری قطعات با دیواره های نازك استفاده كرد. امروزه تكنیكهای PVDبرای رسوب دهی لایه های بكار گرفته می‌شود. با توجه به خاصیت عایق حرارتی عالی TiAlN ازین پوشش برای محافظت زیر لایه در مقابل سایش نفوذی استفاده می‌شود.

It دیده شده كه پوشش دی برات تیتانیوم (TiB2) كه از TiALN, PVD-TiN سخت تر است میتواند در مقابل تركیب شدن شیمیایی با مواد غیرآهنی مقاومت كند یعنی آلیاژهای هیپویوتكنیك آلومینیوم ونیزیم تشكیل نشود. [13] در ژاپن نسل كاملا جدیدی از ممانته های برای كاربردهای خاص ابداع شده اند كه باید تنها از PVD-TiAlN یا چند لایه های TiCN وفیلمهای فوق شبكه های TiN-AlN گسترش یافته اند. [14]

آخرین گسترش از تكنولوژی PVD ایجاد پوشش های نرم Mosاست همچنین پتانسیل زیادی برای ایجاد تركیبات سخت و نرم با این روش وجود دارد كه در آن اولین لایه سخت به روش PVD از TiN یا TiAlN مقاومت در مقابل سایش و حرارت را ایجادمی كند ولایه روش از جنس Mos2 نرم بوده كه اصطكاك را كاهش داده وامكان كنترل براده را ایجاد می‌كند.مشابها مواد مركب TiAlN با لایه روشن wc/c برای كاهش اثرات برش اولیه وبهبود جریان براده ها طراحی شده اند. باید توجه داشت كه بسیاری از پرسشهای اقتصادی PVD ساختاری چند لایه ای داشته وپوششهای آنها خواص تركیبی از هریك از پوششها را داراست. هم چنین بعضی خصوصیات اضافی ممكن است در مورد پوششهای فوق شبكه ای مثل TiN/AlN ,TiN/NlN نیز ایجاد شوند.

In the در مورد فرایندهای كه موسوم به PVD هستند مواد پوشش از حالت اتمی مولكولی یا یونی به سطح تحت پوشش هدایت شده و این مواد بصورت فیزیكی نه شیمیایی از منابع جامد مایع یا گازی شكل تامین می‌شوند. [3] بطور كلی پوشش در شرایط خلاء از فلویی از اتمهای خنثی یا یونیزه شدن روی سطح كاندنس شده در حالیكه اجزا فلزی از صنایع مختلفی شامل تبخیر اشعه الكترونی به mggnetron spottring و تبخیر قوس الكتریكی تامین می گردند.قبل از عملیات رسوب دهی محفظه پوشش تحت خلاء شدیدی در حدود تا 3/1 پاسكال (معادل torr) قرار می گیرد. می‌توان تمام روشهای متفاوت PVDبرای پوشش بخار فلزات بر روی زیر لایه را به سه گروه اصلی تقسیم كرد. تبخیر Spoting و پوشش دهی یونی .[2,16] طبق نظر [32]sproul در حال حاضر ها روش برای ایجاد پوششهای سخت بكار می روند كه عبارتند از به تبخیر با ولتاژ كم اشعه الكترونی رسوب دهی قوسی كاتدی magnetron spotting بالانس و جدیدترین آنها magnetron spotteing غیربالانس است. اخیرا منابع اشعه الكترونی كاتدی یا سوراخ داغ نیز در حال گسترش است تفاوتهای این چهار نوع از تكنیكهای رسوب دهی به نحوه تبخیر مواد منبع به نحوه ایجاد پلاسما و به تعداد ونوع یونها الكترونها وگازهای اتمی تشكیل دهنده پلاسما مربوط می‌شود.
532 تكنیكهای تبخیر

ساده ترین فرایند PVD تبخیر است(شكل 53a) كه طی آن پوشش در اثر تبخیر گرمایی فلز غیریونی یا در حد بسیار كمی یونیزه شده از یك منبع مذاب كه اغلب به وسیله اشعه الكترونی یا قوس الكتریك گرم شده تامین می‌گردد. شكل 58 شماتیك یك سیستم رسوب دهی را كه در آن برای تبخیر از قوس الكتریك برای ایجاد پوشش فیلم استفاده شده را نشان می دهد.[17]

لینک کمکی