O que é Deposição de Filme Duro?

Base da Deposição de Filme Duro

A deposição de película dura refere-se ao processo de depositar revestimentos finos e duros em um material de substrato para melhorar as propriedades da superfície, como resistência ao desgaste, proteção contra corrosão ou desempenho de barreira térmica. Os revestimentos, normalmente de 1 a 10 mícrons de espessura, são criados pela condensação de elementos de liga vaporizados e compostos na superfície do substrato. Essa técnica de engenharia de superfície permite que os fabricantes melhorem a dureza, lubricidade, resistência à oxidação ou outras características dos materiais de base sem afetar suas propriedades a granel.

Finalidades da Deposição de Filme Duro

A deposição de película dura é usada para melhorar as propriedades de superfície dos materiais de várias maneiras:

Resistência ao desgaste

Um dos principais objetivos da deposição de filmes duros é melhorar a resistência ao desgaste dos componentes. Revestimentos duros como nitreto de titânio (TiN) e nitreto de cromo (CrN) podem minimizar o desgaste abrasivo, o desgaste por adesão e a fadiga superficial em peças como ferramentas de corte, componentes do motor e rolamentos. O revestimento duro evita a rápida remoção do material durante o contato com outras superfícies.

Proteção contra corrosão

A aplicação de revestimentos como TiN, nitreto de titânio e alumínio (AlTiN) e carbono amorfo tipo diamante (DLC) cria uma barreira que protege o substrato subjacente contra danos causados ​​pela corrosão. Isso é especialmente útil para peças expostas a altas temperaturas, ambientes oxidativos e meios corrosivos como ácidos ou água salgada.

Barreira Térmica

Alguns materiais como cerâmica e ligas metálicas podem isolar componentes de altas temperaturas. O depósito de filmes de óxido de zircônio, óxido de cromo ou disilicida de molibdênio nas pás das turbinas permite que elas operem em temperaturas mais altas, reduzindo a transferência de calor.

Acabamentos Decorativos

Revestimentos duros como nitreto de titânio e nitreto de zircônio produzem acabamentos dourados, azuis ou pretos atraentes nas superfícies. Isso permite que joias, acessórios de moda e produtos de consumo tenham efeitos e aparências decorativas exclusivas.

Propriedades Elétricas

Revestimentos condutores como ouro, platina e carbonetos metálicos podem modificar propriedades elétricas como condutividade e resistência. Isso permite o controle preciso do fluxo de corrente elétrica em componentes como sensores e dispositivos semicondutores.

Tipos de Revestimentos Duros

Existem várias categorias de revestimentos duros que podem ser aplicados por meio de processos de deposição de vapor:

• Nitretos de Metal de Transição – Compostos de nitreto de cerâmica muito duros de metais como titânio, cromo e zircônio são comumente usados. O nitreto de titânio (TiN) fornece um revestimento dourado com excelente resistência à corrosão e dureza de até 2000 HV. O nitreto de cromo (CrN) tem uma aparência acinzentada e mantém as propriedades tribológicas em altas temperaturas.
• Carbonetos De Metal De Transição – Carbonetos de metal como carboneto de tungstênio (WC), carboneto de titânio (TiC) e carboneto de tântalo (TaC) produzem revestimentos extremamente duros e duráveis. Eles oferecem resistência à abrasão superior em comparação com os filmes de nitreto. No entanto, os filmes de carboneto podem reagir com substratos de aço em altas temperaturas.
• Revestimentos Cerâmicos – Materiais cerâmicos não metálicos, incluindo alumina (Al2O3), zircônia (ZrO2) e óxido de cromo (Cr2O3) podem isolar contra calor e corrosão. O carboneto de silício (SiC) tem baixa densidade, alta dureza e resistência.
• Carbono Tipo Diamante – Os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) contêm uma mistura de átomos de carbono hibridizados sp3 e sp2, que fornecem propriedades semelhantes às do diamante. Os filmes DLC amorfos oferecem dureza excepcional, baixo atrito e inércia química.
• Revestimentos Multicamadas – A combinação de camadas de diferentes materiais como TiN e TiAlN produz revestimentos que integram os benefícios de cada substância. Filmes multicamadas tendem a ter maior dureza, tenacidade à fratura e resistência à oxidação em comparação com camadas únicas.

Materiais para Deposição de Filme Duro

Uma ampla gama de materiais de substrato pode ser revestida com películas duras para melhorar suas propriedades de superfície e desempenho:

• Aço– O aço é um dos substratos mais comuns revestidos com películas duras. Revestimentos como TiN, TiCN, CrN e DLC são aplicados a componentes de aço como ferramentas de corte, moldes, peças de motor e rolamentos para aumentar a dureza, resistência ao desgaste e proteção contra corrosão.
• Alumínio– As ligas leves de alumínio são geralmente revestidas para melhorar a resistência ao desgaste e à abrasão. Revestimentos anodizados duros e filmes cerâmicos como alumina e sílica fornecem proteção para componentes automotivos e aeroespaciais de alumínio.
• Titânio– A dureza, adesão e resistência à corrosão do titânio podem ser aprimoradas por meio de revestimentos como TiN, nitreto de cromo e carbono tipo diamante dopado com metal. Esses filmes permitem que implantes médicos de titânio e peças aeroespaciais resistam melhor a impactos e corrosão.
• Carbonetos– Os substratos de carboneto de silício, carboneto de tungstênio e carboneto de boro são revestidos com filmes finos para otimizar ainda mais sua dureza e resistência térmica/oxidação para aplicações de ferramentas. Filmes multicamadas são frequentemente aplicados.
• Plásticos e Polímeros– Revestimentos duros como DLC, nitreto de cromo e óxido de silício depositados em componentes plásticos melhoram a dureza da superfície e a resistência a arranhões, mantendo as propriedades a granel, como flexibilidade e resistência ao impacto.
• Cerâmica– A resistência ao desgaste e à corrosão de peças de cerâmica feitas de alumina, zircônia, carboneto de silício e nitreto de silício pode ser aprimorada por meio da deposição de película fina de nitretos, óxidos e carbonetos metálicos.

Equipamentos e consumíveis

A deposição de filmes duros depende de equipamentos avançados de tecnologia a vácuo para depositar revestimentos de apenas alguns mícrons de espessura com controle preciso.

• Câmaras de Vácuo– Os revestimentos são aplicados em câmaras de vácuo que usam bombas para atingir altos níveis de vácuo de até 10-6 torr. Isso permite que materiais de revestimento vaporizados alcancem o substrato sem reagir com gases. As câmaras são construídas em aço inoxidável ou vidro.
• armas de pulverização catódica– As pistolas de pulverização catódica de magnetron ejetam átomos do material de revestimento alvo usando um campo elétrico. Os átomos então se condensam como um filme fino no substrato. Ímãs poderosos confinam a descarga de plasma na superfície alvo de pulverização.
• Fontes de evaporação– Fontes como feixe de elétrons, térmica ou vaporização de arco usam temperaturas muito altas para evaporar o material de revestimento, permitindo que ele se condense nos substratos.
• Suprimento de gás– Gases reativos como nitrogênio ou metano são introduzidos na câmara para reagir com o material de revestimento pulverizado ou evaporado para formar compostos como nitretos ou carbonetos.
• Aquecedores de substrato e polarização– Os elementos de aquecimento e a tensão de polarização do substrato melhoram a adesão e modificam a estrutura do filme, aumentando a mobilidade da superfície dos átomos depositados.
• Materiais alvo– Materiais alvo de alta pureza são necessários para a fonte de deposição de revestimento. Materiais comuns incluem titânio, cromo, alumínio, zircônio, tungstênio, carbono e silício.
• Gases de processo– Gases como argônio, nitrogênio e acetileno são usados ​​para gerar o plasma ou reagir com o material de revestimento. O fornecimento de gases de processo de alta pureza garante a composição adequada do filme.

Etapas do processo

A aplicação de revestimentos duros por deposição de vapor envolve um processamento cuidadoso para produzir revestimentos com as propriedades desejadas.

1. Preparação da superfície– A superfície do substrato deve ser completamente limpa para remover óleos, óxidos e contaminantes que podem reduzir a adesão do revestimento. Jateamento, limpeza com solvente e ataque ácido são comumente usados.
2. Montagem– Os componentes são fixados ou montados em suportes especiais que permitem que todas as superfícies sejam revestidas uniformemente. Barris rotativos ajudam a garantir uma cobertura uniforme.
3. Aquecimento– O substrato é frequentemente pré-aquecido a 150-500°C antes da deposição para aumentar a mobilidade da superfície dos átomos do revestimento e melhorar a adesão.
4. Deposição– O material de revestimento é vaporizado por pulverização catódica, evaporação ou vaporização de arco, permitindo que um filme fino de apenas mícrons de espessura se condense no substrato. Isso ocorre em um ambiente de alto vácuo.
5. bombardeio iônico– O bombardeio de íons energéticos durante a deposição pode melhorar a adesão e a densidade, aumentando a difusão superficial dos átomos do revestimento.
6. Esfriar– Após a deposição, os componentes são resfriados sob uma atmosfera controlada para evitar a oxidação e permitir que as tensões residuais relaxem.
7. Controle de qualidade– As peças revestidas passam por testes para verificar a espessura, adesão, dureza e desempenho do revestimento por meio de microscopia, teste de arranhões, teste de desgaste/corrosão e outras análises.

A preparação cuidadosa da superfície, o controle do processo de deposição e os testes pós-revestimento garantem qualidade e propriedades de revestimento ideais.

APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

Os revestimentos protetores rígidos são amplamente utilizados nas indústrias de manufatura para melhorar o desempenho e a durabilidade dos componentes.

• Ferramentas de corte– Revestimentos como nitreto de titânio e alumínio (TiAlN), carbonitreto de titânio (TiCN) e carbono tipo diamante (DLC) aplicados a brocas, fresas, serras e outras ferramentas de corte aumentam significativamente a dureza e a resistência ao desgaste. Isso permite velocidades de corte mais altas e vida útil mais longa.
• Moldes e matrizes– Os revestimentos de nitreto, carboneto e DLC protegem os moldes de injeção de plástico e matrizes de conformação de metal contra desgaste abrasivo e corrosão, prolongando sua vida útil. Revestimentos comuns incluem CrN, TiAlN e carboneto de tungstênio-carbono (WC/C).
• Componentes de Petróleo e Gás– Brocas de perfuração de fundo de poço, válvulas, bombas e outras peças de petróleo e gás são revestidas com películas extremamente duras de TiN, TiAlN ou diamante para resistir ao desgaste abrasivo da perfuração, produção de areia e corrosão de salmoura quente.
• Peças aeroespaciais e automotivas– Componentes do motor, superfícies da fuselagem, rolamentos e outras peças são revestidas com películas protetoras que protegem contra desgaste, fadiga e oxidação em altas temperaturas.
• Dispositivos Médicos– Ferramentas cirúrgicas, implantes e superfícies de equipamentos médicos são revestidas com filmes biocompatíveis como DLC, TiN e TiAlN para melhorar a dureza, o desempenho de desgaste e a resistência à corrosão.
• Revestimentos Decorativos– Revestimentos duros decorativos coloridos como TiN, ZrN, CrN e AlTiN são aplicados a joias, relógios, óculos de sol e outros itens de consumo.

Os revestimentos rígidos aumentam a durabilidade e o desempenho em quase todos os setores de fabricação.

Aplicações em Joias

Além de aumentar a durabilidade, os revestimentos rígidos fornecem acabamentos atraentes para joias e acessórios de moda.

• Revestimentos protetores para relógios– Caixas e pulseiras de relógios de luxo geralmente são revestidas com películas finas de nitreto de titânio (TiN), carbono tipo diamante (DLC) ou nitreto de cromo (CrN) para aumentar a resistência a arranhões. Isso protege os dispendiosos componentes do relógio contra danos durante o uso diário.
• Bijuterias coloridas– Revestimentos depositados por vapor de TiN, nitreto de zircônio (ZrN) e nitreto de cromo fornecem acabamentos atraentes em ouro, azul, preto e cinza em peças de joalheria baratas feitas de aço inoxidável ou latão.
• Configurações aprimoradas de pedras preciosas– A aplicação de uma fina camada de ródio ou rutênio em joias de ouro branco ou prata aumenta a dureza e reduz o desgaste para proteger melhor as pedras preciosas e manter a aparência de novas mesmo após anos de uso regular.
• Dureza superficial melhorada– DLC e revestimentos cerâmicos, como óxido de titânio ou dióxido de silício, podem ser aplicados a peças de joalheria para melhorar a resistência a arranhões, abrasão e manchas na superfície. Isso mantém uma aparência brilhante e como nova ao longo do tempo.
• Revestimentos decorativos em tecnologia vestível– Revestimentos decorativos rígidos adicionam apelo estético a dispositivos vestíveis, incluindo relógios inteligentes, rastreadores de fitness e fones de ouvido VR/AR, permitindo que as marcas se diferenciem com base na aparência.

Revestimentos rígidos duráveis ​​e atraentes aumentam a longevidade e o apelo visual de joias, relógios e acessórios de moda.

Comparação com outros processos de endurecimento de superfície

A deposição de película dura difere das técnicas tradicionais de endurecimento de superfície de várias maneiras:

Carburação e Nitretação

A carburação e a nitretação difundem carbono ou nitrogênio na superfície de ligas como o aço para criar compostos duros. A dureza estende-se apenas 0.1-0.5 mm de profundidade. Os filmes podem revestir qualquer material e atingir uma dureza > 2X maior que a da nitretação.

Endurecimento por indução e chama

Com indução ou endurecimento por chama, um ciclo térmico endurece seletivamente apenas a camada superficial de peças como engrenagens e rolamentos. A deposição de filme permite revestimentos personalizados em todas as superfícies.

Tecnologias para Deposição de Filme Duro

Existem várias tecnologias de deposição de vapor usadas para aplicar revestimentos duros:

Deposição por pulverização

Na deposição por pulverização, o bombardeio de íons energéticos ejeta átomos de um alvo sólido, permitindo que os átomos se condensem como um filme fino no substrato. A pulverização catódica de magnetron é comumente usada para depositar materiais como nitreto de titânio e nitreto de cromo.

Deposição de arco catódico

Um arco elétrico vaporiza o material de revestimento de um alvo catódico, ionizando uma parte significativa do fluxo. Isso permite a deposição de revestimentos cerâmicos muito duros, como nitreto de titânio e alumínio, a temperaturas relativamente baixas.

Deposição de Laser Pulsado

Um laser pulsado de alta potência remove o material de um alvo para criar uma pluma de plasma que deposita o revestimento no substrato em uma câmara de vácuo. Este processo permite um bom controle da espessura e composição do filme.

Deposição de feixe de elétrons

Um evaporador de feixe de elétrons bombardeia o material de revestimento, aquecendo-o até o ponto de vaporização para deposição de filme fino. Altas taxas de deposição são possíveis, mas esse processo pode ser difícil de controlar.

Deposição física de vapor (PVD)

As técnicas de PVD, como pulverização catódica e evaporação, vaporizam fisicamente os materiais de revestimento para depositar filmes finos. Métodos comuns de PVD incluem pulverização catódica, evaporação térmica e evaporação por feixe de elétrons.

Deposição química de vapor (CVD)

O CVD usa reações químicas entre gases precursores para depositar filmes em substratos aquecidos. CVD de baixa pressão e CVD aprimorado por plasma permitem revestimentos em geometrias complexas.

Cada tecnologia tem suas próprias vantagens em termos de controle, revestimentos possíveis, taxa de deposição e custo. PVD e CVD desempenham papéis críticos em aplicações de deposição de filmes duros.