Čo je nanášanie pevného filmu?

Základ nanášania tvrdého filmu

Nanášanie tvrdého filmu sa týka procesu nanášania tenkých, tvrdých povlakov na podkladový materiál na zlepšenie povrchových vlastností, ako je odolnosť proti opotrebovaniu, ochrana proti korózii alebo výkon tepelnej bariéry. Povlaky, typicky hrubé 1-10 mikrónov, sa vytvárajú kondenzáciou odparených legujúcich prvkov a zlúčenín na povrchu substrátu. Táto technika povrchového inžinierstva umožňuje výrobcom zvýšiť tvrdosť, klzkosť, odolnosť voči oxidácii alebo iné charakteristiky základných materiálov bez ovplyvnenia ich objemových vlastností.

Účely nanášania tvrdého filmu

Nanášanie tvrdého filmu sa používa na zlepšenie povrchových vlastností materiálov rôznymi spôsobmi:

Odolnosť proti opotrebeniu

Jedným z hlavných cieľov nanášania tvrdého filmu je zlepšiť odolnosť komponentov proti opotrebovaniu. Tvrdé povlaky ako nitrid titánu (TiN) a nitrid chrómu (CrN) môžu minimalizovať abrazívne opotrebenie, opotrebenie adhézie a únavu povrchu dielov, ako sú rezné nástroje, súčasti motora a ložiská. Tvrdý povlak zabraňuje rýchlemu odstráneniu materiálu pri kontakte s inými povrchmi.

Ochrana proti korózii

Aplikácia povlakov, ako je TiN, nitrid hliníka a titánu (AlTiN) a amorfný uhlík podobný diamantu (DLC), vytvára bariéru, ktorá chráni podkladový substrát pred poškodením koróziou. To je obzvlášť užitočné pre časti vystavené vysokým teplotám, oxidačnému prostrediu a korozívnym médiám, ako sú kyseliny alebo slaná voda.

Tepelná bariéra

Niektoré materiály ako keramika a kovové zliatiny môžu izolovať komponenty pred vysokými teplotami. Nanášanie filmov oxidu zirkoničitého, oxidu chrómu alebo disilicidu molybdénu na lopatky turbín im umožňuje pracovať pri vyšších teplotách znížením prenosu tepla.

Dekoratívne povrchové úpravy

Tvrdé povlaky ako nitrid titánu a nitrid zirkónia vytvárajú na povrchoch atraktívne zlaté, modré alebo čierne povrchové úpravy. To umožňuje, aby šperky, módne doplnky a spotrebné výrobky mali jedinečné dekoratívne efekty a vzhľad.

Elektrické vlastnosti

Vodivé povlaky ako zlato, platina a karbidy kovov môžu modifikovať elektrické vlastnosti, ako je vodivosť a odpor. To umožňuje presné riadenie toku elektrického prúdu v komponentoch, ako sú senzory a polovodičové zariadenia.

Typy tvrdých náterov

Existujú rôzne kategórie tvrdých povlakov, ktoré je možné nanášať procesmi naparovania:

• Prechodné nitridy kovov – Bežne sa používajú veľmi tvrdé keramické nitridové zlúčeniny kovov ako titán, chróm a zirkónium. Nitrid titánu (TiN) poskytuje povlak zlatej farby s vynikajúcou odolnosťou proti korózii a tvrdosťou až do 2000 HV. Nitrid chrómu (CrN) má sivastý vzhľad a zachováva si tribologické vlastnosti pri vysokých teplotách.
• Prechodné karbidy kovov – Karbidy kovov ako karbid volfrámu (WC), karbid titánu (TiC) a karbid tantalu (TaC) vytvárajú extrémne tvrdé a odolné povlaky. Ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti oderu v porovnaní s nitridovými filmami. Karbidové filmy však môžu reagovať s oceľovými substrátmi pri vysokých teplotách.
• Keramické nátery – Nekovové keramické materiály vrátane oxidu hlinitého (Al2O3), oxidu zirkoničitého (ZrO2) a oxidu chrómu (Cr2O3) môžu izolovať proti teplu a korózii. Karbid kremíka (SiC) má nízku hustotu, vysokú tvrdosť a pevnosť.
• Uhlík podobný diamantu – Uhlíkové povlaky podobné diamantu (DLC) obsahujú zmes hybridizovaných uhlíkových atómov sp3 a sp2, ktoré poskytujú vlastnosti podobné diamantu. Amorfné DLC fólie ponúkajú výnimočnú tvrdosť, nízke trenie a chemickú inertnosť.
• Viacvrstvové nátery - Kombináciou vrstiev rôznych materiálov, ako je TiN a TiAlN, vznikajú povlaky, ktoré integrujú výhody každej látky. Viacvrstvové filmy majú tendenciu mať zlepšenú tvrdosť, lomovú húževnatosť a odolnosť voči oxidácii v porovnaní s jednotlivými vrstvami.

Materiály na nanášanie tvrdého filmu

Široká škála substrátových materiálov môže byť potiahnutá tvrdými filmami na zlepšenie ich povrchových vlastností a výkonu:

• oceľ– Oceľ je jedným z najbežnejších substrátov pokrytých tvrdými filmami. Povlaky ako TiN, TiCN, CrN a DLC sa aplikujú na oceľové komponenty, ako sú rezné nástroje, formy, časti motora a ložiská, aby sa zvýšila tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu a ochrana proti korózii.
• Hliník– Ľahké hliníkové zliatiny sú často potiahnuté, aby sa zlepšila odolnosť proti opotrebovaniu a oderu. Tvrdé anodizované povlaky a keramické filmy ako oxid hlinitý a oxid kremičitý poskytujú ochranu hliníkovým automobilovým a leteckým komponentom.
• titán– Tvrdosť, priľnavosť a odolnosť titánu proti korózii možno zvýšiť pomocou povlakov, ako je TiN, nitrid chrómu a kovom dopovaný diamant podobný uhlíku. Tieto fólie umožňujú titánovým lekárskym implantátom a leteckým častiam lepšie odolávať nárazom a korózii.
• Karbidy– Substráty z karbidu kremíka, karbidu volfrámu a karbidu bóru sú potiahnuté tenkými filmami, aby sa ďalej optimalizovala ich tvrdosť a tepelná/oxidačná odolnosť pre aplikácie v oblasti nástrojov. Často sa aplikujú viacvrstvové fólie.
• Plasty a polyméry– Tvrdé povlaky ako DLC, nitrid chrómu a oxid kremičitý nanesené na plastové komponenty zlepšujú tvrdosť povrchu a odolnosť proti poškriabaniu, pričom si zachovávajú objemové vlastnosti, ako je pružnosť a rázová húževnatosť.
• Keramika– Odolnosť keramických dielov vyrobených z oxidu hlinitého, oxidu zirkoničitého, karbidu kremíka a nitridu kremíka proti opotrebovaniu a korózii možno zvýšiť nanášaním tenkých vrstiev nitridov, oxidov a karbidov kovov.

Vybavenie a spotrebný materiál

Nanášanie tvrdého filmu sa spolieha na pokročilé zariadenia vákuovej technológie na nanášanie povlakov s hrúbkou len niekoľko mikrónov s presnou kontrolou.

• Vákuové komory– Nátery sa aplikujú vo vákuových komorách, ktoré využívajú pumpy na dosiahnutie vysokých úrovní vákua až do 10-6 torr. To umožňuje, aby sa odparené náterové hmoty dostali na substrát bez toho, aby reagovali s plynmi. Komory sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele alebo skla.
• Rozprašovacie pištole– Magnetrónové naprašovacie pištole vyhadzujú atómy terčového náterového materiálu pomocou elektrického poľa. Atómy potom kondenzujú ako tenký film na substráte. Výkonné magnety obmedzujú plazmový výboj na povrchu rozprašovacieho terča.
• Zdroje odparovania– Zdroje ako elektrónový lúč, tepelné alebo oblúkové odparovanie používajú veľmi vysoké teploty na odparovanie náterového materiálu, čo umožňuje jeho kondenzáciu na substrátoch.
• Dodávka plynu– Reaktívne plyny, ako je dusík alebo metán, sa zavádzajú do komory, aby reagovali s naprášeným alebo odpareným náterovým materiálom za vzniku zlúčenín, ako sú nitridy alebo karbidy.
• Ohrievače substrátu a predpätie- Vyhrievacie prvky a predpätie substrátu zlepšujú priľnavosť a modifikujú štruktúru filmu zvýšením povrchovej mobility uložených atómov.
• Cieľové materiály– Pre zdroj nanášania povlaku sú potrebné cieľové materiály s vysokou čistotou. Bežné materiály zahŕňajú titán, chróm, hliník, zirkónium, volfrám, uhlík a kremík.
• Procesné plyny– Plyny ako argón, dusík a acetylén sa používajú na generovanie plazmy alebo reakciu s náterovým materiálom. Dodávanie vysoko čistých procesných plynov zaisťuje správne zloženie filmu.

Procesné kroky

Nanášanie tvrdých povlakov pomocou naparovania zahŕňa starostlivé spracovanie, aby sa vytvorili povlaky s požadovanými vlastnosťami.

1. Príprava povrchu– Povrch podkladu musí byť dôkladne očistený, aby sa odstránili oleje, oxidy a nečistoty, ktoré môžu znížiť priľnavosť náteru. Bežne sa používa pieskovanie, čistenie rozpúšťadlom a leptanie kyselinou.
2. Montáž– Komponenty sú upevnené alebo namontované na špeciálnych držiakoch, ktoré umožňujú rovnomerné potiahnutie všetkých povrchov. Rotujúce valce pomáhajú zabezpečiť rovnomerné pokrytie.
3. Kúrenie– Substrát sa často pred nanášaním predhrieva na 150 – 500 °C, aby sa zvýšila povrchová pohyblivosť atómov povlaku a zlepšila sa priľnavosť.
4. Depozícia– Náterový materiál sa odparuje naprašovaním, naparovaním alebo oblúkovým odparovaním, čo umožňuje kondenzáciu tenkého filmu s hrúbkou len mikrónov na substráte. K tomu dochádza v prostredí vysokého vákua.
5. Iónové bombardovanie- Bombardovanie energetickými iónmi počas nanášania môže zlepšiť priľnavosť a hustotu zvýšením povrchovej difúzie atómov povlaku.
6. Ochladiť– Po nanesení sa komponenty ochladzujú v kontrolovanej atmosfére, aby sa zabránilo oxidácii a umožnilo sa uvoľnenie zvyškových napätí.
7. Kontrola kvality– Potiahnuté diely prechádzajú testovaním na overenie hrúbky povlaku, priľnavosti, tvrdosti a výkonu prostredníctvom mikroskopie, testovania škrabancov, testovania opotrebovania/korózie a iných analýz.

Dôkladná príprava povrchu, kontrola procesu nanášania a následné testovanie náteru zaisťujú optimálnu kvalitu a vlastnosti náteru.

Priemyselné aplikácie

Tvrdé ochranné nátery sa široko používajú vo výrobných odvetviach na zvýšenie výkonu a odolnosti komponentov.

• Rezacie nástroje– Povlaky ako nitrid titánu a hliníka (TiAlN), karbonitrid titánu (TiCN) a uhlík podobný diamantu (DLC) aplikované na vŕtačky, frézy, píly a iné rezné nástroje výrazne zvyšujú tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu. To umožňuje vyššiu rýchlosť rezania a dlhšiu životnosť.
• Formy a matrice– Nitridové, karbidové a DLC povlaky chránia plastové vstrekovacie formy a lisovnice na tvárnenie pred abrazívnym opotrebovaním a koróziou, čím predlžujú ich životnosť. Bežné povlaky zahŕňajú CrN, TiAlN a uhlík-karbid volfrámu (WC/C).
• Ropa a plyn komponenty– Vrtáky, ventily, čerpadlá a iné diely na ťažbu ropy a plynu sú potiahnuté mimoriadne tvrdým TiN, TiAlN alebo diamantovým filmom, aby odolali abrazívnemu opotrebovaniu pri vŕtaní, výrobe piesku a korózii z horúcich soľných roztokov.
• Letecké a automobilové diely– Komponenty motora, povrchy draku lietadla, ložiská a ďalšie časti sú potiahnuté ochrannými filmami, ktoré chránia proti opotrebovaniu, únave a oxidácii pri vysokej teplote.
• Zdravotnícke pomôcky– Povrchy chirurgických nástrojov, implantátov a lekárskych zariadení sú potiahnuté biokompatibilnými filmami, ako sú DLC, TiN a TiAlN, aby sa zlepšila tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu a odolnosť proti korózii.
• Dekoratívne nátery– Farebné dekoratívne tvrdé povlaky ako TiN, ZrN, CrN a AlTiN sa aplikujú na šperky, hodinky, slnečné okuliare a iné spotrebné predmety.

Tvrdé povlaky zvyšujú odolnosť a výkon v takmer každom výrobnom sektore.

Aplikácie v klenotníctve

Okrem zvýšenia odolnosti poskytujú tvrdé povlaky atraktívne povrchové úpravy šperkov a módnych doplnkov.

• Ochranné nátery hodiniek– Puzdrá a remienky luxusných hodiniek sú často potiahnuté tenkými filmami z nitridu titánu (TiN), uhlíka podobného diamantu (DLC) alebo nitridu chrómu (CrN), aby sa zvýšila odolnosť proti poškriabaniu. To chráni drahé komponenty hodiniek pred poškodením pri každodennom používaní.
• Farebné módne šperky– Naparené povlaky z TiN, nitridu zirkónia (ZrN) a nitridu chrómu poskytujú pútavý zlatý, modrý, čierny a sivý povrch na lacných módnych šperkoch vyrobených z nehrdzavejúcej ocele alebo mosadze.
• Vylepšené nastavenia drahokamov- Nanesenie tenkej vrstvy ródia alebo ruténia na biele zlaté alebo strieborné šperky zvyšuje tvrdosť a znižuje opotrebovanie, aby drahokamy lepšie zabezpečili a zachovali si vzhľad ako nový aj po rokoch pravidelného používania.
• Vylepšená povrchová tvrdosť– DLC a keramické povlaky, ako je oxid titaničitý alebo oxid kremičitý, sa môžu aplikovať na šperky, aby sa zlepšila odolnosť proti povrchovým škrabancom, oderu a zakaleniu. To si zachováva lesklý vzhľad ako nový v priebehu času.
• Dekoratívne nátery na nositeľnej technológii– Tvrdé dekoratívne nátery dodávajú nositeľným zariadeniam vrátane inteligentných hodiniek, fitness trackerov a VR/AR náhlavných súprav estetickú príťažlivosť, čo umožňuje značkám rozlišovať podľa vzhľadu.

Odolné, atraktívne tvrdé povlaky zvyšujú životnosť a vizuálnu príťažlivosť šperkov, hodiniek a módnych doplnkov.

Porovnanie s inými procesmi povrchového kalenia

Nanášanie tvrdého filmu sa líši od tradičných techník povrchového vytvrdzovania niekoľkými spôsobmi:

Nauhličovanie a nitridovanie

Nauhličovanie a nitridácia rozptýli uhlík alebo dusík na povrch zliatin, ako je oceľ, aby sa vytvorili tvrdé zlúčeniny. Tvrdosť siaha len do hĺbky 0.1-0.5 mm. Filmy môžu pokryť akýkoľvek materiál a dosiahnuť tvrdosť > 2x väčšiu ako pri nitridácii.

Indukcia a kalenie plameňom

Pri indukčnom alebo plameňovom kalení tepelný cyklus selektívne vytvrdzuje iba povrchovú vrstvu dielov, ako sú ozubené kolesá a ložiská. Nanášanie filmu umožňuje prispôsobené nátery na všetky povrchy.

Technológie na nanášanie tvrdého filmu

Na nanášanie tvrdých náterov sa používa niekoľko technológií naparovania:

Depozícia rozprašovaním

Pri naprašovaní bombardovanie energetickými iónmi vyvrhuje atómy z pevného terča, čo umožňuje atómom kondenzovať ako tenký film na substráte. Magnetrónové naprašovanie sa bežne používa na nanášanie materiálov, ako je nitrid titánu a nitrid chrómu.

Depozícia katódovým oblúkom

Elektrický oblúk odparuje poťahový materiál z katódového terča a ionizuje značnú časť toku. To umožňuje nanášanie veľmi tvrdých keramických povlakov, ako je nitrid titánu a hliníka, pri relatívne nízkych teplotách.

Pulzná laserová depozícia

Vysokovýkonný pulzný laser odoberá materiál z terča a vytvára plazmový oblak, ktorý nanáša povlak na substrát vo vákuovej komore. Tento proces umožňuje dobrú kontrolu hrúbky a zloženia filmu.

Depozícia elektrónovým lúčom

Výparník s elektrónovým lúčom bombarduje poťahový materiál a zahrieva ho až do bodu vyparovania na nanášanie tenkého filmu. Vysoké rýchlosti nanášania sú možné, ale tento proces môže byť ťažké kontrolovať.

Fyzikálne vylučovanie pár (PVD)

Techniky PVD, ako je naprašovanie a vyparovanie, fyzikálne odparujú náterové materiály na nanášanie tenkých vrstiev. Bežné metódy PVD zahŕňajú magnetrónové naprašovanie, tepelné odparovanie a odparovanie elektrónovým lúčom.

Chemická depozícia z pár (CVD)

CVD využíva chemické reakcie medzi prekurzorovými plynmi na nanášanie filmov na zahrievané substráty. Nízkotlakové CVD a plazmou vylepšené CVD umožňujú povlaky na zložitých geometriách.

Každá technológia má svoje vlastné výhody, pokiaľ ide o kontrolu, možné povlaky, rýchlosť nanášania a náklady. PVD a CVD hrajú rozhodujúcu úlohu v aplikáciách nanášania tvrdých vrstiev.