Apakah Pemendapan Filem Keras?

Asas Pemendapan Filem Keras

Pemendapan filem keras merujuk kepada proses mendepositkan salutan nipis dan keras pada bahan substrat untuk meningkatkan sifat permukaan seperti rintangan haus, perlindungan kakisan atau prestasi penghalang haba. Salutan, biasanya setebal 1-10 mikron, dicipta dengan memeluwapkan unsur pengaloian terwap dan sebatian ke permukaan substrat. Teknik kejuruteraan permukaan ini membolehkan pengeluar meningkatkan kekerasan, pelinciran, rintangan pengoksidaan, atau ciri-ciri lain bahan asas tanpa menjejaskan sifat pukalnya.

Tujuan Pemendapan Filem Keras

Pemendapan filem keras digunakan untuk meningkatkan sifat permukaan bahan dalam pelbagai cara:

Pakai Rintangan

Salah satu matlamat utama pemendapan filem keras adalah untuk meningkatkan rintangan haus komponen. Salutan keras seperti titanium nitrida (TiN) dan kromium nitrida (CrN) boleh meminimumkan haus kasar, haus lekatan dan keletihan permukaan pada bahagian seperti alat pemotong, komponen enjin dan galas. Salutan keras menghalang penyingkiran bahan dengan cepat semasa bersentuhan dengan permukaan lain.

Perlindungan Korosi

Penggunaan salutan seperti TiN, aluminium titanium nitride (AlTiN), dan karbon seperti berlian (DLC) amorfus mewujudkan penghalang yang melindungi substrat asas daripada kerosakan kakisan. Ini amat berguna untuk bahagian yang terdedah kepada suhu tinggi, persekitaran oksidatif dan media menghakis seperti asid atau air masin.

Penghalang Terma

Sesetengah bahan seperti seramik dan aloi logam boleh melindungi komponen daripada suhu tinggi. Memendapkan filem zirkonium oksida, kromium oksida, atau disilicide molibdenum pada bilah turbin membolehkannya beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dengan mengurangkan pemindahan haba.

Kemasan Hiasan

Salutan keras seperti titanium nitrida dan zirkonium nitrida menghasilkan kemasan berwarna emas, biru atau hitam yang menarik pada permukaan. Ini membolehkan barang kemas, aksesori fesyen dan produk pengguna mempunyai kesan dan penampilan hiasan yang unik.

Sifat Elektrik

Salutan konduktif seperti emas, platinum dan karbida logam boleh mengubah suai sifat elektrik seperti kekonduksian dan rintangan. Ini membolehkan kawalan tepat aliran arus elektrik dalam komponen seperti penderia dan peranti semikonduktor.

Jenis Salutan Keras

Terdapat pelbagai kategori salutan keras yang boleh digunakan melalui proses pemendapan wap:

• Nitrida Logam Peralihan – Sebatian nitrida seramik yang sangat keras bagi logam seperti titanium, kromium dan zirkonium biasanya digunakan. Titanium nitride (TiN) menyediakan salutan berwarna emas dengan rintangan kakisan dan kekerasan yang sangat baik sehingga 2000 HV. Chromium nitride (CrN) mempunyai rupa kelabu dan mengekalkan sifat tribologi pada suhu tinggi.
• Karbida Logam Peralihan – Karbida logam seperti tungsten karbida (WC), titanium karbida (TiC), dan tantalum karbida (TaC) menghasilkan salutan yang sangat keras dan tahan lama. Mereka menawarkan rintangan lelasan yang unggul berbanding dengan filem nitrida. Walau bagaimanapun, filem karbida mungkin bertindak balas dengan substrat keluli pada suhu tinggi.
• Salutan Seramik – Bahan seramik bukan logam termasuk alumina (Al2O3), zirkonia (ZrO2), dan kromium oksida (Cr2O3) boleh melindungi daripada haba dan kakisan. Silikon karbida (SiC) mempunyai ketumpatan rendah, kekerasan tinggi dan kekuatan.
• Karbon seperti berlian – Salutan karbon seperti berlian (DLC) mengandungi campuran atom karbon terhibrid sp3 dan sp2, yang memberikan sifat seperti berlian. Filem DLC amorfus menawarkan kekerasan yang luar biasa, geseran rendah dan lengai kimia.
• Salutan Berbilang Lapisan – Menggabungkan lapisan bahan yang berbeza seperti TiN dan TiAlN menghasilkan salutan yang menyepadukan faedah setiap bahan. Filem berbilang lapisan cenderung mempunyai kekerasan, keliatan patah dan rintangan pengoksidaan yang lebih baik berbanding dengan lapisan tunggal.

Bahan untuk Pemendapan Filem Keras

Pelbagai bahan substrat boleh disalut dengan filem keras untuk meningkatkan sifat permukaan dan prestasinya:

• Steel– Keluli adalah salah satu substrat yang paling biasa disalut dengan filem keras. Salutan seperti TiN, TiCN, CrN dan DLC digunakan pada komponen keluli seperti alat pemotong, acuan, bahagian enjin dan galas untuk meningkatkan kekerasan, rintangan haus dan perlindungan kakisan.
• aluminium– Aloi aluminium ringan sering disalut untuk meningkatkan rintangan haus dan lelasan. Salutan beranod keras dan filem seramik seperti alumina dan silika memberikan perlindungan untuk komponen automotif dan aeroangkasa aluminium.
• Titanium– Kekerasan, lekatan dan rintangan kakisan titanium boleh dipertingkatkan melalui salutan seperti TiN, kromium nitrida dan karbon seperti berlian yang didop logam. Filem ini membenarkan implan perubatan titanium dan bahagian aeroangkasa untuk menahan kesan dan kakisan dengan lebih baik.
• Karbida– Substrat silikon karbida, tungsten karbida dan boron karbida disalut dengan filem nipis untuk mengoptimumkan lagi kekerasan dan rintangan haba/pengoksidaan untuk aplikasi perkakas. Filem berbilang lapisan sering digunakan.
• Plastik dan Polimer– Salutan keras seperti DLC, kromium nitrida dan silikon oksida yang didepositkan pada komponen plastik meningkatkan kekerasan permukaan dan rintangan calar sambil mengekalkan sifat pukal seperti fleksibiliti dan kekuatan hentaman.
• Ceramics– Rintangan haus dan kakisan bahagian seramik yang diperbuat daripada alumina, zirkonia, silikon karbida, dan silikon nitrida boleh dipertingkatkan melalui pemendapan filem nipis logam nitrida, oksida dan karbida.

Peralatan dan barang habis pakai

Pemendapan filem keras bergantung pada peralatan teknologi vakum canggih untuk mendepositkan salutan hanya beberapa mikron tebal dengan kawalan yang tepat.

• Ruang Vakum– Salutan digunakan dalam ruang vakum yang menggunakan pam untuk mencapai tahap vakum yang tinggi hingga 10-6 torr. Ini membolehkan bahan salutan terwap sampai ke substrat tanpa bertindak balas dengan gas. Bilik dibina daripada keluli tahan karat atau kaca.
• Senapang Memercik– Senapang sputtering magnetron mengeluarkan atom bahan salutan sasaran menggunakan medan elektrik. Atom-atom itu kemudiannya mengembun sebagai filem nipis pada substrat. Magnet berkuasa mengehadkan pelepasan plasma pada permukaan sasaran yang memercik.
• Sumber Penyejatan– Sumber seperti pancaran elektron, terma atau pengewapan arka menggunakan suhu yang sangat tinggi untuk menyejat bahan salutan, membolehkan ia terpeluwap pada substrat.
• Bekalan Gas– Gas reaktif seperti nitrogen atau metana dimasukkan ke dalam ruang untuk bertindak balas dengan bahan salutan yang terpercik atau tersejat untuk membentuk sebatian seperti nitrida atau karbida.
• Pemanas Substrat dan Bias– Elemen pemanasan dan voltan pincang substrat meningkatkan lekatan dan mengubah suai struktur filem dengan meningkatkan mobiliti permukaan atom termendap.
• Bahan Sasaran– Bahan sasaran ketulenan tinggi diperlukan untuk sumber pemendapan salutan. Bahan biasa termasuk titanium, kromium, aluminium, zirkonium, tungsten, karbon, dan silikon.
• Proses Gas– Gas seperti argon, nitrogen, dan asetilena digunakan untuk menjana plasma atau bertindak balas dengan bahan salutan. Membekalkan gas proses ketulenan tinggi memastikan komposisi filem yang betul.

Langkah Proses

Memohon salutan keras melalui pemendapan wap melibatkan pemprosesan yang teliti untuk menghasilkan salutan dengan sifat yang diingini.

1. Persediaan permukaan– Permukaan substrat mesti dibersihkan dengan teliti untuk menghilangkan minyak, oksida dan bahan cemar yang boleh mengurangkan lekatan salutan. Peletupan pasir, pembersihan pelarut, dan pengelasan asid biasanya digunakan.
2. Mounting– Komponen dipasang atau dipasang pada pemegang khas yang membolehkan semua permukaan disalut sama rata. Tong berputar membantu memastikan liputan seragam.
3. Pemanas– Substrat selalunya dipanaskan hingga 150-500°C sebelum pemendapan untuk meningkatkan mobiliti permukaan atom salutan dan meningkatkan lekatan.
4. Pemendapan– Bahan salutan diwap dengan percikan, penyejatan, atau pengewapan arka, membenarkan filem nipis setebal mikron sahaja untuk terpeluwap pada substrat. Ini berlaku dalam persekitaran vakum yang tinggi.
5. Pengeboman Ion– Pengeboman ion bertenaga semasa pemendapan boleh meningkatkan lekatan dan ketumpatan dengan meningkatkan resapan permukaan atom salutan.
6. Cool Down– Selepas pemendapan, komponen disejukkan di bawah suasana terkawal untuk mengelakkan pengoksidaan dan membenarkan tekanan sisa mengendur.
7. Kawalan Kualiti– Bahagian bersalut menjalani ujian untuk mengesahkan ketebalan salutan, lekatan, kekerasan, dan prestasi melalui mikroskop, ujian calar, ujian haus/kakisan, dan analisis lain.

Penyediaan permukaan yang teliti, kawalan proses pemendapan, dan ujian pasca salutan memastikan kualiti optimum dan sifat salutan.

Aplikasi Perindustrian

Salutan pelindung keras digunakan secara meluas di seluruh industri pembuatan untuk meningkatkan prestasi dan ketahanan komponen.

• Cutting Tools– Salutan seperti titanium aluminium nitrida (TiAlN), titanium carbonitride (TiCN), dan karbon seperti berlian (DLC) yang digunakan pada gerudi, kilang, gergaji dan alat pemotong lain dengan ketara meningkatkan kekerasan dan rintangan haus. Ini membolehkan kelajuan pemotongan yang lebih tinggi dan hayat perkhidmatan yang lebih lama.
• Acuan dan Mati– Salutan nitrida, karbida dan DLC melindungi acuan suntikan plastik dan cetakan logam daripada haus dan kakisan yang melelas, memanjangkan hayatnya. Salutan biasa termasuk CrN, TiAlN, dan tungsten karbida-karbon (WC/C).
• Komponen Minyak dan Gas– Bit gerudi lubang bawah, injap, pam dan bahagian minyak dan gas yang lain disalut dengan filem TiN, TiAlN atau berlian yang sangat keras untuk menahan haus kasar daripada penggerudian, pengeluaran pasir dan kakisan daripada air garam panas.
• Bahagian Aeroangkasa dan Automotif– Komponen enjin, permukaan kerangka udara, galas dan bahagian lain disalut dengan filem pelindung yang melindungi daripada haus, keletihan dan pengoksidaan suhu tinggi.
• Peralatan Perubatan– Alat pembedahan, implan dan permukaan peralatan perubatan disalut dengan filem biokompatibel seperti DLC, TiN dan TiAlN untuk meningkatkan kekerasan, prestasi haus dan rintangan kakisan.
• Lapisan Hiasan– Salutan keras hiasan berwarna seperti TiN, ZrN, CrN dan AlTiN digunakan pada barang kemas, jam tangan, cermin mata hitam dan barangan pengguna lain.

Salutan keras meningkatkan ketahanan dan prestasi di hampir setiap sektor pembuatan.

Aplikasi dalam Barang Kemas

Selain meningkatkan ketahanan, salutan keras memberikan kemasan yang menarik untuk perhiasan dan aksesori fesyen.

• Salutan Jam Tangan Pelindung– Sarung dan jalur jam tangan mewah selalunya disalut dengan filem nipis titanium nitrida (TiN), karbon seperti berlian (DLC), atau kromium nitrida (CrN) untuk meningkatkan rintangan calar. Ini melindungi komponen jam tangan yang mahal daripada kerosakan semasa penggunaan harian.
• Barang Kemas Fesyen Berwarna– Salutan terdeposit wap TiN, zirkonium nitrida (ZrN), dan kromium nitrida memberikan kemasan emas, biru, hitam dan kelabu yang menarik perhatian pada barang kemas fesyen murah yang diperbuat daripada keluli tahan karat atau loyang.
• Tetapan Batu Permata yang Dipertingkatkan– Sapukan lapisan nipis rhodium atau ruthenium pada tetapan perhiasan emas putih atau perak meningkatkan kekerasan dan mengurangkan haus kepada batu permata yang lebih selamat dan mengekalkan penampilan seperti baharu walaupun selepas bertahun-tahun penggunaan biasa.
• Kekerasan Permukaan yang Diperbaiki– DLC dan salutan seramik seperti titanium oksida atau silikon dioksida boleh digunakan pada barang kemas untuk meningkatkan ketahanan terhadap calar permukaan, lelasan dan kekotoran. Ini mengekalkan rupa yang berkilat seperti baharu dari semasa ke semasa.
• Salutan Hiasan pada Teknologi Boleh Dipakai– Salutan hiasan keras menambah daya tarikan estetik pada peranti boleh pakai termasuk jam tangan pintar, penjejak kecergasan dan set kepala VR/AR, yang membolehkan jenama membezakan berdasarkan penampilan.

Salutan keras yang tahan lama dan menarik meningkatkan daya tahan dan daya tarikan visual barang kemas, jam tangan dan aksesori fesyen.

Perbandingan dengan Proses Pengerasan Permukaan Lain

Pemendapan filem keras berbeza daripada teknik pengerasan permukaan tradisional dalam beberapa cara:

Karburisasi dan Nitriding

Karburasi dan nitriding meresap karbon atau nitrogen ke dalam permukaan aloi seperti keluli untuk menghasilkan sebatian keras. Kekerasan hanya memanjang kedalaman 0.1-0.5mm. Filem boleh menyalut sebarang bahan dan mencapai kekerasan > 2X ganda daripada nitriding.

Induksi dan Pengerasan Api

Dengan aruhan atau pengerasan nyalaan, kitaran haba secara selektif mengeras hanya lapisan permukaan bahagian seperti gear dan galas. Pemendapan filem membenarkan salutan tersuai pada semua permukaan.

Teknologi untuk Pemendapan Filem Keras

Terdapat beberapa teknologi pemendapan wap yang digunakan untuk menggunakan salutan keras:

Pemendapan Sputter

Dalam pemendapan sputter, pengeboman ion bertenaga mengeluarkan atom daripada sasaran pepejal, membolehkan atom terpeluwap sebagai filem nipis pada substrat. Magnetron sputtering biasanya digunakan untuk mendepositkan bahan seperti titanium nitrida dan kromium nitride.

Pemendapan Arka Katodik

Arka elektrik mengewapkan bahan salutan daripada sasaran katod, mengionkan sebahagian besar fluks. Ini membolehkan pemendapan salutan seramik yang sangat keras seperti titanium aluminium nitrida pada suhu yang agak rendah.

Pemendapan Laser Berdenyut

Laser berdenyut berkuasa tinggi mengeluarkan bahan daripada sasaran untuk menghasilkan kepulan plasma yang memendapkan salutan pada substrat dalam ruang vakum. Proses ini membolehkan kawalan yang baik terhadap ketebalan dan komposisi filem.

Pemendapan Rasuk Elektron

Penyejat rasuk elektron mengebom bahan salutan, memanaskannya ke titik pengewapan untuk pemendapan filem nipis. Kadar pemendapan yang tinggi mungkin, tetapi proses ini sukar dikawal.

Pemendapan Wap Fizikal (PVD)

Teknik PVD seperti sputtering dan penyejatan secara fizikal mengewapkan bahan salutan untuk memendapkan filem nipis. Kaedah PVD biasa termasuk magnetron sputtering, penyejatan haba, dan penyejatan rasuk elektron.

Pemendapan Wap Kimia (CVD)

CVD menggunakan tindak balas kimia antara gas prekursor untuk mendepositkan filem pada substrat yang dipanaskan. CVD tekanan rendah dan CVD dipertingkatkan plasma membenarkan salutan pada geometri kompleks.

Setiap teknologi mempunyai kelebihan tersendiri dari segi kawalan, kemungkinan salutan, kadar pemendapan dan kos. PVD dan CVD kedua-duanya memainkan peranan penting dalam aplikasi pemendapan filem keras.