Co to jest osadzanie twardego filmu?

Podstawa osadzania twardej folii

Osadzanie twardej powłoki odnosi się do procesu osadzania cienkich, twardych powłok na materiale podłoża w celu poprawy właściwości powierzchni, takich jak odporność na zużycie, ochrona przed korozją lub działanie bariery termicznej. Powłoki, zwykle o grubości 1-10 mikronów, są tworzone przez kondensację odparowanych pierwiastków stopowych i związków na powierzchni podłoża. Ta technika inżynierii powierzchni pozwala producentom zwiększyć twardość, smarowność, odporność na utlenianie lub inne właściwości materiałów podstawowych bez wpływu na ich właściwości objętościowe.

Cele osadzania twardej folii

Osadzanie twardej warstwy jest wykorzystywane do poprawy właściwości powierzchni materiałów na różne sposoby:

Odporność na zużycie

Jednym z głównych celów osadzania twardych warstw jest poprawa odporności elementów na zużycie. Twarde powłoki, takie jak azotek tytanu (TiN) i azotek chromu (CrN), mogą zminimalizować zużycie ścierne, zużycie adhezyjne i zmęczenie powierzchni części, takich jak narzędzia skrawające, elementy silnika i łożyska. Twarda powłoka zapobiega szybkiemu usuwaniu materiału podczas kontaktu z innymi powierzchniami.

Ochrona przed korozją

Nakładanie powłok, takich jak TiN, azotek glinowo-tytanowy (AlTiN) i amorficzny diamentopodobny węgiel (DLC) tworzy barierę, która chroni podłoże przed korozją. Jest to szczególnie przydatne w przypadku części narażonych na działanie wysokich temperatur, środowisk utleniających i mediów powodujących korozję, takich jak kwasy lub słona woda.

Bariera termiczna

Niektóre materiały, takie jak ceramika i stopy metali, mogą izolować elementy przed wysokimi temperaturami. Osadzanie warstw tlenku cyrkonu, tlenku chromu lub dwukrzemku molibdenu na łopatkach turbin umożliwia im pracę w wyższych temperaturach poprzez zmniejszenie wymiany ciepła.

Wykończenia Dekoracyjne

Twarde powłoki, takie jak azotek tytanu i azotek cyrkonu, zapewniają atrakcyjne wykończenie powierzchni w kolorze złotym, niebieskim lub czarnym. Dzięki temu biżuteria, akcesoria modowe i produkty konsumenckie mają unikalne efekty dekoracyjne i wygląd.

Właściwości elektryczne

Powłoki przewodzące, takie jak złoto, platyna i węgliki metali, mogą modyfikować właściwości elektryczne, takie jak przewodnictwo i rezystancja. Pozwala to na precyzyjną kontrolę przepływu prądu elektrycznego w elementach takich jak czujniki i urządzenia półprzewodnikowe.

Rodzaje twardych powłok

Istnieją różne kategorie twardych powłok, które można nakładać w procesach osadzania z fazy gazowej:

• Azotki metali przejściowych – Powszechnie stosowane są bardzo twarde związki azotków ceramicznych metali, takich jak tytan, chrom i cyrkon. Azotek tytanu (TiN) zapewnia złotą powłokę o doskonałej odporności na korozję i twardości do 2000 HV. Azotek chromu (CrN) ma szarawy wygląd i zachowuje właściwości tribologiczne w wysokich temperaturach.
• Węgliki metali przejściowych – Węgliki metali, takie jak węglik wolframu (WC), węglik tytanu (TiC) i węglik tantalu (TaC), tworzą niezwykle twarde i trwałe powłoki. Oferują lepszą odporność na ścieranie w porównaniu z powłokami azotkowymi. Jednak warstwy węglików spiekanych mogą reagować z podłożami stalowymi w wysokich temperaturach.
• Powłoki ceramiczne – Niemetaliczne materiały ceramiczne, w tym tlenek glinu (Al2O3), tlenek cyrkonu (ZrO2) i tlenek chromu (Cr2O3), mogą izolować przed ciepłem i korozją. Węglik krzemu (SiC) ma niską gęstość, wysoką twardość i wytrzymałość.
• Węgiel podobny do diamentu – Powłoki z węgla podobnego do diamentu (DLC) zawierają mieszankę hybrydyzowanych atomów węgla sp3 i sp2, co zapewnia właściwości podobne do diamentu. Amorficzne folie DLC oferują wyjątkową twardość, niskie tarcie i obojętność chemiczną.
• Powłoki wielowarstwowe – Łączenie warstw różnych materiałów, takich jak TiN i TiAlN, tworzy powłoki łączące zalety każdej substancji. Folie wielowarstwowe mają zwykle lepszą twardość, odporność na pękanie i odporność na utlenianie w porównaniu z pojedynczymi warstwami.

Materiały do ​​osadzania twardych warstw

Szeroka gama materiałów podłoża może być pokryta twardymi filmami w celu poprawy ich właściwości powierzchniowych i wydajności:

• Stal– Stal jest jednym z najczęściej spotykanych podłoży powlekanych twardymi foliami. Powłoki takie jak TiN, TiCN, CrN i DLC są nakładane na elementy stalowe, takie jak narzędzia skrawające, formy, części silnika i łożyska, w celu zwiększenia twardości, odporności na zużycie i ochrony przed korozją.
• Aluminium– Lekkie stopy aluminium są często powlekane w celu zwiększenia odporności na zużycie i ścieranie. Powłoki anodowane na twardo i powłoki ceramiczne, takie jak tlenek glinu i krzemionka, zapewniają ochronę aluminiowych elementów samochodowych i lotniczych.
• Tytan– Twardość, przyczepność i odporność na korozję tytanu można zwiększyć za pomocą powłok, takich jak TiN, azotek chromu i węgiel diamentopodobny domieszkowany metalem. Folie te pozwalają tytanowym implantom medycznym i częściom lotniczym lepiej znosić uderzenia i korozję.
• Węgliki– Podłoża z węglika krzemu, węglika wolframu i węglika boru są powlekane cienkimi warstwami w celu dalszej optymalizacji ich twardości i odporności termicznej/utleniającej do zastosowań narzędziowych. Często stosuje się folie wielowarstwowe.
• Tworzywa sztuczne i polimery– Twarde powłoki, takie jak DLC, azotek chromu i tlenek krzemu, osadzane na plastikowych elementach poprawiają twardość powierzchni i odporność na zarysowania, zachowując jednocześnie właściwości objętościowe, takie jak elastyczność i udarność.
• Ceramika– Odporność na zużycie i korozję elementów ceramicznych wykonanych z tlenku glinu, tlenku cyrkonu, węglika krzemu i azotku krzemu można zwiększyć poprzez osadzanie cienkich warstw azotków, tlenków i węglików metali.

Sprzęt i materiały eksploatacyjne

Osadzanie twardych warstw opiera się na zaawansowanym sprzęcie technologii próżniowej do osadzania powłok o grubości zaledwie kilku mikronów z precyzyjną kontrolą.

• Komory próżniowe– Powłoki są nakładane w komorach próżniowych, które wykorzystują pompy do osiągania wysokiego poziomu próżni do 10-6 torów. Dzięki temu odparowane materiały powłokowe docierają do podłoża bez reagowania z gazami. Komory wykonane są ze stali nierdzewnej lub szkła.
• pistolety rozpylające– Magnetronowe pistolety napylające wyrzucają atomy docelowego materiału powłokowego za pomocą pola elektrycznego. Atomy następnie kondensują się jako cienka warstwa na podłożu. Silne magnesy ograniczają wyładowanie plazmy na powierzchni docelowej rozpylania.
• Źródła parowania– Źródła, takie jak wiązka elektronów, odparowanie termiczne lub łukowe, wykorzystują bardzo wysokie temperatury do odparowania materiału powłokowego, umożliwiając jego kondensację na podłożach.
• Zapas gazu– Do komory wprowadzane są reaktywne gazy, takie jak azot lub metan, które reagują z napylanym lub odparowanym materiałem powłokowym, tworząc związki, takie jak azotki lub węgliki.
• Podgrzewacze podłoża i odchylenie– Elementy grzejne i napięcie polaryzacji podłoża poprawiają adhezję i modyfikują strukturę filmu poprzez zwiększenie ruchliwości powierzchni osadzonych atomów.
• Materiały docelowe– Jako źródło osadzania powłoki wymagane są materiały docelowe o wysokiej czystości. Typowe materiały to tytan, chrom, aluminium, cyrkon, wolfram, węgiel i krzem.
• Gazy procesowe– Gazy takie jak argon, azot i acetylen są wykorzystywane do wytwarzania plazmy lub reakcji z materiałem powłokowym. Dostarczanie gazów procesowych o wysokiej czystości zapewnia odpowiedni skład filmu.

Kroki procesu

Nakładanie twardych powłok metodą osadzania z fazy gazowej wymaga starannej obróbki w celu wytworzenia powłok o pożądanych właściwościach.

1. Przygotowanie powierzchni– Powierzchnię podłoża należy dokładnie oczyścić z olejów, tlenków i zanieczyszczeń, które mogą zmniejszać przyczepność powłoki. Powszechnie stosuje się piaskowanie, czyszczenie rozpuszczalnikiem i trawienie kwasem.
2. Montowanie– Elementy są mocowane lub montowane na specjalnych uchwytach, które umożliwiają równomierne pokrycie wszystkich powierzchni. Obrotowe beczki pomagają zapewnić równomierne pokrycie.
3. Ogrzewanie– Podłoże jest często podgrzewane do temperatury 150-500°C przed osadzeniem, aby zwiększyć ruchliwość powierzchniową atomów powłoki i poprawić przyczepność.
4. Zeznanie– Materiał powłoki jest odparowywany przez napylanie katodowe, odparowywanie lub odparowywanie łukowe, co umożliwia kondensację cienkiej warstwy o grubości zaledwie mikronów na podłożu. Dzieje się tak w środowisku o wysokiej próżni.
5. Bombardowanie jonowe– Energetyczne bombardowanie jonami podczas osadzania może poprawić adhezję i gęstość poprzez zwiększenie dyfuzji powierzchniowej atomów powłoki.
6. Ochłonąć– Po osadzeniu komponenty są schładzane w kontrolowanej atmosferze, aby zapobiec utlenianiu i umożliwić rozluźnienie naprężeń szczątkowych.
7. Kontrola jakości– Powlekane części poddawane są testom w celu zweryfikowania grubości powłoki, przyczepności, twardości i wydajności za pomocą mikroskopii, testów zarysowania, testów zużycia/korozji i innych analiz.

Staranne przygotowanie powierzchni, kontrola procesu osadzania i testy po nałożeniu powłoki zapewniają optymalną jakość i właściwości powłoki.

Zastosowania przemysłowe

Twarde powłoki ochronne są szeroko stosowane w przemyśle wytwórczym w celu zwiększenia wydajności i trwałości komponentów.

• Narzędzia tnące– Powłoki, takie jak azotek tytanowo-aluminiowy (TiAlN), węglikoazotek tytanu (TiCN) i węgiel diamentopodobny (DLC) nakładane na wiertła, frezy, piły i inne narzędzia skrawające znacznie zwiększają twardość i odporność na zużycie. Pozwala to na wyższe prędkości skrawania i dłuższą żywotność.
• Formy i matryce– Powłoki azotkowe, węglikowe i DLC chronią plastikowe formy wtryskowe i matryce do formowania metali przed zużyciem ściernym i korozją, przedłużając ich żywotność. Typowe powłoki obejmują CrN, TiAlN i węglik wolframu-węgiel (WC/C).
• Komponenty naftowe i gazowe– Wiertła wiertnicze, zawory, pompy i inne części naftowe i gazowe są powlekane wyjątkowo twardymi warstwami TiN, TiAlN lub diamentowymi, aby były odporne na zużycie ścierne podczas wiercenia, produkcji piasku i korozji z gorących solanek.
• Części lotnicze i samochodowe– Elementy silnika, powierzchnie płatowca, łożyska i inne części są pokryte foliami ochronnymi, które chronią przed zużyciem, zmęczeniem i utlenianiem w wysokiej temperaturze.
• Urządzenia medyczne– Powierzchnie narzędzi chirurgicznych, implantów i sprzętu medycznego są powlekane biokompatybilnymi filmami, takimi jak DLC, TiN i TiAlN, aby poprawić twardość, zużycie i odporność na korozję.
• Powłoki dekoracyjne– Kolorowe dekoracyjne twarde powłoki, takie jak TiN, ZrN, CrN i AlTiN, są nakładane na biżuterię, zegarki, okulary przeciwsłoneczne i inne artykuły konsumpcyjne.

Twarde powłoki zwiększają trwałość i wydajność w prawie każdym sektorze produkcyjnym.

Zastosowania w biżuterii

Oprócz zwiększenia trwałości twarde powłoki zapewniają atrakcyjne wykończenie biżuterii i modnych akcesoriów.

• Powłoki ochronne na zegarki– Koperty i paski luksusowych zegarków są często powlekane cienkimi warstwami azotku tytanu (TiN), diamentopodobnego węgla (DLC) lub azotku chromu (CrN), aby zwiększyć odporność na zarysowania. Chroni to drogie elementy zegarka przed uszkodzeniem podczas codziennego użytkowania.
• Kolorowa Biżuteria Mody– Naparowywane powłoki TiN, azotku cyrkonu (ZrN) i azotku chromu zapewniają przyciągające wzrok złote, niebieskie, czarne i szare wykończenia niedrogiej biżuterii modowej wykonanej ze stali nierdzewnej lub mosiądzu.
• Ulepszone ustawienia kamieni szlachetnych– Nałożenie cienkiej warstwy rodu lub rutenu na elementy biżuterii z białego złota lub srebra zwiększa twardość i zmniejsza zużycie, aby lepiej zabezpieczyć kamienie szlachetne i zachować jak nowy wygląd nawet po latach regularnego użytkowania.
• Poprawiona twardość powierzchni– DLC i powłoki ceramiczne, takie jak tlenek tytanu lub dwutlenek krzemu, mogą być nakładane na biżuterię w celu zwiększenia odporności na zarysowania powierzchni, ścieranie i matowienie. Dzięki temu przez długi czas zachowuje lśniący, jak nowy wygląd.
• Powłoki dekoracyjne na Wearable Tech– Twarde powłoki dekoracyjne dodają estetyki urządzeniom do noszenia, w tym inteligentnym zegarkom, monitorom fitness i zestawom słuchawkowym VR/AR, umożliwiając markom różnicowanie się na podstawie wyglądu.

Trwałe, atrakcyjne twarde powłoki zwiększają zarówno trwałość, jak i atrakcyjność wizualną biżuterii, zegarków i akcesoriów modowych.

Porównanie z innymi procesami utwardzania powierzchni

Osadzanie twardej warstwy różni się od tradycyjnych technik utwardzania powierzchniowego na kilka sposobów:

Nawęglanie i azotowanie

Nawęglanie i azotowanie powodują dyfuzję węgla lub azotu na powierzchnię stopów, takich jak stal, tworząc twarde związki. Twardość rozciąga się tylko na głębokość 0.1-0.5 mm. Folie mogą pokrywać dowolny materiał i osiągać twardość > 2X większą niż w przypadku azotowania.

Hartowanie indukcyjne i płomieniowe

W przypadku hartowania indukcyjnego lub płomieniowego cykl termiczny selektywnie utwardza ​​tylko warstwę powierzchniową części, takich jak koła zębate i łożyska. Osadzanie folii umożliwia niestandardowe powłoki na wszystkich powierzchniach.

Technologie osadzania twardych warstw

Istnieje kilka technologii osadzania z fazy gazowej stosowanych do nakładania twardych powłok:

Osadzanie napylania

Podczas osadzania przez napylanie jonowe energiczne bombardowanie jonami wyrzuca atomy ze stałego celu, umożliwiając kondensację atomów w postaci cienkiej warstwy na podłożu. Rozpylanie magnetronowe jest powszechnie stosowane do osadzania materiałów, takich jak azotek tytanu i azotek chromu.

Osadzanie łuku katodowego

Łuk elektryczny odparowuje materiał powłoki z tarczy katodowej, jonizując znaczną część strumienia. Pozwala to na osadzanie bardzo twardych powłok ceramicznych, takich jak azotek tytanowo-aluminiowy w stosunkowo niskich temperaturach.

Impulsowe osadzanie laserowe

Impulsowy laser o dużej mocy usuwa materiał z celu, tworząc smugę plazmy, która osadza powłokę na podłożu w komorze próżniowej. Proces ten pozwala na dobrą kontrolę grubości i składu powłoki.

Osadzanie wiązką elektronów

Parownik z wiązką elektronów bombarduje materiał powłokowy, ogrzewając go do punktu odparowania w celu osadzania cienkiej warstwy. Możliwe są wysokie szybkości osadzania, ale proces ten może być trudny do kontrolowania.

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)

Techniki PVD, takie jak rozpylanie katodowe i odparowywanie, powodują fizyczne odparowanie materiałów powłokowych w celu osadzania cienkich warstw. Typowe metody PVD obejmują rozpylanie magnetronowe, odparowywanie termiczne i odparowywanie wiązką elektronów.

Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD)

CVD wykorzystuje reakcje chemiczne między gazami prekursorowymi do osadzania warstw na ogrzewanych podłożach. Niskociśnieniowe CVD i wzmocnione plazmą CVD umożliwiają powlekanie skomplikowanych geometrii.

Każda technologia ma swoje zalety pod względem kontroli, możliwych powłok, szybkości osadzania i kosztów. Zarówno PVD, jak i CVD odgrywają kluczową rolę w zastosowaniach osadzania twardych warstw.