Какво представлява отлагането на твърд филм?

Основа на отлагането на твърд филм

Отлагането на твърд филм се отнася до процеса на отлагане на тънки, твърди покрития върху материал на субстрата за подобряване на свойствата на повърхността като устойчивост на износване, защита от корозия или термична бариера. Покритията, обикновено с дебелина 1-10 микрона, се създават чрез кондензиране на изпарени легиращи елементи и съединения върху повърхността на субстрата. Тази техника за повърхностен инженеринг позволява на производителите да подобрят твърдостта, смазването, устойчивостта на окисляване или други характеристики на основните материали, без да се засягат техните обемни свойства.

Цели на отлагането на твърд филм

Отлагането на твърд филм се използва за подобряване на повърхностните свойства на материалите по различни начини:

Износоустойчивост

Една от основните цели на отлагането на твърд филм е да се подобри устойчивостта на износване на компонентите. Твърдите покрития като титанов нитрид (TiN) и хромов нитрид (CrN) могат да сведат до минимум абразивното износване, износването на адхезията и повърхностната умора на части като режещи инструменти, компоненти на двигателя и лагери. Твърдото покритие предотвратява бързото отстраняване на материала при контакт с други повърхности.

Защита от корозия

Нанасянето на покрития като TiN, алуминиев титанов нитрид (AlTiN) и аморфен диамантеноподобен въглерод (DLC) създава бариера, която защитава основния субстрат от увреждане от корозия. Това е особено полезно за части, изложени на високи температури, окислителни среди и корозивни среди като киселини или солена вода.

Термична бариера

Някои материали като керамика и метални сплави могат да изолират компонентите от високи температури. Отлагането на филми от циркониев оксид, хромов оксид или молибденов дисилицид върху турбинните лопатки им позволява да работят при по-високи температури чрез намаляване на преноса на топлина.

Декоративни покрития

Твърдите покрития като титанов нитрид и циркониев нитрид създават атрактивни златни, сини или черни покрития върху повърхностите. Това позволява на бижутата, модните аксесоари и потребителските продукти да имат уникални декоративни ефекти и външен вид.

Електрически свойства

Проводими покрития като злато, платина и метални карбиди могат да променят електрически свойства като проводимост и съпротивление. Това позволява прецизен контрол на протичането на електрически ток в компоненти като сензори и полупроводникови устройства.

Видове твърди покрития

Има различни категории твърди покрития, които могат да се нанасят чрез процеси на отлагане на пари:

• Нитриди на преходни метали – Често се използват много твърди керамични нитридни съединения на метали като титан, хром и цирконий. Титановият нитрид (TiN) осигурява златисто покритие с отлична устойчивост на корозия и твърдост до 2000 HV. Хромният нитрид (CrN) има сивкав вид и запазва трибологичните свойства при високи температури.
• Карбиди на преходни метали – Метални карбиди като волфрамов карбид (WC), титанов карбид (TiC) и танталов карбид (TaC) произвеждат изключително твърди и издръжливи покрития. Те предлагат превъзходна устойчивост на абразия в сравнение с нитридните филми. Карбидните филми обаче могат да реагират със стоманени субстрати при високи температури.
• Керамични покрития – Неметалните керамични материали, включително алуминиев оксид (Al2O3), цирконий (ZrO2) и хромов оксид (Cr2O3), могат да изолират срещу топлина и корозия. Силициевият карбид (SiC) има ниска плътност, висока твърдост и здравина.
• Диамантеноподобен въглерод – Диамантеноподобните въглеродни (DLC) покрития съдържат смес от sp3 и sp2 хибридизирани въглеродни атоми, което осигурява подобни на диамант свойства. Аморфните DLC филми предлагат изключителна твърдост, ниско триене и химическа инертност.
• Многослойни покрития – Комбинирането на слоеве от различни материали като TiN и TiAlN произвежда покрития, които интегрират предимствата на всяко вещество. Многослойните филми са склонни да имат подобрена твърдост, якост на счупване и устойчивост на окисление в сравнение с единичните слоеве.

Материали за отлагане на твърд филм

Широка гама от субстратни материали могат да бъдат покрити с твърди филми, за да се подобрят техните повърхностни свойства и производителност:

• стомана– Стоманата е един от най-разпространените субстрати, покрити с твърди филми. Покрития като TiN, TiCN, CrN и DLC се нанасят върху стоманени компоненти като режещи инструменти, форми, части на двигателя и лагери за увеличаване на твърдостта, устойчивостта на износване и защитата от корозия.
• Алуминий– Леките алуминиеви сплави често се покриват, за да се подобри устойчивостта на износване и абразия. Твърдите анодизирани покрития и керамичните филми като алуминиев оксид и силициев диоксид осигуряват защита на алуминиевите автомобилни и космически компоненти.
• титан– Твърдостта, адхезията и устойчивостта на корозия на титана могат да бъдат подобрени чрез покрития като TiN, хромов нитрид и метално добавен диамант-подобен въглерод. Тези филми позволяват на титаниевите медицински импланти и аерокосмически части да издържат по-добре на удари и корозия.
• Карбиди– Субстратите от силициев карбид, волфрамов карбид и борен карбид са покрити с тънки филми за допълнително оптимизиране на тяхната твърдост и устойчивост на топлина/окисление за приложения с инструменти. Често се прилагат многослойни филми.
• Пластмаси и полимери– Твърдите покрития като DLC, хромов нитрид и силициев оксид, нанесени върху пластмасови компоненти, подобряват твърдостта на повърхността и устойчивостта на надраскване, като същевременно запазват обемни свойства като гъвкавост и якост на удар.
• Керамика– Устойчивостта на износване и корозия на керамичните части, направени от алуминиев оксид, цирконий, силициев карбид и силициев нитрид, може да бъде подобрена чрез отлагане на тънък слой от метални нитриди, оксиди и карбиди.

Оборудване и консумативи

Отлагането на твърд филм разчита на усъвършенствано оборудване за вакуумна технология за нанасяне на покрития с дебелина само няколко микрона с прецизен контрол.

• Вакуумни камери– Покритията се нанасят във вакуумни камери, които използват помпи за постигане на високи нива на вакуум до 10-6 тора. Това позволява изпарените покривни материали да достигнат до субстрата, без да реагират с газове. Камерите са изработени от неръждаема стомана или стъкло.
• Пръскащи пистолети– Магнетронните разпрашващи пистолети изхвърлят атоми от материала на целевото покритие с помощта на електрическо поле. След това атомите се кондензират като тънък филм върху субстрата. Мощни магнити ограничават плазмения разряд върху повърхността на целта за разпръскване.
• Източници на изпарение– Източници като електронно лъчево, термично или дъгово изпаряване използват много високи температури за изпаряване на покриващия материал, позволявайки му да кондензира върху субстратите.
• Доставка на газ– Реактивни газове като азот или метан се въвеждат в камерата, за да реагират с разпръснатия или изпарен покривен материал, за да образуват съединения като нитриди или карбиди.
• Нагреватели на субстрата и отклонение– Нагревателните елементи и преднапрежението на субстрата подобряват адхезията и модифицират структурата на филма чрез повишаване на подвижността на повърхността на отложените атоми.
• Целеви материали– Необходими са целеви материали с висока чистота за източника на отлагане на покритието. Обичайните материали включват титан, хром, алуминий, цирконий, волфрам, въглерод и силиций.
• Процесни газове– Газове като аргон, азот и ацетилен се използват за генериране на плазма или за реакция с покриващия материал. Доставянето на технологични газове с висока чистота гарантира правилния състав на филма.

Стъпки на процеса

Нанасянето на твърди покрития чрез отлагане на пари включва внимателна обработка за получаване на покрития с желаните свойства.

1. Подготовка на повърхността– Повърхността на субстрата трябва да бъде старателно почистена, за да се отстранят масла, оксиди и замърсители, които могат да намалят адхезията на покритието. Обикновено се използват бластиране с песъчинки, почистване с разтворител и киселинно ецване.
2. монтиране– Компонентите са закрепени или монтирани върху специални държачи, които позволяват всички повърхности да бъдат равномерно покрити. Въртящите се варели спомагат за осигуряване на равномерно покритие.
3. Отопление– Субстратът често се загрява предварително до 150-500°C преди отлагането, за да се увеличи повърхностната подвижност на атомите на покритието и да се подобри адхезията.
4. отлагане– Материалът на покритието се изпарява чрез разпръскване, изпаряване или дъгова изпарение, което позволява на тънък филм с дебелина само микрони да кондензира върху субстрата. Това се случва в среда с висок вакуум.
5. Йонна бомбардировка– Енергичното йонно бомбардиране по време на отлагането може да подобри адхезията и плътността чрез засилване на повърхностната дифузия на атомите на покритието.
6. Успокой се– След отлагане компонентите се охлаждат в контролирана атмосфера, за да се предотврати окисляването и да се позволи на остатъчните напрежения да се отпуснат.
7. Контрол на качеството– Частите с покритие се подлагат на тестване за проверка на дебелината на покритието, адхезията, твърдостта и ефективността чрез микроскопия, тестване за надраскване, тестване за износване/корозия и други анализи.

Внимателната подготовка на повърхността, контролът на процеса на отлагане и тестването след нанасяне на покритието гарантират оптимално качество и свойства на покритието.

индустриални приложения

Твърдите защитни покрития се използват широко в производствените индустрии за подобряване на производителността и издръжливостта на компонентите.

• режещи инструменти– Покрития като титанов алуминиев нитрид (TiAlN), титанов карбонитрид (TiCN) и диамантеноподобен въглерод (DLC), нанесени върху свредла, фрези, триони и други режещи инструменти значително увеличават твърдостта и устойчивостта на износване. Това позволява по-високи скорости на рязане и по-дълъг експлоатационен живот.
• Форми и умира– Нитридни, карбидни и DLC покрития предпазват пластмасовите шприцформи и матриците за металоформоване от абразивно износване и корозия, като удължават живота им. Обичайните покрития включват CrN, TiAlN и волфрамов карбид-въглерод (WC/C).
• Компоненти за нефт и газ– Сондажните свредла, клапаните, помпите и други нефтени и газови части са покрити с изключително твърди TiN, TiAlN или диамантени филми, за да устоят на абразивно износване от сондиране, производство на пясък и корозия от горещи солеви разтвори.
• Аерокосмически и автомобилни части– Компонентите на двигателя, повърхностите на корпуса, лагерите и другите части са покрити със защитни филми, които предпазват от износване, умора и високотемпературно окисление.
• Медицински изделия– Повърхностите на хирургическите инструменти, имплантите и медицинското оборудване са покрити с биосъвместими филми като DLC, TiN и TiAlN за подобряване на твърдостта, износоустойчивостта и устойчивостта на корозия.
• Декоративни покрития– Цветни декоративни твърди покрития като TiN, ZrN, CrN и AlTiN се нанасят върху бижута, часовници, слънчеви очила и други потребителски артикули.

Твърдите покрития подобряват издръжливостта и производителността в почти всеки производствен сектор.

Приложения в бижутата

В допълнение към повишаването на издръжливостта, твърдите покрития осигуряват атрактивни покрития за бижута и модни аксесоари.

• Защитни покрития за часовници– Корпусите и каишките на луксозните часовници често са покрити с тънки слоеве от титанов нитрид (TiN), диамантеноподобен въглерод (DLC) или хромов нитрид (CrN), за да се увеличи устойчивостта на надраскване. Това предпазва скъпите компоненти на часовника от повреда при ежедневна употреба.
• Цветни модни бижута– Покритията с парно отлагане от TiN, циркониев нитрид (ZrN) и хромов нитрид осигуряват привличащи окото златни, сини, черни и сиви покрития върху евтини модни бижута, изработени от неръждаема стомана или месинг.
• Подобрени настройки за скъпоценни камъни– Нанасянето на тънък слой родий или рутений върху комплекти за бижута от бяло злато или сребро увеличава твърдостта и намалява износването, за да осигури по-добра защита на скъпоценните камъни и да поддържа външен вид като нов дори след години редовна употреба.
• Подобрена твърдост на повърхността– DLC и керамични покрития като титанов оксид или силициев диоксид могат да се нанасят върху бижута, за да се подобри устойчивостта на повърхностни драскотини, абразия и потъмняване. Това поддържа лъскав, като нов вид с течение на времето.
• Декоративни покрития върху Wearable Tech– Твърдите декоративни покрития добавят естетическа привлекателност към носими устройства, включително смарт часовници, фитнес тракери и VR/AR слушалки, позволявайки на марките да се отличават въз основа на външния вид.

Устойчивите, атрактивни твърди покрития подобряват както дълголетието, така и визуалната привлекателност на бижутата, часовниците и модните аксесоари.

Сравнение с други процеси на повърхностно втвърдяване

Отлагането на твърд филм се различава от традиционните техники за повърхностно втвърдяване по няколко начина:

Карбуризиране и азотиране

Карбуризирането и азотирането дифузират въглерод или азот в повърхността на сплави като стомана, за да създадат твърди съединения. Твърдостта достига само 0.1-0.5 мм дълбочина. Филмите могат да покриват всеки материал и да постигнат твърдост > 2X от тази на азотирането.

Индукционно и пламъчно закаляване

При индукционно или пламъчно закаляване термичният цикъл селективно втвърдява само повърхностния слой на части като зъбни колела и лагери. Отлагането на филм позволява персонализирани покрития върху всички повърхности.

Технологии за отлагане на твърд филм

Има няколко технологии за нанасяне на твърди покрития:

Отлагане на разпръскване

При отлагането чрез разпръскване енергийното йонно бомбардиране изхвърля атоми от твърда мишена, позволявайки на атомите да кондензират като тънък филм върху субстрата. Магнетронното разпрашване обикновено се използва за отлагане на материали като титанов нитрид и хромов нитрид.

Отлагане с катодна дъга

Електрическа дъга изпарява покриващия материал от катодна цел, йонизирайки значителна част от потока. Това позволява отлагането на много твърди керамични покрития като титанов алуминиев нитрид при относително ниски температури.

Импулсно лазерно отлагане

Високомощен импулсен лазер премахва материал от мишена, за да създаде плазмен поток, който отлага покритието върху субстрата във вакуумна камера. Този процес позволява добър контрол на дебелината и състава на филма.

Отлагане на електронен лъч

Електронно-лъчев изпарител бомбардира покриващия материал, нагрявайки го до точката на изпаряване за отлагане на тънък слой. Възможни са високи скорости на отлагане, но този процес може да бъде труден за контролиране.

Физическо отлагане на пари (PVD)

PVD техники като разпрашване и изпаряване физически изпаряват материалите за покритие, за да отложат тънки филми. Обичайните PVD методи включват магнетронно разпрашване, термично изпаряване и изпаряване с електронен лъч.

Химическо отлагане на пари (CVD)

CVD използва химични реакции между прекурсорни газове за отлагане на филми върху нагрети субстрати. CVD при ниско налягане и плазмено усиленото CVD позволяват покрития върху сложни геометрии.

Всяка технология има своите предимства по отношение на контрол, възможни покрития, скорост на отлагане и цена. PVD и CVD играят критична роля в приложенията за отлагане на твърд филм.