Apa itu Deposisi Film Keras?

Dasar Deposisi Film Keras

Deposisi film keras mengacu pada proses pengendapan lapisan tipis dan keras ke bahan substrat untuk meningkatkan sifat permukaan seperti ketahanan aus, perlindungan korosi, atau kinerja penghalang termal. Pelapis, biasanya setebal 1-10 mikron, dibuat dengan mengembunkan elemen dan senyawa paduan yang menguap ke permukaan substrat. Teknik rekayasa permukaan ini memungkinkan pabrikan untuk meningkatkan kekerasan, pelumasan, ketahanan oksidasi, atau karakteristik lain dari bahan dasar tanpa mempengaruhi sifat curahnya.

Tujuan Deposisi Film Keras

Deposisi film keras digunakan untuk meningkatkan sifat permukaan material dengan berbagai cara:

Ketahanan aus

Salah satu tujuan utama deposisi film keras adalah untuk meningkatkan ketahanan aus komponen. Lapisan keras seperti titanium nitrida (TiN) dan kromium nitrida (CrN) dapat meminimalkan keausan abrasif, keausan adhesi, dan kelelahan permukaan pada komponen seperti alat pemotong, komponen mesin, dan bantalan. Lapisan keras mencegah pemindahan material secara cepat selama kontak dengan permukaan lain.

Proteksi karat

Menerapkan lapisan seperti TiN, aluminium titanium nitrida (AlTiN), dan karbon seperti berlian amorf (DLC) menciptakan penghalang yang melindungi substrat di bawahnya dari kerusakan korosi. Ini sangat berguna untuk bagian yang terpapar suhu tinggi, lingkungan oksidatif, dan media korosif seperti asam atau air asin.

Penghalang Termal

Beberapa bahan seperti keramik dan paduan logam dapat melindungi komponen dari suhu tinggi. Menyimpan film zirkonium oksida, kromium oksida, atau molibdenum disilicide pada bilah turbin memungkinkannya beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dengan mengurangi perpindahan panas.

Selesai Dekoratif

Pelapis keras seperti titanium nitrida dan zirkonium nitrida menghasilkan lapisan akhir berwarna emas, biru, atau hitam yang menarik pada permukaan. Hal ini memungkinkan perhiasan, aksesori fesyen, dan produk konsumen memiliki efek dan penampilan dekoratif yang unik.

Properti Listrik

Pelapis konduktif seperti emas, platina, dan karbida logam dapat mengubah sifat kelistrikan seperti konduktivitas dan resistansi. Hal ini memungkinkan kontrol yang tepat dari aliran arus listrik dalam komponen seperti sensor dan perangkat semikonduktor.

Jenis Lapisan Keras

Ada berbagai kategori pelapis keras yang dapat diterapkan melalui proses pengendapan uap:

• Nitrida Logam Transisi – Senyawa nitrida keramik yang sangat keras dari logam seperti titanium, kromium, dan zirkonium biasanya digunakan. Titanium nitride (TiN) memberikan lapisan berwarna emas dengan ketahanan korosi yang sangat baik dan kekerasan hingga 2000 HV. Chromium nitride (CrN) memiliki penampilan keabu-abuan dan mempertahankan sifat tribologi pada suhu tinggi.
• Karbida Logam Transisi – Karbida logam seperti tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC), dan tantalum carbide (TaC) menghasilkan lapisan yang sangat keras dan tahan lama. Mereka menawarkan ketahanan abrasi yang unggul dibandingkan dengan film nitrida. Namun, film karbida dapat bereaksi dengan substrat baja pada suhu tinggi.
• Pelapis Keramik – Bahan keramik non-logam termasuk alumina (Al2O3), zirkonia (ZrO2), dan kromium oksida (Cr2O3) dapat melindungi dari panas dan korosi. Silikon karbida (SiC) memiliki kerapatan rendah, kekerasan dan kekuatan tinggi.
• Karbon seperti berlian – Lapisan karbon seperti berlian (DLC) mengandung campuran atom karbon hibridisasi sp3 dan sp2, yang memberikan sifat seperti berlian. Film DLC amorf menawarkan kekerasan luar biasa, gesekan rendah, dan kelembaman kimia.
• Lapisan Multilayer – Menggabungkan lapisan dari bahan yang berbeda seperti TiN dan TiAlN menghasilkan lapisan yang mengintegrasikan manfaat dari masing-masing zat. Film multilayer cenderung memiliki kekerasan, ketangguhan retak, dan ketahanan oksidasi yang lebih baik dibandingkan dengan lapisan tunggal.

Bahan untuk Deposisi Film Keras

Berbagai bahan substrat dapat dilapisi dengan film keras untuk meningkatkan sifat dan kinerja permukaannya:

• Baja– Baja adalah salah satu substrat yang paling umum dilapisi dengan film keras. Lapisan seperti TiN, TiCN, CrN, dan DLC diterapkan pada komponen baja seperti alat pemotong, cetakan, bagian mesin, dan bantalan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, dan perlindungan korosi.
• Aluminium– Paduan aluminium ringan sering dilapisi untuk meningkatkan ketahanan aus dan abrasi. Pelapis anodized keras dan film keramik seperti alumina dan silika memberikan perlindungan untuk komponen otomotif dan kedirgantaraan aluminium.
• titanium– Kekerasan, daya rekat, dan ketahanan korosi titanium dapat ditingkatkan melalui pelapis seperti TiN, kromium nitrida, dan karbon seperti berlian yang didoping logam. Film-film ini memungkinkan implan medis titanium dan komponen luar angkasa untuk menahan benturan dan korosi dengan lebih baik.
• Karbida– Substrat silikon karbida, tungsten karbida, dan boron karbida dilapisi dengan film tipis untuk lebih mengoptimalkan kekerasan dan ketahanan termal/oksidasinya untuk aplikasi perkakas. Film multilayer sering diterapkan.
• Plastik dan Polimer– Lapisan keras seperti DLC, kromium nitrida, dan silikon oksida yang diendapkan ke komponen plastik meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan gores sekaligus mempertahankan sifat curah seperti fleksibilitas dan kekuatan benturan.
• Keramik– Ketahanan aus dan korosi bagian keramik yang terbuat dari alumina, zirkonia, silikon karbida, dan silikon nitrida dapat ditingkatkan melalui pengendapan film tipis nitrida logam, oksida, dan karbida.

Peralatan dan Bahan Habis Pakai

Deposisi film keras bergantung pada peralatan teknologi vakum canggih untuk menyimpan lapisan dengan ketebalan hanya beberapa mikron dengan kontrol yang presisi.

• Ruang Vakum– Pelapisan diterapkan di ruang vakum yang menggunakan pompa untuk mencapai tingkat vakum tinggi hingga 10-6 torr. Ini memungkinkan bahan pelapis yang diuapkan untuk mencapai substrat tanpa bereaksi dengan gas. Chambers dibangun dari stainless steel atau kaca.
• Senjata Sputtering– Pistol sputtering Magnetron mengeluarkan atom dari bahan pelapis target menggunakan medan listrik. Atom-atom kemudian mengembun sebagai film tipis pada substrat. Magnet yang kuat membatasi pelepasan plasma pada permukaan target yang sputtering.
• Sumber Penguapan– Sumber seperti berkas elektron, termal, atau penguapan busur menggunakan suhu yang sangat tinggi untuk menguapkan bahan pelapis, memungkinkannya mengembun pada substrat.
• Pasokan Gas– Gas reaktif seperti nitrogen atau metana dimasukkan ke dalam bilik untuk bereaksi dengan bahan pelapis yang tergagap atau menguap untuk membentuk senyawa seperti nitrida atau karbida.
• Pemanas Substrat dan Bias– Elemen pemanas dan tegangan bias substrat meningkatkan adhesi dan memodifikasi struktur film dengan meningkatkan mobilitas permukaan atom yang diendapkan.
• Bahan Sasaran– Bahan target dengan kemurnian tinggi diperlukan untuk sumber pengendapan lapisan. Bahan umum termasuk titanium, kromium, aluminium, zirkonium, tungsten, karbon, dan silikon.
• Gas Proses– Gas seperti argon, nitrogen, dan asetilena digunakan untuk menghasilkan plasma atau bereaksi dengan bahan pelapis. Memasok gas proses kemurnian tinggi memastikan komposisi film yang tepat.

Langkah-langkah Proses

Menerapkan lapisan keras melalui deposisi uap melibatkan pemrosesan yang cermat untuk menghasilkan lapisan dengan sifat yang diinginkan.

1. Persiapan Permukaan– Permukaan substrat harus dibersihkan secara menyeluruh untuk menghilangkan minyak, oksida, dan kontaminan yang dapat mengurangi daya rekat lapisan. Grit blasting, pembersihan pelarut, dan etsa asam biasanya digunakan.
2. Bantalan– Komponen dipasang atau dipasang pada penahan khusus yang memungkinkan semua permukaan terlapisi secara merata. Barel yang berputar membantu memastikan cakupan yang seragam.
3. Pemanasan– Substrat sering dipanaskan terlebih dahulu hingga 150-500°C sebelum pengendapan untuk meningkatkan mobilitas permukaan atom pelapis dan meningkatkan daya rekat.
4. Endapan– Bahan pelapis diuapkan dengan sputtering, evaporation, atau arc vaporization, memungkinkan film tipis setebal mikron untuk mengembun pada substrat. Ini terjadi di lingkungan vakum tinggi.
5. Pengeboman Ion– Pengeboman ion energik selama pengendapan dapat meningkatkan adhesi dan densitas dengan meningkatkan difusi permukaan atom pelapis.
6. Tenang– Setelah pengendapan, komponen didinginkan di bawah atmosfir yang terkendali untuk mencegah oksidasi dan membiarkan tegangan sisa menjadi rileks.
7. Quality Control– Bagian yang dilapisi menjalani pengujian untuk memverifikasi ketebalan lapisan, daya rekat, kekerasan, dan kinerja melalui mikroskop, uji gores, uji keausan/korosi, dan analisis lainnya.

Persiapan permukaan yang hati-hati, kontrol proses pengendapan, dan pengujian pasca pelapisan memastikan kualitas dan sifat pelapisan yang optimal.

Aplikasi industri

Lapisan pelindung keras banyak digunakan di seluruh industri manufaktur untuk meningkatkan kinerja dan daya tahan komponen.

• Alat pemotong– Lapisan seperti titanium aluminium nitride (TiAlN), titanium carbonitride (TiCN), dan diamond-like carbon (DLC) yang diaplikasikan pada bor, mill, gergaji, dan alat potong lainnya secara signifikan meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus. Hal ini memungkinkan kecepatan pemotongan yang lebih tinggi dan masa pakai yang lebih lama.
• Cetakan dan Dies– Pelapis nitrida, karbida, dan DLC melindungi cetakan injeksi plastik dan cetakan pembentuk logam dari keausan abrasif dan korosi, sehingga memperpanjang masa pakainya. Pelapis umum termasuk CrN, TiAlN, dan tungsten carbide-carbon (WC/C).
• Komponen Minyak dan Gas Bumi– Mata bor downhole, katup, pompa, dan komponen minyak dan gas lainnya dilapisi dengan film TiN, TiAlN, atau intan yang sangat keras untuk menahan keausan abrasif dari pengeboran, produksi pasir, dan korosi dari air asin panas.
• Suku Cadang Dirgantara dan Otomotif– Komponen mesin, permukaan badan pesawat, bantalan, dan bagian lain dilapisi dengan film pelindung yang melindungi dari keausan, kelelahan, dan oksidasi suhu tinggi.
• Alat Kesehatan– Permukaan peralatan bedah, implan, dan peralatan medis dilapisi dengan film biokompatibel seperti DLC, TiN, dan TiAlN untuk meningkatkan kekerasan, kinerja keausan, dan ketahanan terhadap korosi.
• Pelapis Dekoratif– Pelapis keras dekoratif berwarna seperti TiN, ZrN, CrN, dan AlTiN diterapkan pada perhiasan, jam tangan, kacamata hitam, dan barang konsumen lainnya.

Lapisan keras meningkatkan daya tahan dan kinerja di hampir setiap sektor manufaktur.

Aplikasi dalam Perhiasan

Selain meningkatkan daya tahan, lapisan keras memberikan hasil akhir yang menarik untuk perhiasan dan aksesori fesyen.

• Pelapis Jam Pelindung– Casing dan tali jam tangan mewah sering kali dilapisi dengan lapisan tipis titanium nitrida (TiN), karbon seperti berlian (DLC), atau kromium nitrida (CrN) untuk meningkatkan ketahanan gores. Ini melindungi komponen arloji mahal dari kerusakan selama penggunaan sehari-hari.
• Perhiasan Fashion Berwarna– Pelapis TiN, zirkonium nitrida (ZrN), dan kromium nitrida yang diendapkan uap memberikan sentuhan akhir emas, biru, hitam, dan abu-abu yang menawan pada potongan perhiasan fashion murah yang terbuat dari baja tahan karat atau kuningan.
• Pengaturan Batu Permata yang Disempurnakan– Menerapkan lapisan tipis rhodium atau ruthenium ke pengaturan perhiasan emas putih atau perak meningkatkan kekerasan dan mengurangi keausan untuk mengamankan batu permata dengan lebih baik dan mempertahankan penampilan seperti baru bahkan setelah bertahun-tahun digunakan secara teratur.
• Peningkatan Kekerasan Permukaan– Pelapis DLC dan keramik seperti titanium oksida atau silikon dioksida dapat diterapkan pada perhiasan untuk meningkatkan ketahanan terhadap goresan permukaan, abrasi, dan noda. Ini mempertahankan tampilan berkilau seperti baru dari waktu ke waktu.
• Pelapis Dekoratif pada Teknologi yang Dapat Dipakai– Lapisan dekoratif yang keras menambah daya tarik estetika pada perangkat yang dapat dikenakan termasuk jam tangan pintar, pelacak kebugaran, dan headset VR/AR, memungkinkan merek untuk membedakan berdasarkan penampilan.

Pelapis keras yang tahan lama dan menarik meningkatkan umur panjang dan daya tarik visual perhiasan, jam tangan, dan aksesori fesyen.

Perbandingan dengan Proses Pengerasan Permukaan Lainnya

Deposisi film keras berbeda dari teknik pengerasan permukaan tradisional dalam beberapa hal:

Karburasi dan Nitriding

Carburizing dan nitriding menyebarkan karbon atau nitrogen ke permukaan paduan seperti baja untuk membuat senyawa keras. Kekerasannya hanya mencapai kedalaman 0.1-0.5 mm. Film dapat melapisi bahan apapun dan mencapai kekerasan > 2X dari nitridasi.

Induksi dan Pengerasan Api

Dengan induksi atau pengerasan api, siklus termal secara selektif hanya mengeraskan lapisan permukaan bagian seperti roda gigi dan bantalan. Deposisi film memungkinkan pelapisan yang disesuaikan pada semua permukaan.

Teknologi untuk Deposisi Film Keras

Ada beberapa teknologi pengendapan uap yang digunakan untuk menerapkan lapisan keras:

Deposisi Sputter

Dalam pengendapan sputter, pengeboman ion energetik mengeluarkan atom dari target padat, memungkinkan atom mengembun sebagai film tipis pada substrat. Sputtering magnetron umumnya digunakan untuk menyimpan bahan seperti titanium nitrida dan kromium nitrida.

Deposisi Busur Katodik

Busur listrik menguapkan bahan pelapis dari target katoda, mengionisasi sebagian besar fluks. Hal ini memungkinkan pengendapan lapisan keramik yang sangat keras seperti titanium aluminium nitrida pada suhu yang relatif rendah.

Deposisi Laser Berdenyut

Laser berdenyut daya tinggi mengikis material dari target untuk membuat gumpalan plasma yang menyimpan lapisan pada substrat dalam ruang vakum. Proses ini memungkinkan kontrol ketebalan dan komposisi film yang baik.

Deposisi Berkas Elektron

Sebuah evaporator berkas elektron membombardir bahan pelapis, memanaskannya ke titik penguapan untuk pengendapan film tipis. Laju pengendapan yang tinggi dimungkinkan, tetapi proses ini sulit dikendalikan.

Deposisi Uap Fisik (PVD)

Teknik PVD seperti sputtering dan evaporasi secara fisik menguapkan bahan pelapis untuk menyimpan film tipis. Metode PVD umum termasuk sputtering magnetron, penguapan termal, dan penguapan berkas elektron.

Deposisi Uap Kimia (CVD)

CVD menggunakan reaksi kimia antara gas prekursor untuk menyimpan film pada substrat yang dipanaskan. CVD tekanan rendah dan CVD plasma yang disempurnakan memungkinkan pelapisan pada geometri kompleks.

Setiap teknologi memiliki keunggulannya sendiri dalam hal kontrol, kemungkinan pelapisan, tingkat pengendapan, dan biaya. PVD dan CVD keduanya memainkan peran penting dalam aplikasi deposisi film keras.