CS233355B1 - Způsob zvýšeni trvanlivosti součástí strojů, zejména součástí z hliníkových slitin pro textilní stroje - Google Patents

Abstract

Vynález se týká strojírenství, zejména technologie výroby textilních strojů a řeSi problém vytváření ochran- . nýoh otěruvzdorných a mechanicky odolných vrstev na povrchu součásti, které jsou silné namáhané abrasivním otěrem zpracovávaných materiálů. Podstatou vynálezu je způsob zvýšení trvanlivosti součástí strojů ochrannou vrstvou na jejich povrchu, vytvořenou z otěruvzdorných a mechanicky odolných látek. Na součásti, které jsou umístěny v reaktoru a jejichž poloha a teplota jsou řiditelné, ss působí vzhledem k jejich povrchu směrovaným proudy aktivované i neutrál- * ní složky plynné pracovní směsi, vytvo- " řsné působením izotropního nebo magneto- * aktivního plazmatiokého výboje na plynnou pracovní směs za sníženého tlaku a při teplotách nižších, nežli jo teplota táni materiálu součásti.

Description

Vynález se týká způsobu zvýšeni trvanlivosti součástí strojů, zejména součástí z hliníkových slitin pro textilní stroje, ochrannou vrstvou na jejich povrchu, vytvořenou z otěruvzdorných a mechanicky odolných látek·

V současné době existuji na textilních strojích součásti silně namáhané abrasivnxm otěrem zpracovávaných materiálů·· Tyto součásti jsou obvykle vyráběny z hliníkových slitin, například z duralu· Důvodů pro výběr takových materiálů je více: především snadné obrobitelnost,. dosaženi hladkého povrchu funkčních ploch a nízká hmotnost· Tyto součásti plně vyhovují při zpracovávání přírodních vláken, která nejsou znečištěna například piskem nebo jinými prachovými částicemi. Trvanlivost součástek se však podstatně snižuje při zpracováváni umělých vláken, která obsahuji legury s vysokým abrasivním účinkem. Trvanlivost součástí při spřádání umělých vláken je lOx až 100 x kratší nežli při spřádání přírodních vláken. Toto je velká nevýhoda, která zásadně ovlivňuje činnost strojů, jakost výrobků a jejich konkurenční schopnost.

Zvýšeni trvanlivosti součástek lze řešit několika způsoby. Především lze součástky silně namáhané abrasivním otěrem zhotovit z látky odpovídajících mechanických vlastností. Tento způsob je však neekonomický, a proto se zvyšování trvanlivosti součásti strojů provádí bu3 úpravou povrchu součástí nebo nanesením vhodné ochranné vrstvy.

Úprava povrchu součástí se provádí bu3 s použitím iontové nitridace nebo oxydací povrchu a podobně.

Naneseni vhodné ochranné vrstvy na povrch součástí lze provést bu3 galvanickou metodou, zejména tak zvanou anodizací, nebo některou z chemických metod nanášení vrstev. Hlavni nevýhodou při dosud známých technologiíy/j^sou poměrně vysoké teploty, nákladný provoz a malá univerzálnost stávajících metod, to znamená, že tyto metody jsou s ohledem na výši teploty a elektrické

233 3SS vodivosti použitelné pouto u užšího výběru Materiálu, ktoré vyhovuji požadavků* na né kladanýn ténito aatodani.

Nevýhody a nedostatky dosud zníných a používaných způsobů zvýšeni trvanlivosti součásti strojů jsou vo značné siře naho zcela odstraněny vynáleze· způsobu zvýšeni trvanlivosti součásti strojů, zajnéna součásti z hliníkových slitin pro textilní stroja, ochrannou vrstvou na jejich povrchu, vytvořenou z otěruvzdorných a Mechanicky odolných látok·

Podle vynélezu sa na součásti unisténá v raaktoru, jejichž poloha a teplota jsou řiditelná, působí vzhledán k jejich povrchu snérovanýni proudy aktivovaná 1 neutrální složky plynná pracovní snési, vytvořená působeni* izotropního nebo nagnetoaktivniho plaznatickáho výboje na plynnou pracovní snés za sníženého tlaku, při teplotách nižších nežli ja teplota táni součásti.

Způsob zvýšeni trvanlivosti součásti strojů podle vynálezu vykazuje celou řadu výhod. Jednou z nejdůležltéjšich výhod ja skutečnost, že na součásti se deponuji vrstvy předepsaného složeni plaznatickýn procese* při nízkých, přesné definovaných teplotách součásti. Tyto teploty nohou dosáhnout ze určitých předpokladů úroveň pokojová teploty. Vrstvy se vytvářejí při první variantě způsobu podle vynálezu při plaznatickán rozprašováni pevného terče a při druhá variantě způsobu podle vynálezu při plaznochenlcká reakci v plynná fázi. Pro nízkoteplotní depozici tenkých vrstev se nejlépe hodí při první variantě způsobu eagnetronové rozprašováni pevného terče, jehož hlavni výhodou je skutečnost, Že součást, ne niž se ná vytvořit povlak předepsaného složeni, se unis233 355 luje mimo výboj. Součást se ohřívá pouze dopadem částic, které na povrchu součásti kondenzuji a vytvářejí požadovanou vrstvu. Tento ohřev může být velmi malý a teplota součásti může být blízká pokojové teplotě. Ohřev součásti lze snadno regulovat velikosti výbojového proudu, to znamená rychlosti depozice a nastavením vhodné vzdálenosti mezi rozprašovaným terčem a póvle ková nou součásti. Kromě toho je možno sodčásti umístit na bhřivaný nebo chlazený stolek a takto udržovat teplotu součásti při depozici na konstantní teplotě. V případě kovové součásti lze mezi ni a terčem vytvořit elektrické pole a takto lze ovlivňovat energii některých částic, většinou věak iontů, dopadajících na součást. Zdroj elektrického napětí je připojen jedním polem ke stolku s kovovou součásti, druhým pčlem k terči. Nezávislá regulace jednak napěti na povlakových součátech, jednak jejich teploty dává*možnost výrazně ovlivňovat vlastnosti vytvářených vrstev a velikost jejich přilnavosti k povrchu součásti.

Tím, že lze součást umístit mimo oblast plazmatického výboje, se vylučuje zároveň negativní vliv plazmatu na součást, která není vystavena bombardování a poškozeni povrchu ionty, takže nevzniká přídavný ohřev a součást lze udržet na libovolné stálé teplotě.

Pokud se týká terče, může být při magnetronovém rozprašování zhotoven z materiálu stejného složení jako je požadované složeni otěruvzdorné vrstvy a rozprašování terče se provádí ionty plazmatu vytvořeného v inertní, obvykle argonové atmosféře. Důležitou výhodou je konečně skutečnost, že změna plynných komponentů pracovní směsi během depozice způsobuje změnu vlastnosti a složeni vrstev na povrchu součásti. V důsledku toho je možno vytvořit vícenásobné vrstvy nebo vrstvy s plynule měnitelnými vlastnostmi.

Pří reaktivním rozprašování terče, to znamená při plazraochemické reakci ve smšsi plynů, tedy při druhé variantě způsobu, probíhá rozprašováni terče v plazmatu vytvořeném ve směsi inertního a reaktivného plynu; terč není stejného složení jako deponovaná vrstva, ale většinou je zhotoven z čistého kovu a

- 4 233 355 reaktivním plynem může být například dusík, kyslík, acetylén, methan, což umožňuje s výhodou vytvářet nitridy, oxydy, karbidy, případně jiné sloučeniny prvků podle druhu reaktivního plynu. Takto lze vytvořit také uhlíkové vrsívy s vlastnostmi diamantu, jež jsou ve světové odborné literatuře označovány Diamond like carbon. Tyto vrstvy se mohou vytvářet taktéž při nízkých teplotách a to rozprašováním grafitového terče nebo rozkladem uhlovodíků CH^, CgHg, Ο-^Ηθ, C^Hv plazmatu těchto plynů .

Velkou výhodou druhé varianty způsobu dle vynálezu je opět skutečnost, že lze syntetizovat výsledný produkt při nízké teplotě, někdy dokonce blízké teplotě pokojové. Kromě toho lze aktivovanou i neutrální plynnou složku vzhledem k součásti směrovat, čímž lze dosáhnout lokální tvorbu vrstvy na jejím povrchu. Pří dokonalém rozptýlení plynů, což při této variantě nastává, lze nanášet a povlakovat rovnoměrně velké plochy součásti. Tvorbu vrstvy lze výhodně provádět mimo oblast plazmatu využitím dlouhé životnosti aktivovaných částic některých plynů, například dusíku nebo kyslíku.

Další výhodou je opět možnost plynulé nebo skokové změny plynných složek pracovní směsi během depozice a tím změny vlastností i složení vrstev, v důsledku čehož je možno vytvářet vícenásobné vrstvy nebo vrstvy s plynule měnitelnými vlastnostmi.

Principiálně lze vytvářet povlaky plazmochemickou reakcí v plynné fázi i v případě, kdy oba nebo více reagujících plynů je uvedeno do plazmatického stavu. V tom případě se součásti určené k povlakování umístují přímo do oblasti výboje.

Podstata předmětu vynálezu je dále objasněna pomocí výkresů na nichž je znázorněno: na obr. 1 - schematické znázornění principu zařízení pro provádění první varianty způsobu podle vynálezu, na obr. 2 - schematické znázornění principu zařízení pro provádění druhé varianty způsobu podle vynálezu.

Na obr. 1 je zařízení vytvořeno z reaktoru 3, v němž se provádí depozice vrstvy _1 na součást 12 upevněnou ke stolku 13, který je posuvný, otočný a vyhřívaný. Tento stolek 13 je upev5

233335 něn k trubce, jež je provlečena vakuově těsným průchodem 14 v horní stěně reaktoru 3. K trubce je připojen zdroj 20 elektrického napětí. Reaktor 3 je dále opatřen a připojen k čerpacímu zařízeni 4. Po vyčerpáni vzduchu je reaktor 3 naplněn pracovním plynem tvořeným směsi inertního plynu 5, přiváděného přívodem 6, a reaktivního plynu 7, přiváděného přívodem 8.

Ve dnu reaktoru 3, je magnetronový rozprašovací systém 10 s pevným terčem 2, připojený ke zdroji 9 elektrického napětí. Částice 11 materiálu z rozprašovaného terče 2 kondenzují na povrchu součásti 12.

Na obr. 2 je zařizení vytvořeno z reaktoru 3,, v němž se provádí depozice vrstvy 1 na součást 12 upevněnou k pevnému stolku 13. Reaktor 3, je opatřen čerpacím zařízením 4, připojeným potrubím ke jeho dnu. V horním víku reaktoru 3, je přívod prvního neutrálního plynu 15 například sílánu SiH^· V boční stěně reaktoru 3, je přívod plazmaticky aktivovaného plynu 16, například «fusifcu Ng. Druhý neutrální plyn 18 se přivádí do generátoru 19 plazmatu 17, jimž se aktivuje. Plazmochemická reakce vzniká v reakční zéně 21« činnost zařizení při prováděni způsobu dle vynálezu při první alternativě: princip činnosti spočívá v rozprašováni pevného terče 2 v plazmatu a v kondenzaci směsi neutrálních atomů a iontů materiálu terče 2 na povrchu povlakované součásti 12.

Pevný terč 2 může být zhotoven z materiálu stejného složeni jako je požadované složeni otěruvzdorné vrstvy. V tomto případě se rozprašování terče 2 provádí ionty plazmatu vytvořeného v inertní, obvykle argonové atmosféře. Depozice vrstev se však může provádět také při reaktivním rozprašováni terče 2, to znamená, že probíhá v plazmatu vytvořeném ve směsi inertního a reaktivního plynu. V tomto případě nemá pevný terč 2 totéž složeni jako deponovaná vrstva Jl na povrchu součásti li a většinou je terč 2 vyroben z čistého kovu. Reaktivní plyn může být například dusík, kyslík, acetylén, methan. Takto lze vytvářet nitridy, oxydy, karbidy, případně jiné sloučeniny prvků podle druhu reaktivního plynu. 3a-li například terč 2 zhotoven z čistého titanu, pak při jeho rozprašováni ve směsi argonu a uhlovodíku C₂H₂ lze vytvářet vrstvy karbidu titanu TiC. Oe-li například terč 2 zhoto233 355 ven z čistého hliníku, pak při jeho rozprašováni ve směsi argonu a kyslíku lze vytvářet vrstvy kysličníku hliníku AlgOj.

Reaktor 3 se po vyčerpáni čerpacim zařízením $ naplní pracovním plynem, tvořeným směsi inertního plynu £, přiváděného přívodem £, 9 reaktivního plynu 2, přiváděniho přívodem §.

Ve směsi tohoto pracovního plynu se po připojeni napětí z jeho zdroje 2 magnetronovému rozprašovacímu systému JO vytvoří výboj a terč jž se rozprašuje. Částice jj materiálu z rozprašovaného terče £ kondenzují na povrchu součásti a tvoři se vrstva χ. Součást JJ2 je upevněna na stolku JJ, který je posuvný i otočný a je vyhříván.

Popsaný způsob byl vyzkoušen při povlakováni součásti vrstvou nitridu titanu TiN. Pracovním plynem byla směs argonu a dusiku. Vytvářené vrstvy měly tlouštku od desítek nanometrů až do několika mikrometrů a byly deponovány při teplotách okolo 100 °C rychlostí od 0,05 mikrometru za 1 minutu do 0,15 mikrometru za 1 minutu.

Přiklad 1

Do vyčerpaného prostoru reaktoru, v němž je umístěn na vyhřívané podložce duralový spřádací rotor, se napustí pro vytvořeni pracovní plynné směsi argon jakožto inertní plyn a dusík jakožto reaktivní plyn, přičemž tlak pracovní plynné směsi je 0,4 Pa. Terč je zhotoven z titanu, teplota podložky, k niž je upevněn duralový spřádací rotor, se udržuje na hodnotě 200 °C. Podle nasměrováni pracovní plynné směsi se magnetronovým rozprašovacím systémem rozprašuje titanový terč a vytváří se otěruvzdorné tvrdá vrstva nitridu titanu TiN uvnitř nebo _vr1ě na povrchu duralového spřádacího rotoru rychlosti nejméně 0,1 mikrometru za 1 minutu.

Činnost zařízeni při prováděni způsobu dle vynálezu při druhé alternativě: princip činnosti spočívá v plazmochemické reakci ve směsi plynů, z nichž alespoň jeden je aktivován průchodem plazmatem, a v depozici vzniklého produktu na povrch součásti 12. Aktivace směsi nebo alespoň některéhokomponentu směsi

- 7 233 3SS je mimořádně důležitá, protože umožňuje syntetizovat výsledný produkt při nízké teplotě, nikdy dokonce blízki teploti pokojové. Jedná se tedy stejné jako při první alternativě způsobu dle vynálezu o nízkoteplotní způsob vytvářeni povlaků.

Jeko příklady jsou uvedeny následující plezaochemické reakce: C zaprvé vytvořeni nitridu titanu TIK:

^T1tl4 ZgZ ⁺ *2 ZplZ ^{+ 2 H}2 ZgZ

TÍH _/$/ ♦ 4 HCl _/g, zadruhé vytvořeni karbidu titanu T1C:

^T1el4 ZgZ * ^CM4 ZplZ

TK _/s/ * 4 HCl _/e/ zatřetí vytvořeni nitridu křealku SI^N^:

^S1H4 ZgZ * ⁴ i ZplZ ⁵¹3*4 Z.Z + 12 ^H2 ZgZ začtvrté vytvořeni *^l2^Cl6 ZgZ * ³ «2 oxydu hliníku AlgO^: ZplZ * ^{3 H}2 ZgZ -* *^l2°3 ZsZ * ^{6 HCl} ZgZ * ^{+ 3} ZgZ.

Index ZgZ označuje plynnou fázi, Index ZplZ označuje Index ZsZ pevnou fázi. Hvězdička x označuje aktivaci ho plynu při jeho průchodu plazaetea.

plazaa e přisluěné$ea patři také přípravo uhlíkových vrstev s vlastnostmi dlaaantu, jež jsou označovány ve světové odborné literatuře áiaaond 11 ke carbon. Tyto vrstvy lze rovněž vytvářet při nízkých teplotách a to bud rozpraěovánla grafitového terče nebo rozkladen uhlovodíků CH*, ^C2^H6* ®3^H8* ^v Ptazaatu těchto plynů.

Reaktor 3 ·· P® vyčerpáni čerpecla zařizenla 6 naplní směsi neutrálního plynu 15# například sílenu S1H*, a plazmaticky aktivovaného plynu 1£, například ^t0 znamená plazmaticky aktivovaného dusíku. Při smícháni plynů 43 * 16 ^v reakčni zóně

233335 dojde k plazaocheaické reakci · joji· produkte· je Látko kondenzující ne součástech J2 a vytvářející vrstvu 1· Při syntéze sílenu S1H* e plaznetlcky aktivovaného dusíku se ne součástech 12 vytváří vrstva nitridu křenlku Si^N^. Aktivace neutrálního plynu 1£ se provádí průchode· plezneten které je vytvořeno generátore· 1£<

Tento způsob povlekovánl byl vyzkouien při vytvářeni vrstvy nitridu křánlku Sl^N*. Tlouitke vytvářených vrstev se pohybovala od desítek nenonetru do 1 nlkronetru. Vrstvy ee deponovaly při teplotách 200 si 300 °C rychlosti nikoli ke nanometrů za 1 «lnuto.

Přiklad 2

Do vyčerpaného prostoru reaktoru, v nlnž je unlstln ne vyhřívané podložce duralový spřádací rotor, se nepustí snls neutrální ho' plynu, vytvořená jednak ze sílenu S1H* v anožství 4 X a z argonu v anožství 96 X, jednak z plaznetlcky aktivovaného dusíku N., pomoci mikrovlnného surfetronu, příčeni tlak této pracovní plynné snlsi je 100 Pa e teplota vyhřívané podložky duralového spřádacího rotoru se udržuje na hodnot!

200 °C. Při sni cháni plynů v reakční zón! dojde k plazmochemické reakci a jejln produkte· je látka kondenzující na vnljšln nebo i vnitřní· povrchu duralového spřádacího rotoru, která tvoři otlruvzdornou ochrannou vrstvu nitridu křenlku SijN^·

Tato vrstva se tvoři rychlosti nejnén! 0,01 mikrometru ze 1 minutu.

Jestliže se blhen depozice vrstvy nlni složeni pracovní atmosféry v reaktoru, lze snadno vytvořit vrstvy s plynule nebo skokea proměnnými vlastnostmi. Nahradl-li se při rozprašováni terče z titanu ve emisi argonu e dusíku například dusík metanem CH^, lze na vrstvu nitridu titanu TIN deponovat vratvu karbidu titanu TiC bez zainy terče a bez vyndáni povlekovená sou- .

- 9 části z reaktoru. 233 355 a

Pokud se žádá depozice zcela jiné vrstvy, napři klad vrstvy oxydu kliniku Al^O^, na vrstvu nitridu titanu TiN, umísti se do reaktoru dve terče zhotovené z titanu a z kliniku a součást se umísti například na otočný stolek, který umožňuje tuto součást střídavé umistovat nad terč z titanu nebo nad terč z kliniku.

Ovojvrstvy z nitridu titanu TiN a oxydu kliniku Al^O^ ^se snadno vytvoří, když se součást přemísti z polohy ned terče* z titanu do polohy nad terče· z kliniku a když se dusík ve směsi argonu a dusíku nekradl kyslíkem. Takovou dvojvrstvu lze tedy volal jednoduše zhotovit bez vyjmuti povlakované součásti z reek toru. Kombinace vrstev na povlekovanýck součástech umožňuje vytvářet povlaky splňující’nej různější vlastnosti mechanická, tepelná, chemická, fyzikální a odolnost proti otěru.

Povlakované součásti mohou být kovová 1 nekovová vlivem toho, že vytvářeni tenkých otáruvzdorných a mechanicky odolných povlaků se provádí při nízká teplotě, dokonce i při pokojová teplotě ze určitých předpokladů. Depozice povlaků při tak nizkých teplotách je možná především proto, že povlakované součásti jsou umístěny do prosčoru mimo plazma a nejsou s nim tedy v přímém kontaktu. Principiálně lze však vytvářet povlaky plazaochemickou reakci v plynná fázi taká v případě, kdy dva nebo více reagujících plynů jsou uvedeny do plazmatickáho stavu. V takovém připadá se povlakované součásti umistuji >či»o do oblasti plazma tického výboje.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT V Υ uA t f á υ

   233 355

   Způsob zvýšeni trvanlivosti součásti strojů, zejména součásti z hliníkových slitin pro textilní stroje, ochrannou vrstvou na jejich povrchu, vytvořenou z otěruvzdorných a mechanicky odolných látek, vyznačený tím, že na součásti umístěné v reaktoru, jejichž poloha a teplota jsou řiditelné, se působí vzhledem k jejich povrchu směrovanými proudy aktivované i neutrální složky plynné pracovní směsi, vytvořené působením izotropního nebo magnetoaktivniho plazmatického výboje aa plynnou pracovní směs za sníženého tlaku, při teplotách nižších nežli je teplota táni materiálu součástí.