ما هو ترسيب الفيلم الصلب؟

أساس ترسيب الفيلم الصلب

يشير ترسيب الغشاء الصلب إلى عملية ترسيب طبقات رقيقة صلبة على مادة الركيزة لتحسين خصائص السطح مثل مقاومة التآكل أو الحماية من التآكل أو أداء الحاجز الحراري. يتم إنشاء الطلاءات ، التي يبلغ سمكها عادةً من 1 إلى 10 ميكرون ، عن طريق تكثيف عناصر ومركبات صناعة السبائك المتبخرة على سطح الركيزة. تسمح تقنية هندسة الأسطح للمصنعين بتعزيز الصلابة أو التشحيم أو مقاومة الأكسدة أو غيرها من خصائص المواد الأساسية دون التأثير على خصائص الكتلة.

أغراض ترسيب الفيلم الصلب

يستخدم ترسيب الغشاء الصلب لتعزيز خصائص سطح المواد بطرق مختلفة:

ارتداء المقاومة

أحد الأهداف الرئيسية لترسيب الفيلم الصلب هو تحسين مقاومة التآكل للمكونات. يمكن أن تقلل الطلاءات الصلبة مثل نيتريد التيتانيوم (TiN) ونتريد الكروم (CrN) من التآكل الكاشطة وتآكل الالتصاق والتعب السطحي على أجزاء مثل أدوات القطع ومكونات المحرك والمحامل. يمنع الطلاء الصلب الإزالة السريعة للمادة أثناء ملامستها للأسطح الأخرى.

الحماية من التآكل

يؤدي تطبيق الطلاءات مثل TiN ، ونيتريد التيتانيوم والألومنيوم (AlTiN) ، والكربون غير المتبلور الذي يشبه الماس (DLC) إلى إنشاء حاجز يحمي الركيزة الأساسية من التلف الناتج عن التآكل. هذا مفيد بشكل خاص للأجزاء المعرضة لدرجات حرارة عالية ، والبيئات المؤكسدة ، والوسائط المسببة للتآكل مثل الأحماض أو المياه المالحة.

الحاجز الحراري

يمكن لبعض المواد مثل السيراميك والسبائك المعدنية عزل المكونات عن درجات الحرارة المرتفعة. ترسيب أغشية أكسيد الزركونيوم أو أكسيد الكروم أو مبيد الموليبدينوم على شفرات التوربينات يسمح لها بالعمل في درجات حرارة أعلى عن طريق تقليل انتقال الحرارة.

التشطيبات الزخرفية

تنتج الطلاءات الصلبة مثل نيتريد التيتانيوم ونتريد الزركونيوم تشطيبات ذهبية أو زرقاء أو سوداء جذابة على الأسطح. يتيح ذلك للمجوهرات وإكسسوارات الموضة والمنتجات الاستهلاكية تأثيرات ومظاهر زخرفية فريدة من نوعها.

الخواص الكهربائية

يمكن للطلاءات الموصلة مثل الذهب والبلاتين وكربيدات المعادن تعديل الخصائص الكهربائية مثل التوصيل والمقاومة. وهذا يسمح بالتحكم الدقيق في تدفق التيار الكهربائي في مكونات مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة أشباه الموصلات.

أنواع الطلاءات القاسية

هناك فئات مختلفة من الطلاءات الصلبة التي يمكن تطبيقها من خلال عمليات ترسيب البخار:

• نيتريد المعادن الانتقالية - مركبات نيتريد السيراميك شديدة الصلابة من معادن مثل التيتانيوم والكروم والزركونيوم شائعة الاستخدام. يوفر نيتريد التيتانيوم (TiN) طلاءًا ذهبيًا يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل وصلابة تصل إلى 2000 HV. نيتريد الكروم (CrN) له مظهر رمادي ويحافظ على الخصائص الترايبولوجية في درجات الحرارة العالية.
• كربيدات معدنية انتقالية - تنتج الكربيدات المعدنية مثل كربيد التنجستن (WC) وكربيد التيتانيوم (TiC) وكربيد التنتالوم (TaC) طلاءات صلبة ومتينة للغاية. إنها توفر مقاومة فائقة للتآكل مقارنة بأفلام النيتريد. ومع ذلك ، قد تتفاعل أفلام الكربيد مع ركائز الصلب عند درجات حرارة عالية.
• سيراميك جلاس - يمكن للمواد الخزفية غير المعدنية بما في ذلك الألومينا (Al2O3) والزركونيا (ZrO2) وأكسيد الكروم (Cr2O3) أن تكون عازلة للحرارة والتآكل. كربيد السيليكون (SiC) منخفض الكثافة ، وصلابة وقوة عالية.
• الكربون مثل الماس - تحتوي الطلاءات الكربونية الشبيهة بالماس (DLC) على مزيج من ذرات الكربون المهجنة sp3 و sp2 ، والتي توفر خصائص تشبه الماس. توفر أفلام DLC غير المتبلورة صلابة استثنائية ، واحتكاكًا منخفضًا ، وخمول كيميائي.
• طلاء متعدد الطبقات - ينتج عن الجمع بين طبقات من مواد مختلفة مثل TiN و TiAlN طلاءات تدمج فوائد كل مادة. تميل الأفلام متعددة الطبقات إلى تحسين الصلابة وصلابة الكسر ومقاومة الأكسدة مقارنة بالطبقات المفردة.

مواد لترسيب الأغشية الصلبة

يمكن طلاء مجموعة كبيرة من مواد الركيزة بأفلام صلبة لتحسين خصائص سطحها وأدائها:

• الفولاذ- الصلب هو أحد الركائز الأكثر شيوعًا المغطاة بالأفلام الصلبة. يتم تطبيق الطلاءات مثل TiN و TiCN و CrN و DLC على المكونات الفولاذية مثل أدوات القطع والقوالب وأجزاء المحرك والمحامل لزيادة الصلابة ومقاومة التآكل والحماية من التآكل.
• الألومنيوم- غالبًا ما يتم طلاء سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن لتحسين مقاومة التآكل والتآكل. توفر الطلاءات الصلبة المؤكسدة والأغشية الخزفية مثل الألومينا والسيليكا الحماية لمكونات الألمنيوم للسيارات والفضاء.
• التيتانيوم- يمكن تحسين صلابة التيتانيوم والالتصاق ومقاومة التآكل من خلال الطلاءات مثل TiN ونيتريد الكروم والكربون المشابه للماس. تسمح هذه الأفلام بغرسات التيتانيوم الطبية وأجزاء الفضاء لتحمل التأثيرات والتآكل بشكل أفضل.
• كربيدات- يتم طلاء ركائز كربيد السيليكون وكربيد التنجستن وكربيد البورون بأغشية رقيقة لتحسين صلابتها ومقاومتها الحرارية / الأكسدة لتطبيقات الأدوات. غالبًا ما يتم تطبيق الأفلام متعددة الطبقات.
• البلاستيك والبوليمرات- تعمل الطلاءات الصلبة مثل DLC ونيتريد الكروم وأكسيد السيليكون المترسبة على المكونات البلاستيكية على تحسين صلابة السطح ومقاومة الخدش مع الاحتفاظ بخصائص الحجم مثل المرونة وقوة التأثير.
• الخزف- يمكن تعزيز مقاومة التآكل والتآكل للأجزاء الخزفية المصنوعة من الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون ونتريد السيليكون من خلال ترسيب الأغشية الرقيقة للنتريدات المعدنية والأكاسيد والكربيدات.

المعدات والمواد الاستهلاكية

يعتمد ترسيب الأغشية الصلبة على معدات تقنية التفريغ المتقدمة لترسيب الطلاء بسماكة بضع ميكرونات فقط مع تحكم دقيق.

• غرف الفراغ- يتم تطبيق الطلاءات في غرف التفريغ التي تستخدم المضخات لتحقيق مستويات تفريغ عالية تصل إلى 10-6 تور. يتيح ذلك لمواد الطلاء المبخرة الوصول إلى الركيزة دون التفاعل مع الغازات. الغرف مبنية من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الزجاج.
• رش البنادق- تقذف مسدسات الرش المغنطرونية ذرات مادة الطلاء المستهدفة باستخدام مجال كهربائي. ثم تتكثف الذرات كغشاء رقيق على الركيزة. مغناطيس قوي يحصر تفريغ البلازما على سطح الهدف الرشاش.
• مصادر التبخر- تستخدم مصادر مثل شعاع الإلكترون أو التبخير الحراري أو القوسي درجات حرارة عالية جدًا لتبخر مادة الطلاء ، مما يسمح لها بالتكثف على الركائز.
• إمدادات الغاز- يتم إدخال الغازات التفاعلية مثل النيتروجين أو الميثان في الغرفة للتفاعل مع مادة الطلاء المتطايرة أو المبخرة لتشكيل مركبات مثل النيتريد أو الكربيدات.
• سخانات الركيزة والتحيز- تعمل عناصر التسخين والجهد المتحيز للركيزة على تحسين الالتصاق وتعديل بنية الفيلم من خلال تعزيز حركة السطح للذرات المترسبة.
• المواد الهدف- المواد المستهدفة عالية النقاء مطلوبة لمصدر ترسيب الطلاء. تشمل المواد الشائعة التيتانيوم والكروم والألمنيوم والزركونيوم والتنغستن والكربون والسيليكون.
• غازات المعالجة- تستخدم غازات مثل الأرجون والنيتروجين والأسيتيلين لتوليد البلازما أو التفاعل مع مادة الطلاء. يضمن توفير غازات عملية عالية النقاء تكوينًا مناسبًا للفيلم.

خطوات عملية

يتضمن تطبيق الطلاءات الصلبة من خلال ترسيب البخار معالجة دقيقة لإنتاج الطلاءات بالخصائص المرغوبة.

1. إعداد السطح- يجب تنظيف سطح الركيزة جيدًا لإزالة الزيوت والأكاسيد والملوثات التي يمكن أن تقلل من التصاق الطلاء. يشيع استخدام السفع بالحصى والتنظيف بالمذيبات والحفر بالحمض.
2. متزايد- يتم تثبيت المكونات أو تثبيتها على حوامل خاصة تسمح بتغطية جميع الأسطح بالتساوي. تساعد البراميل الدوارة على ضمان تغطية موحدة.
3. تدفئة أرضية- غالبًا ما يتم تسخين الركيزة مسبقًا إلى 150-500 درجة مئوية قبل الترسيب لزيادة حركة السطح لذرات الطلاء وتحسين الالتصاق.
4. ترسيب- يتم تبخير مادة الطلاء بالرش ، أو التبخر ، أو تبخير القوس ، مما يسمح بغشاء رقيق بسماكة ميكرونات فقط بالتكثف على الركيزة. يحدث هذا في بيئة فراغ عالية.
5. القصف الأيوني- يمكن أن يؤدي القصف الأيوني النشط أثناء الترسيب إلى تحسين الالتصاق والكثافة عن طريق تعزيز الانتشار السطحي لذرات الطلاء.
6. ترطيب- بعد الترسيب ، يتم تبريد المكونات في جو متحكم فيه لمنع الأكسدة والسماح للضغوط المتبقية بالاسترخاء.
7. ضبط الجودة- تخضع الأجزاء المطلية للاختبار للتحقق من سمك الطلاء والالتصاق والصلابة والأداء من خلال الفحص المجهري واختبار الخدش واختبار التآكل / التآكل وغير ذلك من التحليلات.

يضمن الإعداد الدقيق للسطح والتحكم في عملية الترسيب واختبار ما بعد الطلاء الجودة المثلى وخصائص الطلاء.

تطبيقات صناعية

تستخدم الطلاءات الواقية الصلبة على نطاق واسع عبر الصناعات التحويلية لتعزيز أداء المكونات والمتانة.

• أدوات القطع- الطلاءات مثل نيتريد ألمنيوم التيتانيوم (TiAlN) وكربونيتريد التيتانيوم (TiCN) والكربون الشبيه بالماس (DLC) المطبقة على المثاقب والمطاحن والمناشير وأدوات القطع الأخرى تزيد بشكل كبير من الصلابة ومقاومة التآكل. هذا يسمح بسرعات قطع أعلى وعمر خدمة أطول.
• قوالب ويموت- تحمي الطلاءات المصنوعة من النيتريد والكربيد و DLC قوالب حقن البلاستيك وقوالب تشكيل المعادن من التآكل والتآكل الكاشطة ، مما يطيل من عمرها الافتراضي. تشمل الطلاءات الشائعة CrN و TiAlN وكربيد التنجستن (WC / C).
• مكونات النفط والغاز- مثقاب حفر قاع البئر والصمامات والمضخات وأجزاء النفط والغاز الأخرى مطلية بأفلام TiN أو TiAlN أو الألماس شديدة الصلابة لمقاومة التآكل الكاشطة الناتج عن الحفر وإنتاج الرمال والتآكل من المحاليل الملحية الساخنة.
• صناعة الطيران وقطع غيار السيارات- مكونات المحرك ، أسطح هيكل الطائرة ، المحامل ، وأجزاء أخرى مغطاة بأفلام واقية تحمي من التآكل ، والتعب ، والأكسدة ذات درجات الحرارة العالية.
• الأجهزة الطبية- الأدوات الجراحية ، والغرسات ، وأسطح المعدات الطبية مطلية بأفلام متوافقة حيوياً مثل DLC و TiN و TiAlN لتحسين الصلابة وأداء التآكل ومقاومة التآكل.
• الدهانات الزخرفية- يتم تطبيق الطلاءات الصلبة المزخرفة الملونة مثل TiN و ZrN و CrN و AlTiN على المجوهرات والساعات والنظارات الشمسية وغيرها من العناصر الاستهلاكية.

تعمل الطلاءات القاسية على تحسين المتانة والأداء في جميع قطاعات التصنيع تقريبًا.

تطبيقات في المجوهرات

بالإضافة إلى تعزيز المتانة ، توفر الطلاءات الصلبة لمسات نهائية جذابة للمجوهرات وإكسسوارات الموضة.

• طلاءات واقية للساعة- غالبًا ما تكون أغلفة وأحزمة الساعات الفاخرة مغطاة بأغشية رقيقة من نيتريد التيتانيوم (TiN) أو الكربون الشبيه بالماس (DLC) أو نيتريد الكروم (CrN) لزيادة مقاومة الخدش. هذا يحمي مكونات الساعة باهظة الثمن من التلف أثناء الاستخدام اليومي.
• مجوهرات الأزياء الملونة- توفر الطلاءات المترسبة بالبخار من TiN ونيتريد الزركونيوم (ZrN) ونتريد الكروم تشطيبات أخاذة من الذهب والأزرق والأسود والرمادي على قطع مجوهرات الأزياء الرخيصة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس.
• إعدادات الأحجار الكريمة المحسنة- يؤدي تطبيق طبقة رقيقة من الروديوم أو الروثينيوم على إعدادات المجوهرات المصنوعة من الذهب الأبيض أو الفضي إلى زيادة الصلابة وتقليل التآكل لتأمين الأحجار الكريمة بشكل أفضل والحفاظ على المظهر الجديد حتى بعد سنوات من الاستخدام المنتظم.
• تحسين صلابة السطح- يمكن تطبيق مواد DLC وطلاءات السيراميك مثل أكسيد التيتانيوم أو ثاني أكسيد السيليكون على قطع المجوهرات لتحسين مقاومة خدوش السطح والتآكل والتلطيخ. هذا يحافظ على مظهر لامع مثل الجديد بمرور الوقت.
• الطلاءات الزخرفية على التقنية القابلة للارتداء- تضيف الطلاءات الزخرفية الصلبة جاذبية جمالية للأجهزة القابلة للارتداء بما في ذلك الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وسماعات الرأس VR / AR ، مما يسمح للعلامات التجارية بالتمييز بناءً على المظهر.

تعمل الطلاءات الصلبة المتينة والجذابة على تعزيز طول العمر والجاذبية المرئية للمجوهرات والساعات وإكسسوارات الموضة.

مقارنة بعمليات تصلب السطح الأخرى

يختلف ترسيب الفيلم الصلب عن تقنيات تصلب السطح التقليدية بعدة طرق:

الكربنة والنترة

يقوم الكربنة والنترة بنشر الكربون أو النيتروجين في أسطح السبائك مثل الفولاذ لتكوين مركبات صلبة. تمتد الصلابة بعمق 0.1-0.5 مم فقط. يمكن للأغشية أن تغطي أي مادة وتحقق صلابة أكبر من 2X من النيترة.

التحريض والتصلب باللهب

مع الحث أو تصلب اللهب ، تعمل الدورة الحرارية بشكل انتقائي على تقوية الطبقة السطحية للأجزاء فقط مثل التروس والمحامل. يسمح ترسيب الفيلم بطلاء مخصص على جميع الأسطح.

تقنيات ترسيب الفيلم الصلب

هناك العديد من تقنيات ترسيب البخار المستخدمة في الطلاء الصلب:

ترسب الاخرق

في ترسيب الرذاذ ، يقذف القصف الأيوني النشط الذرات من هدف صلب ، مما يسمح للذرات بالتكثف كغشاء رقيق على الركيزة. يستخدم الاخرق المغنطروني بشكل شائع لإيداع المواد مثل نيتريد التيتانيوم ونتريد الكروم.

ترسيب القوس الكاثودي

يبخر القوس الكهربائي مادة الطلاء من هدف الكاثود ، مؤينًا جزءًا كبيرًا من التدفق. وهذا يسمح بترسيب طبقات السيراميك شديدة الصلابة مثل نيتريد التيتانيوم والألومنيوم في درجات حرارة منخفضة نسبيًا.

ترسيب الليزر النبضي

يعمل الليزر النبضي عالي الطاقة على استئصال المواد من الهدف لتكوين عمود بلازما يترسب الطلاء على الركيزة في غرفة مفرغة. تسمح هذه العملية بالتحكم الجيد في سمك الفيلم وتكوينه.

ترسيب شعاع الإلكترون

يقوم مبخر شعاع الإلكترون بقذف مادة الطلاء ، وتسخينها إلى درجة التبخير لترسب طبقة رقيقة. معدلات الترسيب العالية ممكنة ، ولكن قد يكون من الصعب السيطرة على هذه العملية.

ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)

تعمل تقنيات PVD مثل الرش والتبخر على تبخير مواد الطلاء فعليًا لترسيب أغشية رقيقة. تشمل طرق PVD الشائعة رش المغنطرون ، والتبخر الحراري ، وتبخر حزمة الإلكترون.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

تستخدم الأمراض القلبية الوعائية التفاعلات الكيميائية بين الغازات السليفة لترسيب الأغشية على ركائز ساخنة. يسمح الضغط المنخفض للأمراض القلبية الوعائية والأمراض القلبية الوعائية المحسنة بالبلازما بالطلاء في الأشكال الهندسية المعقدة.

كل تقنية لها مزاياها الخاصة من حيث التحكم ، والطلاءات الممكنة ، ومعدل الترسيب ، والتكلفة. يلعب كل من PVD و CVD دورًا مهمًا في تطبيقات ترسيب الأفلام الصلبة.