رسوب فیلم سخت چیست؟

اساس رسوب فیلم سخت

رسوب فیلم سخت به فرآیند رسوب پوشش های نازک و سخت بر روی یک ماده زیرلایه برای بهبود خواص سطحی مانند مقاومت در برابر سایش، حفاظت در برابر خوردگی یا عملکرد مانع حرارتی اشاره دارد. پوشش‌ها، معمولاً 1-10 میکرون ضخامت دارند، با متراکم کردن عناصر و ترکیبات آلیاژی تبخیر شده بر روی سطح زیرلایه ایجاد می‌شوند. این تکنیک مهندسی سطح به سازندگان اجازه می‌دهد تا سختی، روان‌کاری، مقاومت در برابر اکسیداسیون یا سایر ویژگی‌های مواد پایه را بدون تأثیر بر خواص حجیم آنها افزایش دهند.

اهداف رسوب فیلم سخت

رسوب فیلم سخت برای افزایش خواص سطحی مواد به روش های مختلف استفاده می شود:

مقاومت در برابر سایش

یکی از اهداف اصلی رسوب فیلم سخت، بهبود مقاومت در برابر سایش قطعات است. پوشش‌های سخت مانند نیترید تیتانیوم (TiN) و نیترید کروم (CrN) می‌توانند سایش ساینده، سایش چسبندگی و خستگی سطح را بر روی قطعاتی مانند ابزارهای برش، اجزای موتور و یاتاقان‌ها به حداقل برسانند. پوشش سخت از حذف سریع مواد در هنگام تماس با سطوح دیگر جلوگیری می کند.

حفاظت در برابر خوردگی

اعمال پوشش هایی مانند قلع، نیترید تیتانیوم آلومینیوم (AlTiN) و کربن الماس مانند آمورف (DLC) مانعی ایجاد می کند که از بستر زیرین در برابر آسیب خوردگی محافظت می کند. این به ویژه برای قطعاتی که در معرض دماهای بالا، محیط های اکسیداتیو و محیط های خورنده مانند اسیدها یا آب نمک قرار دارند مفید است.

سد حرارتی

برخی از مواد مانند سرامیک ها و آلیاژهای فلزی می توانند اجزا را در برابر دمای بالا عایق کنند. رسوب لایه‌های اکسید زیرکونیوم، اکسید کروم یا دی سی‌کش مولیبدن روی پره‌های توربین به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با کاهش انتقال حرارت در دماهای بالاتر کار کنند.

پایان های تزئینی

پوشش‌های سخت مانند نیترید تیتانیوم و نیترید زیرکونیوم، رنگ‌های طلایی، آبی یا سیاه جذابی را روی سطوح ایجاد می‌کنند. این به جواهرات، لوازم جانبی مد و محصولات مصرفی اجازه می دهد تا جلوه ها و ظاهر تزئینی منحصر به فردی داشته باشند.

خصوصیات الکتریکی

پوشش‌های رسانا مانند طلا، پلاتین و کاربیدهای فلزی می‌توانند خواص الکتریکی مانند رسانایی و مقاومت را تغییر دهند. این امکان کنترل دقیق جریان الکتریکی در اجزایی مانند سنسورها و دستگاه های نیمه هادی را فراهم می کند.

انواع پوشش های سخت

دسته های مختلفی از پوشش های سخت وجود دارد که می توانند از طریق فرآیندهای رسوب بخار اعمال شوند:

• نیتریدهای فلزات انتقالی - معمولاً از ترکیبات نیترید سرامیکی بسیار سخت فلزات مانند تیتانیوم، کروم و زیرکونیوم استفاده می شود. نیترید تیتانیوم (TiN) یک پوشش طلایی رنگ با مقاومت در برابر خوردگی عالی و سختی تا 2000 HV فراهم می کند. نیترید کروم (CrN) ظاهری مایل به خاکستری دارد و خواص تریبولوژیکی را در دماهای بالا حفظ می کند.
• کاربیدهای فلزی انتقالی - کاربیدهای فلزی مانند کاربید تنگستن (WC)، کاربید تیتانیوم (TiC) و کاربید تانتالم (TaC) پوشش‌های بسیار سخت و بادوام تولید می‌کنند. آنها در مقایسه با فیلم های نیترید مقاومت سایشی بالاتری دارند. با این حال، فیلم های کاربید ممکن است با بسترهای فولادی در دمای بالا واکنش دهند.
• پوشش های سرامیکی - مواد سرامیکی غیر فلزی از جمله آلومینا (Al2O3)، زیرکونیا (ZrO2) و اکسید کروم (Cr2O3) می توانند در برابر گرما و خوردگی عایق باشند. کاربید سیلیکون (SiC) چگالی کم، سختی و استحکام بالایی دارد.
• کربن الماس مانند – پوشش‌های کربن الماس‌مانند (DLC) حاوی ترکیبی از اتم‌های کربن هیبرید شده sp3 و sp2 هستند که خواص الماس مانند را ارائه می‌کنند. فیلم های DLC آمورف سختی استثنایی، اصطکاک کم و بی اثری شیمیایی را ارائه می دهند.
• پوشش های چند لایه – ترکیب لایه‌هایی از مواد مختلف مانند TiN و TiAlN پوشش‌هایی تولید می‌کند که مزایای هر ماده را یکپارچه می‌کند. فیلم‌های چند لایه نسبت به لایه‌های منفرد، سختی، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر اکسیداسیون را بهبود می‌بخشند.

مواد برای رسوب فیلم سخت

طیف گسترده ای از مواد زیرلایه را می توان با لایه های سخت پوشاند تا خواص سطحی و عملکرد آنها بهبود یابد:

• فولاد– فولاد یکی از رایج ترین بسترهایی است که با لایه های سخت پوشش داده می شود. پوشش هایی مانند TiN، TiCN، CrN و DLC روی قطعات فولادی مانند ابزارهای برش، قالب ها، قطعات موتور و یاتاقان ها برای افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش و محافظت در برابر خوردگی اعمال می شوند.
• آلومینیوم- آلیاژهای آلومینیوم سبک وزن اغلب برای بهبود مقاومت در برابر سایش و سایش پوشش داده می شوند. پوشش‌های آنودایز سخت و فیلم‌های سرامیکی مانند آلومینا و سیلیس از قطعات آلومینیومی خودرو و هوافضا محافظت می‌کنند.
• تیتانیوم- سختی، چسبندگی و مقاومت در برابر خوردگی تیتانیوم را می توان از طریق پوشش هایی مانند قلع، نیترید کروم و کربن الماس مانند دوپ شده با فلز افزایش داد. این فیلم‌ها به ایمپلنت‌های پزشکی تیتانیوم و قطعات هوافضا اجازه می‌دهند تا در برابر ضربه و خوردگی بهتر مقاومت کنند.
• کاربیدها- بسترهای کاربید سیلیکون، کاربید تنگستن و کاربید بور با لایه‌های نازک پوشانده می‌شوند تا سختی و مقاومت حرارتی/اکسیداسیون آنها برای کاربردهای ابزارآلات بهینه شود. اغلب از فیلم های چند لایه استفاده می شود.
• پلاستیک و پلیمر– پوشش‌های سخت مانند DLC، نیترید کروم و اکسید سیلیکون که روی اجزای پلاستیکی رسوب می‌کنند، سختی سطح و مقاومت در برابر خراش را بهبود می‌بخشند و در عین حال خواص حجیم مانند انعطاف‌پذیری و استحکام ضربه را حفظ می‌کنند.
• سرامیک- مقاومت در برابر سایش و خوردگی قطعات سرامیکی ساخته شده از آلومینا، زیرکونیا، کاربید سیلیکون و نیترید سیلیکون را می توان از طریق رسوب لایه نازک نیتریدهای فلزی، اکسیدها و کاربیدها افزایش داد.

تجهیزات و مواد مصرفی

رسوب فیلم سخت به تجهیزات پیشرفته فن آوری خلاء برای رسوب پوشش هایی با ضخامت چند میکرون با کنترل دقیق متکی است.

• اتاق های خلاء- پوشش ها در اتاقک های خلاء استفاده می شوند که از پمپ ها برای دستیابی به سطوح خلاء بالا تا 10-6 torr استفاده می کنند. این باعث می شود که مواد پوشش بخار شده بدون واکنش با گازها به زیرلایه برسند. محفظه ها از فولاد ضد زنگ یا شیشه ساخته شده اند.
• تفنگ های پراکنده- تفنگ های کندوپاش مگنترون اتم های ماده پوشش هدف را با استفاده از میدان الکتریکی بیرون می اندازند. سپس اتم ها به صورت یک لایه نازک بر روی بستر متراکم می شوند. آهنرباهای قدرتمند ترشح پلاسما را در سطح هدف کندوپاش محدود می کنند.
• منابع تبخیر- منابعی مانند پرتو الکترونی، حرارتی یا تبخیر قوس الکتریکی از دماهای بسیار بالا برای تبخیر مواد پوشش استفاده می‌کنند و به آن اجازه می‌دهند روی لایه‌ها متراکم شوند.
• تأمین گاز- گازهای واکنشی مانند نیتروژن یا متان به محفظه وارد می شوند تا با مواد پوششی پراکنده یا تبخیر شده واکنش دهند و ترکیباتی مانند نیتریدها یا کاربیدها را تشکیل دهند.
• هیترهای بستر و بایاس- عناصر گرمایش و ولتاژ بایاس بستر، چسبندگی را بهبود می بخشد و ساختار فیلم را با افزایش تحرک سطحی اتم های رسوب شده اصلاح می کند.
• مواد هدف- مواد هدف با خلوص بالا برای منبع رسوب پوشش مورد نیاز است. مواد متداول عبارتند از تیتانیوم، کروم، آلومینیوم، زیرکونیوم، تنگستن، کربن و سیلیکون.
• گازهای فرآیندی- گازهایی مانند آرگون، نیتروژن و استیلن برای تولید پلاسما یا واکنش با مواد پوشش استفاده می شود. تامین گازهای فرآیند با خلوص بالا ترکیب مناسب فیلم را تضمین می کند.

مراحل فرآیند

اعمال پوشش های سخت از طریق رسوب بخار شامل پردازش دقیق برای تولید پوشش هایی با خواص مطلوب است.

1. آماده سازی سطح– سطح زیرلایه باید کاملاً تمیز شود تا روغن ها، اکسیدها و آلاینده هایی که می توانند چسبندگی پوشش را کاهش دهند از بین برود. معمولاً از سنگ ریزه، تمیز کردن با حلال و اچ اسید استفاده می شود.
2. پایه- اجزاء بر روی نگهدارنده های مخصوص نصب می شوند که اجازه می دهد تمام سطوح به طور یکنواخت پوشش داده شوند. بشکه های چرخان به پوشش یکنواخت کمک می کند.
3. پوشاک– برای افزایش تحرک سطحی اتم های پوشش و بهبود چسبندگی، بستر اغلب قبل از رسوب در دمای 150-500 درجه سانتی گراد گرم می شود.
4. گواهی- مواد پوشش با کندوپاش، تبخیر یا تبخیر قوس تبخیر می‌شوند و به یک لایه نازک با ضخامت فقط میکرون اجازه می‌دهد تا بر روی بستر متراکم شود. این در یک محیط خلاء بالا رخ می دهد.
5. بمباران یونی- بمباران یونی پرانرژی در طول رسوب می تواند چسبندگی و چگالی را با افزایش انتشار سطحی اتم های پوشش بهبود بخشد.
6. آرام شدن- پس از رسوب، اجزاء تحت یک جو کنترل شده خنک می شوند تا از اکسیداسیون جلوگیری شود و تنش های پسماند آرام شوند.
7. کنترل کیفیت- قطعات پوشش داده شده تحت آزمایش قرار می گیرند تا ضخامت، چسبندگی، سختی و عملکرد پوشش را از طریق میکروسکوپ، آزمایش خراش، تست سایش/خوردگی و سایر آنالیزها تأیید کنند.

آماده سازی دقیق سطح، کنترل فرآیند رسوب گذاری و آزمایش پس از پوشش، کیفیت و خواص پوشش مطلوب را تضمین می کند.

نرم افزار صنعتی

پوشش های محافظ سخت به طور گسترده در صنایع تولیدی برای افزایش عملکرد و دوام قطعات استفاده می شود.

• ابزار برش– پوشش هایی مانند نیترید آلومینیوم تیتانیوم (TiAlN)، کربنیترید تیتانیوم (TiCN) و کربن الماس مانند (DLC) که روی مته ها، آسیاب ها، اره ها و سایر ابزارهای برش اعمال می شود به طور قابل توجهی سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهند. این باعث می شود سرعت برش بالاتر و عمر طولانی تر باشد.
• قالب و می میرد– پوشش های نیترید، کاربید و DLC از قالب های تزریق پلاستیک و قالب های فلزی در برابر سایش و خوردگی محافظت می کنند و طول عمر آنها را افزایش می دهند. پوشش‌های متداول شامل CrN، TiAlN و کاربید تنگستن (WC/C) است.
• قطعات نفت و گاز- مته ها، شیرها، پمپ ها و سایر قطعات نفت و گاز با لایه های بسیار سخت قلع، TiAlN یا الماس پوشانده شده اند تا در برابر سایش ناشی از حفاری، تولید شن و ماسه و خوردگی ناشی از آب نمک داغ مقاومت کنند.
• قطعات هوافضا و خودرو- اجزای موتور، سطوح بدنه هوا، یاتاقان‌ها و سایر قسمت‌ها با لایه‌های محافظی پوشانده شده‌اند که در برابر سایش، خستگی و اکسیداسیون دمای بالا محافظت می‌کنند.
• تجهیزات پزشکی- ابزارهای جراحی، ایمپلنت ها و سطوح تجهیزات پزشکی با فیلم های زیست سازگار مانند DLC، TiN و TiAlN برای بهبود سختی، عملکرد سایش و مقاومت در برابر خوردگی پوشش داده شده اند.
• پوشش های تزئینی- پوشش‌های سخت تزئینی رنگی مانند TiN، ZrN، CrN و AlTiN روی جواهرات، ساعت‌ها، عینک‌های آفتابی و سایر اقلام مصرفی اعمال می‌شوند.

پوشش های سخت دوام و عملکرد را تقریباً در هر بخش تولیدی افزایش می دهند.

کاربرد در جواهرات

پوشش های سخت علاوه بر افزایش دوام، پوشش های جذابی را برای جواهرات و لوازم جانبی مد ارائه می دهند.

• پوشش های محافظ ساعت– قاب ها و بند ساعت های لوکس اغلب با لایه های نازکی از نیترید تیتانیوم (TiN)، کربن الماس مانند (DLC) یا نیترید کروم (CrN) پوشانده می شوند تا مقاومت در برابر خراش افزایش یابد. این از قطعات گران قیمت ساعت در برابر آسیب در هنگام استفاده روزمره محافظت می کند.
• جواهرات مد رنگی– پوشش‌های رسوب‌شده با بخار از قلع، نیترید زیرکونیوم (ZrN) و نیترید کروم، روکش‌های طلایی، آبی، سیاه و خاکستری چشم نوازی را بر روی جواهرات ارزان قیمت ساخته شده از فولاد ضد زنگ یا برنج ارائه می‌کنند.
• تنظیمات پیشرفته سنگ های قیمتی- استفاده از یک لایه نازک از رودیوم یا روتنیوم بر روی تنظیمات جواهرات طلای سفید یا نقره، سختی را افزایش می دهد و سایش را کاهش می دهد تا سنگ های قیمتی محکم تر شده و ظاهری شبیه به جدید را حتی پس از سال ها استفاده منظم حفظ کند.
• بهبود سختی سطح– پوشش‌های DLC و سرامیکی مانند اکسید تیتانیوم یا دی اکسید سیلیکون را می‌توان روی قطعات جواهرات اعمال کرد تا مقاومت در برابر خراش‌های سطحی، سایش و کدر شدن را بهبود بخشد. این در طول زمان ظاهری درخشان و شبیه به جدید را حفظ می کند.
• پوشش های تزئینی در فناوری پوشیدنی– روکش‌های تزیینی سخت به دستگاه‌های پوشیدنی از جمله ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام و هدست‌های واقعیت مجازی/AR جذابیت زیبایی می‌بخشند و به برندها اجازه می‌دهند بر اساس ظاهر متمایز شوند.

روکش‌های سخت بادوام و جذاب هم طول عمر و هم جذابیت بصری جواهرات، ساعت‌ها و لوازم جانبی مد را افزایش می‌دهند.

مقایسه با سایر فرآیندهای سخت شدن سطحی

رسوب فیلم سخت با روش های سنتی سخت شدن سطح از چندین جهت متفاوت است:

کربورسازی و نیتریدینگ

کربورسازی و نیترید کردن، کربن یا نیتروژن را در سطح آلیاژهایی مانند فولاد پخش می کند تا ترکیبات سختی ایجاد کند. سختی فقط 0.1-0.5 میلی متر عمق دارد. فیلم ها می توانند هر ماده ای را بپوشانند و به سختی بیش از 2 برابر نیتریدینگ دست پیدا کنند.

سخت شدن القایی و شعله

با سخت شدن القایی یا شعله، یک چرخه حرارتی به طور انتخابی تنها لایه سطحی قطعاتی مانند چرخ دنده ها و یاتاقان ها را سخت می کند. رسوب فیلم اجازه می دهد تا پوشش های سفارشی روی تمام سطوح انجام شود.

فن آوری برای رسوب فیلم سخت

چندین فناوری رسوب بخار برای اعمال پوشش های سخت استفاده می شود:

رسوب کندوپاش

در رسوب پاششی، بمباران یونی پرانرژی، اتم‌ها را از یک هدف جامد خارج می‌کند و به اتم‌ها اجازه می‌دهد تا به عنوان یک لایه نازک بر روی بستر متراکم شوند. کندوپاش مگنترون معمولاً برای رسوب موادی مانند نیترید تیتانیوم و نیترید کروم استفاده می شود.

رسوب قوس کاتدی

یک قوس الکتریکی مواد پوشش را از یک هدف کاتدی تبخیر می کند و بخش قابل توجهی از شار را یونیزه می کند. این اجازه می دهد تا پوشش های سرامیکی بسیار سخت مانند نیترید آلومینیوم تیتانیوم در دماهای نسبتا پایین رسوب کنند.

رسوب لیزر پالسی

یک لیزر پالسی پرقدرت مواد را از یک هدف جدا می کند تا یک ستون پلاسما ایجاد کند که پوشش را روی بستر در یک محفظه خلاء رسوب می دهد. این فرآیند امکان کنترل خوب ضخامت و ترکیب فیلم را فراهم می کند.

رسوب پرتو الکترونی

یک اواپراتور پرتو الکترونی مواد پوشش را بمباران می کند و آن را تا نقطه تبخیر برای رسوب لایه نازک گرم می کند. نرخ رسوب بالا امکان پذیر است، اما کنترل این فرآیند می تواند دشوار باشد.

رسوب بخار فیزیکی (PVD)

تکنیک‌های PVD مانند کندوپاش و تبخیر، مواد پوشش را به صورت فیزیکی تبخیر می‌کنند تا لایه‌های نازک را رسوب دهند. روش های رایج PVD شامل کندوپاش مگنترون، تبخیر حرارتی و تبخیر پرتو الکترونی است.

رسوب بخار شیمیایی (CVD)

CVD از واکنش های شیمیایی بین گازهای پیش ساز برای رسوب فیلم ها بر روی بسترهای گرم شده استفاده می کند. CVD با فشار پایین و CVD افزایش یافته پلاسما اجازه می دهد تا روی هندسه های پیچیده پوشش داده شود.

هر فناوری از نظر کنترل، پوشش های ممکن، نرخ رسوب گذاری و هزینه مزایای خاص خود را دارد. PVD و CVD هر دو نقش مهمی در کاربردهای رسوب فیلم سخت دارند.