Che cos'è la deposizione di film duri?

Base della deposizione di film duri

La deposizione di film duro si riferisce al processo di deposito di rivestimenti sottili e duri su un materiale di substrato per migliorare le proprietà superficiali come la resistenza all'usura, la protezione dalla corrosione o le prestazioni della barriera termica. I rivestimenti, tipicamente spessi 1-10 micron, vengono creati condensando elementi e composti di lega vaporizzati sulla superficie del substrato. Questa tecnica di ingegneria delle superfici consente ai produttori di migliorare la durezza, la lubrificazione, la resistenza all'ossidazione o altre caratteristiche dei materiali di base senza influire sulle loro proprietà di massa.

Scopi della deposizione di pellicole dure

La deposizione di film duri viene utilizzata per migliorare le proprietà superficiali dei materiali in vari modi:

Resistenza all'usura

Uno degli obiettivi principali della deposizione di film duro è migliorare la resistenza all'usura dei componenti. I rivestimenti duri come il nitruro di titanio (TiN) e il nitruro di cromo (CrN) possono ridurre al minimo l'usura da abrasione, l'usura da adesione e l'affaticamento superficiale su parti come utensili da taglio, componenti del motore e cuscinetti. Il rivestimento duro impedisce la rapida rimozione del materiale durante il contatto con altre superfici.

Protezione contro la corrosione

L'applicazione di rivestimenti come TiN, nitruro di alluminio e titanio (AlTiN) e carbonio amorfo simile al diamante (DLC) crea una barriera che protegge il substrato sottostante dai danni della corrosione. Ciò è particolarmente utile per parti esposte a temperature elevate, ambienti ossidativi e mezzi corrosivi come acidi o acqua salata.

Barriera Termica

Alcuni materiali come la ceramica e le leghe metalliche possono isolare i componenti dalle alte temperature. Il deposito di pellicole di ossido di zirconio, ossido di cromo o disiliciuro di molibdeno sulle pale delle turbine consente loro di funzionare a temperature più elevate riducendo il trasferimento di calore.

Finiture preziose

I rivestimenti duri come il nitruro di titanio e il nitruro di zirconio producono attraenti finiture color oro, blu o nero sulle superfici. Ciò consente a gioielli, accessori di moda e prodotti di consumo di avere effetti decorativi e aspetti unici.

Proprietà elettriche

I rivestimenti conduttivi come oro, platino e carburi metallici possono modificare proprietà elettriche come conduttività e resistenza. Ciò consente un controllo preciso del flusso di corrente elettrica in componenti come sensori e dispositivi a semiconduttore.

Tipi di rivestimenti duri

Esistono varie categorie di rivestimenti duri che possono essere applicati tramite processi di deposizione da vapore:

• Nitruri di metalli di transizione – Sono comunemente usati composti di nitruro ceramico molto duri di metalli come titanio, cromo e zirconio. Il nitruro di titanio (TiN) fornisce un rivestimento color oro con eccellente resistenza alla corrosione e durezza fino a 2000 HV. Il nitruro di cromo (CrN) ha un aspetto grigiastro e mantiene le proprietà tribologiche alle alte temperature.
• Carburi metallici di transizione – I carburi metallici come il carburo di tungsteno (WC), il carburo di titanio (TiC) e il carburo di tantalio (TaC) producono rivestimenti estremamente duri e durevoli. Offrono una resistenza all'abrasione superiore rispetto ai film di nitruro. Tuttavia, le pellicole di carburo possono reagire con substrati di acciaio ad alte temperature.
• Rivestimenti in ceramica – I materiali ceramici non metallici tra cui allumina (Al2O3), zirconia (ZrO2) e ossido di cromo (Cr2O3) possono isolare dal calore e dalla corrosione. Il carburo di silicio (SiC) ha bassa densità, elevata durezza e resistenza.
• Carbonio simile al diamante – I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) contengono una miscela di atomi di carbonio ibridi sp3 e sp2, che fornisce proprietà simili al diamante. I film DLC amorfi offrono durezza eccezionale, basso attrito e inerzia chimica.
• Rivestimenti multistrato – La combinazione di strati di materiali diversi come TiN e TiAlN produce rivestimenti che integrano i vantaggi di ciascuna sostanza. I film multistrato tendono ad avere una migliore durezza, tenacità alla frattura e resistenza all'ossidazione rispetto ai singoli strati.

Materiali per la deposizione di film duri

È possibile rivestire un'ampia gamma di materiali di supporto con pellicole dure per migliorarne le proprietà superficiali e le prestazioni:

• Armadi in Acciaio– L'acciaio è uno dei substrati più comuni rivestiti con film duri. Rivestimenti come TiN, TiCN, CrN e DLC vengono applicati a componenti in acciaio come utensili da taglio, stampi, parti di motori e cuscinetti per aumentare la durezza, la resistenza all'usura e la protezione dalla corrosione.
• Alluminio– Le leghe leggere di alluminio sono spesso rivestite per migliorare la resistenza all'usura e all'abrasione. I rivestimenti anodizzati duri e le pellicole ceramiche come l'allumina e la silice forniscono protezione per i componenti automobilistici e aerospaziali in alluminio.
• Titanio– La durezza, l'adesione e la resistenza alla corrosione del titanio possono essere migliorate attraverso rivestimenti come TiN, nitruro di cromo e carbonio simile al diamante drogato con metallo. Questi film consentono agli impianti medici in titanio e alle parti aerospaziali di resistere meglio agli urti e alla corrosione.
• Carburi– I substrati in carburo di silicio, carburo di tungsteno e carburo di boro sono rivestiti con film sottili per ottimizzare ulteriormente la loro durezza e resistenza termica/ossidativa per le applicazioni di utensili. Spesso vengono applicati film multistrato.
• Materie plastiche e polimeri– I rivestimenti duri come DLC, nitruro di cromo e ossido di silicio depositati sui componenti in plastica migliorano la durezza superficiale e la resistenza ai graffi pur mantenendo proprietà di massa come flessibilità e resistenza agli urti.
• Ceramici– La resistenza all'usura e alla corrosione delle parti in ceramica realizzate in allumina, zirconia, carburo di silicio e nitruro di silicio può essere migliorata attraverso la deposizione di un film sottile di nitruri metallici, ossidi e carburi.

Attrezzature e materiali di consumo

La deposizione di film duro si basa su apparecchiature avanzate con tecnologia del vuoto per depositare rivestimenti spessi solo pochi micron con un controllo preciso.

• Camere a vuoto– I rivestimenti vengono applicati in camere a vuoto che utilizzano pompe per raggiungere livelli di alto vuoto fino a 10-6 torr. Ciò consente ai materiali di rivestimento vaporizzati di raggiungere il substrato senza reagire con i gas. Le camere sono costruite in acciaio inossidabile o vetro.
• Pistole a spruzzo– Le pistole sputtering magnetron espellono gli atomi del materiale di rivestimento target utilizzando un campo elettrico. Gli atomi poi si condensano come una pellicola sottile sul substrato. Potenti magneti confinano la scarica di plasma sulla superficie del bersaglio sputtering.
• Fonti di evaporazione– Fonti come il fascio di elettroni, il calore o la vaporizzazione ad arco utilizzano temperature molto elevate per far evaporare il materiale di rivestimento, permettendogli di condensarsi sui substrati.
• Fornitura di gas– Gas reattivi come azoto o metano vengono introdotti nella camera per reagire con il materiale di rivestimento polverizzato o evaporato per formare composti come nitruri o carburi.
• Substrato Riscaldatori e Bias– Gli elementi riscaldanti e la tensione di polarizzazione del substrato migliorano l'adesione e modificano la struttura del film migliorando la mobilità superficiale degli atomi depositati.
• Materiali bersaglio– Sono richiesti materiali target di elevata purezza per la fonte di deposizione del rivestimento. I materiali comuni includono titanio, cromo, alluminio, zirconio, tungsteno, carbonio e silicio.
• Gas di processo– Gas come argon, azoto e acetilene vengono utilizzati per generare il plasma o reagire con il materiale di rivestimento. La fornitura di gas di processo ad elevata purezza garantisce una corretta composizione del film.

Passi di processo

L'applicazione di rivestimenti duri mediante deposizione di vapore comporta un'attenta lavorazione per produrre rivestimenti con le proprietà desiderate.

1. Preparazione della superficie– La superficie del supporto deve essere accuratamente pulita per rimuovere oli, ossidi e contaminanti che possono ridurre l'adesione del rivestimento. Sono comunemente usati sabbiatura, pulizia con solvente e incisione con acido.
2. Montaggio– I componenti sono fissati o montati su supporti speciali che consentono di rivestire uniformemente tutte le superfici. I cilindri rotanti aiutano a garantire una copertura uniforme.
3. Riscaldamento– Il substrato viene spesso preriscaldato a 150-500°C prima della deposizione per aumentare la mobilità superficiale degli atomi del rivestimento e migliorare l'adesione.
4. Deposizione– Il materiale di rivestimento viene vaporizzato mediante sputtering, evaporazione o vaporizzazione ad arco, consentendo la condensazione sul substrato di una pellicola sottile di soli micron di spessore. Ciò si verifica in un ambiente ad alto vuoto.
5. Bombardamento ionico– Il bombardamento ionico energetico durante la deposizione può migliorare l'adesione e la densità migliorando la diffusione superficiale degli atomi del rivestimento.
6. Calmati– Dopo la deposizione, i componenti vengono raffreddati in atmosfera controllata per prevenire l'ossidazione e consentire il rilassamento delle sollecitazioni residue.
7. Controllo di qualità– Le parti rivestite vengono sottoposte a test per verificare lo spessore del rivestimento, l'adesione, la durezza e le prestazioni tramite microscopia, test di graffio, test di usura/corrosione e altre analisi.

Un'attenta preparazione della superficie, il controllo del processo di deposizione e i test post-rivestimento garantiscono qualità e proprietà di rivestimento ottimali.

Applicazioni Industriali

I rivestimenti protettivi duri sono ampiamente utilizzati nelle industrie manifatturiere per migliorare le prestazioni e la durata dei componenti.

• utensili per il taglio– Rivestimenti come nitruro di titanio e alluminio (TiAlN), carbonitruro di titanio (TiCN) e carbonio simile al diamante (DLC) applicati a punte, frese, seghe e altri utensili da taglio aumentano significativamente la durezza e la resistenza all'usura. Ciò consente velocità di taglio più elevate e una maggiore durata.
• Muffe e muoiono– I rivestimenti in nitruro, carburo e DLC proteggono gli stampi a iniezione di materie plastiche e gli stampi per la formatura dei metalli dall'usura abrasiva e dalla corrosione, prolungandone la durata. I rivestimenti comuni includono CrN, TiAlN e carburo di tungsteno-carbonio (WC/C).
• Componenti per petrolio e gas– Punte da perforazione, valvole, pompe e altre parti di petrolio e gas sono rivestite con pellicole di TiN, TiAlN o diamante estremamente dure per resistere all'usura abrasiva dovuta alla perforazione, alla produzione di sabbia e alla corrosione da salamoia calda.
• Parti aerospaziali e automobilistiche- I componenti del motore, le superfici della cellula, i cuscinetti e altre parti sono rivestiti con pellicole protettive che proteggono dall'usura, dalla fatica e dall'ossidazione ad alta temperatura.
• Dispositivi medicali– Le superfici di strumenti chirurgici, impianti e apparecchiature mediche sono rivestite con pellicole biocompatibili come DLC, TiN e TiAlN per migliorare la durezza, le prestazioni all'usura e la resistenza alla corrosione.
• Rivestimenti decorativi– Rivestimenti duri decorativi colorati come TiN, ZrN, CrN e AlTiN vengono applicati a gioielli, orologi, occhiali da sole e altri articoli di consumo.

I rivestimenti duri migliorano la durata e le prestazioni in quasi tutti i settori manifatturieri.

Applicazioni in gioielleria

Oltre a migliorare la durata, i rivestimenti duri forniscono finiture attraenti per gioielli e accessori moda.

• Rivestimenti protettivi per orologi– Le casse e i cinturini degli orologi di lusso sono spesso rivestiti con pellicole sottili di nitruro di titanio (TiN), carbonio simile al diamante (DLC) o nitruro di cromo (CrN) per aumentare la resistenza ai graffi. Questo protegge i costosi componenti dell'orologio da danni durante l'uso quotidiano.
• Gioielli di moda colorati– I rivestimenti depositati a vapore di TiN, nitruro di zirconio (ZrN) e nitruro di cromo forniscono accattivanti finiture in oro, blu, nero e grigio su gioielli di moda economici realizzati in acciaio inossidabile o ottone.
• Impostazioni gemma migliorate- L'applicazione di un sottile strato di rodio o rutenio su castoni di gioielli in oro bianco o argento aumenta la durezza e riduce l'usura per proteggere meglio le pietre preziose e mantenere un aspetto come nuovo anche dopo anni di uso regolare.
• Durezza superficiale migliorata- I rivestimenti DLC e ceramici come l'ossido di titanio o il biossido di silicio possono essere applicati ai gioielli per migliorare la resistenza ai graffi superficiali, all'abrasione e all'ossidazione. Ciò mantiene un aspetto brillante e come nuovo nel tempo.
• Rivestimenti decorativi su tecnologia indossabile– I rivestimenti decorativi rigidi aggiungono fascino estetico ai dispositivi indossabili tra cui smartwatch, fitness tracker e visori VR/AR, consentendo ai marchi di differenziarsi in base all'aspetto.

I rivestimenti duri durevoli e attraenti migliorano sia la longevità che il fascino visivo di gioielli, orologi e accessori di moda.

Confronto con altri processi di indurimento superficiale

La deposizione di film duro differisce dalle tradizionali tecniche di indurimento superficiale in diversi modi:

Cementazione e nitrurazione

La cementazione e la nitrurazione diffondono carbonio o azoto sulla superficie di leghe come l'acciaio per creare composti duri. La durezza si estende solo per 0.1-0.5 mm di profondità. I film possono rivestire qualsiasi materiale e raggiungere una durezza > 2 volte quella della nitrurazione.

Induzione e tempra alla fiamma

Con l'induzione o la tempra alla fiamma, un ciclo termico indurisce selettivamente solo lo strato superficiale di parti come ingranaggi e cuscinetti. La deposizione del film consente rivestimenti personalizzati su tutte le superfici.

Tecnologie per la deposizione di film duri

Esistono diverse tecnologie di deposizione da vapore utilizzate per applicare rivestimenti duri:

Deposizione sputter

Nella deposizione sputter, il bombardamento ionico energetico espelle gli atomi da un bersaglio solido, consentendo agli atomi di condensarsi come una pellicola sottile sul substrato. Lo sputtering del magnetron è comunemente usato per depositare materiali come nitruro di titanio e nitruro di cromo.

Deposizione ad arco catodico

Un arco elettrico vaporizza il materiale di rivestimento da un bersaglio catodico, ionizzando una parte significativa del flusso. Ciò consente la deposizione di rivestimenti ceramici molto duri come il nitruro di titanio e alluminio a temperature relativamente basse.

Deposizione laser pulsata

Un laser pulsato ad alta potenza esegue l'ablazione del materiale da un bersaglio per creare un pennacchio di plasma che deposita il rivestimento sul substrato in una camera a vuoto. Questo processo consente un buon controllo dello spessore e della composizione del film.

Deposizione di fasci di elettroni

Un evaporatore a fascio di elettroni bombarda il materiale di rivestimento, riscaldandolo fino al punto di vaporizzazione per la deposizione di film sottili. Sono possibili tassi di deposito elevati, ma questo processo può essere difficile da controllare.

Deposizione fisica in fase di vapore (PVD)

Le tecniche PVD come lo sputtering e l'evaporazione vaporizzano fisicamente i materiali di rivestimento per depositare film sottili. I metodi PVD comuni includono lo sputtering del magnetron, l'evaporazione termica e l'evaporazione del fascio di elettroni.

Deposizione chimica in fase di vapore (CVD)

CVD utilizza reazioni chimiche tra gas precursori per depositare pellicole su substrati riscaldati. La CVD a bassa pressione e la CVD potenziata al plasma consentono rivestimenti su geometrie complesse.

Ogni tecnologia ha i suoi vantaggi in termini di controllo, rivestimenti possibili, tasso di deposizione e costo. PVD e CVD svolgono entrambi un ruolo fondamentale nelle applicazioni di deposizione di film duri.