Si-VD пассивация деталей и инструментов методом плазменного силицирования поверхностей

По российской терминологии процесс, связанный с нагревом и выдержкой металлических изделий при высокой температуре в химически активных средах, обеспечивающий диффузионное проникновение насыщаемого элемента и образование модифицированного поверхностного слоя с измененным химическим составом, структурой и физико-механическими свойствами, называется химико-термической обработкой (ХТО). ХТО состоит из трех основных стадий: образование диффундирующего элемента в атомарном состоянии, его адсорбция (хемосорбция) на поверхность металла и диффузия атомов насыщаемого элемента вглубь металла. В условиях повышенных температур и медленных диффузионных процессов при ХТО имеет место незначительное увеличение геометрических размеров деталей. За рубежом процессы ХТО в газовых средах относятся к химическому осаждению покрытий из газовой (паровой) фазы (chemical vapor deposition — CVD). При CVD-процессах также, как и при ХТО, происходит диффузионное проникновение отдельных элементов в подложку или диффузия элементов из подложки в покрытие. К ХТО относится силицирование — процесс высокотемпературного насыщения поверхности кремнием при использовании кремнийсодержащих твердых, жидких или газообразных материалов. Основное назначение процессов силицирования — пассивация и защита от коррозии при воздействии агрессивных сред, повышение жаростойкости, износостойкости, нанесение функциональных покрытий на тугоплавкие металлы (молибден,вольфрам, ниобий, тантал, титан), повышение коррозионной стойкости в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.

В большинстве случаев температура нагрева изделий в процессах газового силицирования составляет более 800°C, для ее уменьшения используется плазменная активация как применяемых кремнийсодержащих газов, так и подложки, например, в тлеющем разряде, высокочастотном разряде, дуговом разряде при финишном плазменном упрочнении.

За рубежом для получения покрытий из кремния применяется CVD-процесс, где в качестве газовой фазы используются соединения кремния с водородом — силаны. В российской практике применение силанов для силицирования впервые было предложено еще в 60-е годы прошлого столетия. Начиная с 1987 года, нанесение кремниевых покрытий с использованием силанов и CVD-процесса получило активное развитие в корпорации Restek Co (США), которая в конце прошлого столетия разработала 4 вида кремнийсодержащих покрытий.

Образуемое прозрачное диффузионное покрытие с повышенной адгезионной прочностью к подложке за счет проникновения кремния вглубь до 50 нм состоит из многослойного (до 10 слоев) гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), внешний слой, которого функционализирован углеводородными соединениями, имеющими ковалентную связь с предшествующим слоем. Данное покрытие обеспечивает высокую химическую инертность поверхности по сравнению с аналогами и используется для задач обнаружения с повышенной точностью агрессивных веществ, например, соединений серы, ртути, аммиака и других. При использовании CVD-процесса осаждение покрытий возможно на сложных поверхностях, в том числе с отверстиями малого диаметра.

В 2009 году разработанная корпорацией Restek технология нанесения кремнийсодержащих покрытий для рынков хроматографии была передана вновь организованной корпорации SilcoTek Co (США) с целью более широкого использования данных покрытий в различных областях промышленности. В настоящее время компания SilcoTek является монополистом по услугам нанесения шести кремнийсодержащих покрытий. Все покрытия могут наноситься на стали и сплавы, керамику, стекло, тугоплавкие металлы, сварные швы, паянные высокотемпературными припоями соединения. Покрытия в основном являются прозрачнымии и имеют толщину менее 2 мкм. При этом покрытия такой минимальной толщины, наносимые на элементы хроматографов, обеспечивают стабильные хроматографические измерения. Покрытия имеют радужные цвета за счет дифракционных свойств света и разнотолщинности. Цвет покрытия определяется коэффициентом преломления его материала и исходной шероховатостью подложки. Непрозрачные покрытия Silcosteel®-CR с толщиной более 5 мкм имеют серебристо-серый металлический цвет. Важным свойством наносимых покрытий является возможность их повторного нанесения. Ближайшими аналогами покрытий, разработанных корпорацией SilcoTek, являются покрытия на основе кремния, осаждаемые при использовании технологий химико-термической обработки, в частности методов силицирования. В России процесс нанесения покрытий на основе кремния методом газового силицирования при использовании плазмы атмосферного давления получил название «плазменное силицирование».

На практике успешно применяется многослойное покрытие Si-VD, состоящее из гидрогенизированного аморфного кремния с верхним многослойным покрытием из оксикарбонитрида кремния (a-Si:H-SiOCN). Покрытие предназначено для защиты от коррозии, предотвращения закоксованности поверхностей, уменьшения дегазации в условиях вакуума. При этом оно обладает повышенной износостойкостью, эрозионностойкостью, кавитационностойкостью, абразивостойкостью, что обеспечивает эффективность его применения для резьбовых, уплотнительных соединений и трибологических узлов. Отличия покрытия Si-VD от ближайшего аналога — покрытий корпорации SilcoTek представлены в таблице ниже.

Покрытие Si-VD используется в системах контроля качества продукции в нефтяной и газовой промышленности (для измерений качества сжиженных углеводородных газов при определении содержания сероводорода, влажности в количествах на уровне единиц или десятых долей ppm или ppb), в элементах хроматографов, для пассивации и повышения коррозионной стойкости различных систем отбора, хранения и переноса проб природного газа. Исключительную важность надежная пассивация обнаруживает при работе с редкими, чистыми и токсичными газами. Необходимость использования таких химически инертных покрытий определяется требованиями ГОСТ 31370–2008 (ISO 10715:1997) «Газ природный (руководство по отбору проб)». При этом в пробоотборниках с химически инертным покрытием Si-VD долговременно сохраняется исходный состав газа, а в элементах хроматографов не изменяются результаты поточного анализа.

Покрытие Si-VD специально разработано для защиты от химически активных материалов (серы и серосодержащих соединений, ртути, аммиака, спиртов, ацетатов, гидридов, соляной, азотной, серной кислот и других), которые способны изменять состав, адсорбироваться или взаимодействовать с поверхностным слоем. Данное покрытие может эффективно использоваться не только для работы с чистыми и агрессивными газами но и для уменьшения образования различных углеродистых отложений (нагара, лака, шлама), связанных с горением топлива, высокотемпературным и окислительным воздействием компонентов масла, а также для минимизации загрязненности газовых сред в вакуумных технологиях при изготовлении полупроводниковых устройств, в процессах ионного травления, атомно-слоевого осаждения, газофазной эпитаксии, озонирования.

Si-VD также может найти применение в авиационной, космической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, биофармацевтической, энергетической (мониторинг выбросов), полупроводниковой отраслях, создании альтернативных источников энергии, в аналитических приборах и др.

Свяжитесь с нами через наш технический отдел (D.Semashko@eurogroup.ru), чтобы узнать актуальные цены и сроки поставки данной услуги.

Дмитрий Семашко т. (029) 603-00-34