Kaj je nanašanje trdega filma?

Osnova nanašanja trdega filma

Nanos trdega filma se nanaša na postopek nanosa tankih, trdih premazov na substratni material za izboljšanje lastnosti površine, kot so odpornost proti obrabi, zaščita pred korozijo ali učinkovitost toplotne pregrade. Prevleke, običajno debele 1-10 mikronov, nastanejo s kondenzacijo uparjenih legirnih elementov in spojin na površino podlage. Ta tehnika površinskega inženiringa proizvajalcem omogoča izboljšanje trdote, mazljivosti, odpornosti proti oksidaciji ali drugih lastnosti osnovnih materialov, ne da bi to vplivalo na njihove lastnosti v razsutem stanju.

Namen nanašanja trdega filma

Nanašanje trdega filma se uporablja za izboljšanje površinskih lastnosti materialov na različne načine:

Odpornost proti obrabi

Eden od glavnih ciljev nanašanja trdega filma je izboljšati odpornost komponent proti obrabi. Trdi premazi, kot sta titanov nitrid (TiN) in kromov nitrid (CrN), lahko zmanjšajo abrazivno obrabo, obrabo adhezije in površinsko utrujenost na delih, kot so rezalna orodja, komponente motorja in ležaji. Trda prevleka preprečuje hitro odstranjevanje materiala med stikom z drugimi površinami.

Korozijska zaščita

Nanašanje premazov, kot so TiN, aluminijev titanov nitrid (AlTiN) in amorfni diamantu podoben ogljik (DLC), ustvari oviro, ki ščiti osnovno podlago pred poškodbami zaradi korozije. To je še posebej uporabno za dele, ki so izpostavljeni visokim temperaturam, oksidativnim okoljem in jedkim medijem, kot so kisline ali slana voda.

Toplotna pregrada

Nekateri materiali, kot so keramika in kovinske zlitine, lahko izolirajo komponente pred visokimi temperaturami. Odlaganje filmov iz cirkonijevega oksida, kromovega oksida ali molibdenovega disilicida na lopatice turbine omogoča delovanje pri višjih temperaturah z zmanjšanjem prenosa toplote.

Dekorativni zaključki

Trdi premazi, kot sta titanov nitrid in cirkonijev nitrid, dajejo na površinah privlačne zlate, modre ali črne barve. To omogoča, da imajo nakit, modni dodatki in potrošniški izdelki edinstvene dekorativne učinke in videz.

Električne lastnosti

Prevodni premazi, kot so zlato, platina in kovinski karbidi, lahko spremenijo električne lastnosti, kot sta prevodnost in upor. To omogoča natančen nadzor pretoka električnega toka v komponentah, kot so senzorji in polprevodniške naprave.

Vrste trdih premazov

Obstajajo različne kategorije trdih premazov, ki jih je mogoče nanesti s postopki naparjevanja:

• Nitridi prehodnih kovin – Običajno se uporabljajo zelo trde keramične nitridne spojine kovin, kot so titan, krom in cirkonij. Titanov nitrid (TiN) zagotavlja zlato obarvano prevleko z odlično odpornostjo proti koroziji in trdoto do 2000 HV. Kromov nitrid (CrN) ima sivkast videz in ohranja tribološke lastnosti pri visokih temperaturah.
• Prehodni kovinski karbidi – Kovinski karbidi, kot so volframov karbid (WC), titanov karbid (TiC) in tantalov karbid (TaC), proizvajajo izjemno trde in trpežne premaze. Nudijo večjo odpornost proti obrabi v primerjavi z nitridnimi folijami. Vendar lahko karbidni filmi reagirajo z jeklenimi substrati pri visokih temperaturah.
• Keramični premazi – Nekovinski keramični materiali, vključno z aluminijevim oksidom (Al2O3), cirkonijevim oksidom (ZrO2) in kromovim oksidom (Cr2O3), lahko izolirajo pred toploto in korozijo. Silicijev karbid (SiC) ima nizko gostoto, visoko trdoto in moč.
• Diamantu podoben ogljik – Diamantu podobni ogljik (DLC) premazi vsebujejo mešanico sp3 in sp2 hibridiziranih atomov ogljika, kar zagotavlja diamantu podobne lastnosti. Amorfni DLC filmi ponujajo izjemno trdoto, nizko trenje in kemično inertnost.
• Večplastni premazi – Z združevanjem plasti različnih materialov, kot sta TiN in TiAlN, nastanejo premazi, ki združujejo prednosti vsake snovi. Večslojni filmi imajo običajno izboljšano trdoto, lomno žilavost in odpornost proti oksidaciji v primerjavi z enoslojnimi.

Materiali za nanašanje trdega filma

Širok nabor substratnih materialov je mogoče prevleči s trdimi filmi, da se izboljšajo njihove površinske lastnosti in učinkovitost:

• Jeklo– Jeklo je ena najpogostejših podlag, prevlečenih s trdimi filmi. Premazi, kot so TiN, TiCN, CrN in DLC, se nanesejo na jeklene komponente, kot so rezalna orodja, kalupi, deli motorja in ležaji, da povečajo trdoto, odpornost proti obrabi in zaščito pred korozijo.
• Aluminij– Lahke aluminijeve zlitine so pogosto prevlečene za izboljšanje odpornosti proti obrabi in abraziji. Trdi anodizirani premazi in keramični filmi, kot sta aluminijev oksid in silicijev dioksid, zagotavljajo zaščito aluminijastih avtomobilskih in vesoljskih komponent.
• Titanium– Trdoto, oprijem in odpornost titana proti koroziji je mogoče povečati s premazi, kot so TiN, kromov nitrid in s kovino dopiran diamantu podoben ogljik. Te folije omogočajo, da titanovi medicinski vsadki in letalski deli bolje prenesejo udarce in korozijo.
• Karbidi– Substrati iz silicijevega karbida, volframovega karbida in borovega karbida so prevlečeni s tankimi plastmi za dodatno optimizacijo njihove trdote in toplotne/oksidacijske odpornosti za uporabo v orodju. Pogosto se uporabljajo večplastne folije.
• Umetne mase in polimeri– Trdi premazi, kot so DLC, kromov nitrid in silicijev oksid, naneseni na plastične komponente, izboljšajo trdoto površine in odpornost proti praskam, hkrati pa ohranijo lastnosti mase, kot sta prožnost in udarna trdnost.
• Keramika– Odpornost proti obrabi in koroziji keramičnih delov iz aluminijevega oksida, cirkonijevega oksida, silicijevega karbida in silicijevega nitrida je mogoče povečati z nanašanjem kovinskih nitridov, oksidov in karbidov v tankem sloju.

Oprema in potrošni material

Nanašanje trdega filma temelji na napredni opremi vakuumske tehnologije za nanos premazov debeline le nekaj mikronov z natančnim nadzorom.

• Vakuumske komore– Premazi se nanašajo v vakuumskih komorah, ki uporabljajo črpalke za doseganje visokih ravni vakuuma do 10-6 torr. To omogoča, da uparjeni premazni materiali dosežejo podlago, ne da bi reagirali s plini. Komore so izdelane iz nerjavečega jekla ali stekla.
• Razpršilne pištole– Magnetronske razpršilne pištole izbijejo atome materiala ciljnega premaza z uporabo električnega polja. Atomi se nato kondenzirajo kot tanek film na substratu. Močni magneti omejujejo razelektritev plazme na površini tarče za razprševanje.
• Viri izhlapevanja– Viri, kot je uparjanje z elektronskim žarkom, toplota ali oblok, uporabljajo zelo visoke temperature za izhlapevanje premaznega materiala, kar mu omogoča kondenzacijo na podlagah.
• Oskrba s plinom– Reaktivni plini, kot sta dušik ali metan, se vnesejo v komoro, da reagirajo z napršenim ali izhlapenim premaznim materialom in tvorijo spojine, kot so nitridi ali karbidi.
• Grelniki substrata in prednapetost– Grelni elementi in prednapetost substrata izboljšajo oprijem in spremenijo strukturo filma s povečanjem površinske mobilnosti nanesenih atomov.
• Ciljni materiali– Za vir nanašanja prevleke so potrebni ciljni materiali visoke čistosti. Pogosti materiali vključujejo titan, krom, aluminij, cirkonij, volfram, ogljik in silicij.
• Procesni plini– Plini, kot so argon, dušik in acetilen, se uporabljajo za ustvarjanje plazme ali reakcijo z materialom prevleke. Dovajanje procesnih plinov visoke čistosti zagotavlja pravilno sestavo filma.

Procesni koraki

Nanašanje trdih premazov z nanašanjem s paro vključuje skrbno obdelavo za izdelavo premazov z želenimi lastnostmi.

1. Priprava površine– Površino podlage je treba temeljito očistiti, da se odstranijo olja, oksidi in onesnaževalci, ki lahko zmanjšajo oprijem premaza. Običajno se uporabljajo peskanje, čiščenje s topili in jedkanje s kislino.
2. Montaža– Komponente so pritrjene ali nameščene na posebnih držalih, ki omogočajo enakomerno premazovanje vseh površin. Vrtljivi sodi pomagajo zagotoviti enakomerno pokritost.
3. ogrevanje– Substrat se pred nanašanjem pogosto predhodno segreje na 150–500 °C, da se poveča površinska mobilnost atomov prevleke in izboljša oprijem.
4. Odlaganje– Material prevleke se upari z razprševanjem, izhlapevanjem ali obločno uparjanjem, kar omogoča, da se na substratu kondenzira tanek film, debel le mikrone. To se zgodi v okolju z visokim vakuumom.
5. Ionsko bombardiranje– Energično obstreljevanje z ioni med nanašanjem lahko izboljša oprijem in gostoto s povečanjem površinske difuzije atomov prevleke.
6. Pomiri se– Po nanašanju se komponente ohladijo v kontrolirani atmosferi, da se prepreči oksidacija in omogoči sprostitev preostalih napetosti.
7. Nadzor kakovosti– Prevlečeni deli so podvrženi testiranju za preverjanje debeline premaza, oprijema, trdote in delovanja z mikroskopijo, testiranjem prask, testiranjem obrabe/korozije in drugimi analizami.

Skrbna priprava površine, kontrola postopka nanašanja in testiranje po nanosu zagotavljajo optimalno kakovost in lastnosti premaza.

Industrijske aplikacije

Trdi zaščitni premazi se pogosto uporabljajo v proizvodnih panogah za izboljšanje delovanja in vzdržljivosti komponent.

• Orodja za rezanje– Premazi, kot so titanov aluminijev nitrid (TiAlN), titanov karbonitrid (TiCN) in diamantu podoben ogljik (DLC), ki se nanesejo na svedre, rezkalnike, žage in druga rezalna orodja, znatno povečajo trdoto in odpornost proti obrabi. To omogoča višje hitrosti rezanja in daljšo življenjsko dobo.
• Plesni in umirajo– Prevleke iz nitrida, karbida in DLC ščitijo kalupe za brizganje plastike in matrice za preoblikovanje kovin pred abrazivno obrabo in korozijo ter podaljšujejo njihovo življenjsko dobo. Pogosti premazi vključujejo CrN, TiAlN in volframov karbid-ogljik (WC/C).
• Naftne in plinske komponente– Vrtilni svedri, ventili, črpalke in drugi deli za nafto in plin so prevlečeni z izjemno trdimi TiN, TiAlN ali diamantnimi filmi, da se uprejo abrazivni obrabi pri vrtanju, proizvodnji peska in koroziji zaradi vroče slanice.
• Aerospace in avtomobilski deli– Komponente motorja, površine letalskega ogrodja, ležaji in drugi deli so prevlečeni z zaščitnimi folijami, ki ščitijo pred obrabo, utrujenostjo in visokotemperaturno oksidacijo.
• Medicinski pripomočki– Površine kirurških orodij, vsadkov in medicinske opreme so prevlečene z biokompatibilnimi filmi, kot so DLC, TiN in TiAlN, za izboljšanje trdote, odpornosti proti obrabi in odpornosti proti koroziji.
• Dekorativni premazi– Barvni okrasni trdi premazi, kot so TiN, ZrN, CrN in AlTiN, se nanašajo na nakit, ure, sončna očala in druge potrošniške predmete.

Trdi premazi povečajo vzdržljivost in učinkovitost v skoraj vseh proizvodnih sektorjih.

Aplikacije v nakitu

Trdi premazi poleg povečanja vzdržljivosti zagotavljajo privlačne zaključke za nakit in modne dodatke.

• Zaščitni premazi za ure– Ohišja in pasovi luksuznih ur so pogosto prevlečeni s tanko plastjo titanovega nitrida (TiN), diamantu podobnega ogljika (DLC) ali kromovega nitrida (CrN), da se poveča odpornost proti praskam. To ščiti drage komponente ure pred poškodbami med vsakodnevno uporabo.
• Barvni modni nakit– Naparjeni premazi iz TiN, cirkonijevega nitrida (ZrN) in kromovega nitrida zagotavljajo privlačne zlate, modre, črne in sive zaključke na poceni kosih modnega nakita iz nerjavečega jekla ali medenine.
• Izboljšane nastavitve dragih kamnov– Nanos tanke plasti rodija ali rutenija na nastavke za nakit iz belega zlata ali srebra poveča trdoto in zmanjša obrabo za boljšo zaščito dragih kamnov in ohrani videz kot nov tudi po letih redne uporabe.
• Izboljšana trdota površine– DLC in keramične prevleke, kot sta titanov oksid ali silicijev dioksid, je mogoče nanesti na kose nakita za izboljšanje odpornosti na površinske praske, odrgnine in madeže. Tako sčasoma ohranja sijoč, kot nov videz.
• Dekorativni premazi za nosljivo tehnologijo– Trdi okrasni premazi dodajajo estetsko privlačnost nosljivim napravam, vključno s pametnimi urami, merilniki telesne pripravljenosti in slušalkami VR/AR, kar blagovnim znamkam omogoča razlikovanje glede na videz.

Vzdržljivi, privlačni trdi premazi povečajo dolgo življenjsko dobo in vizualno privlačnost nakita, ur in modnih dodatkov.

Primerjava z drugimi postopki površinskega utrjevanja

Nanašanje trdega filma se razlikuje od tradicionalnih tehnik površinskega utrjevanja na več načinov:

Naogljičenje in nitriranje

Naogljičenje in nitriranje razpršita ogljik ali dušik na površino zlitin, kot je jeklo, da ustvari trde spojine. Trdota sega le 0.1-0.5 mm globoko. Filmi lahko prekrijejo kateri koli material in dosežejo trdoto > 2-kratno od nitriranja.

Indukcijsko in plamensko kaljenje

Pri indukcijskem ali plamenskem kaljenju termični cikel selektivno utrdi le površinsko plast delov, kot so zobniki in ležaji. Nanos filma omogoča prilagojene premaze na vseh površinah.

Tehnologije za nanašanje trdega filma

Obstaja več tehnologij nanašanja s paro, ki se uporabljajo za nanašanje trdih premazov:

Sputter Deposition

Pri nanašanju z razprševanjem energijsko ionsko bombardiranje izvrže atome iz trdne tarče, kar omogoči, da se atomi kondenzirajo kot tanek film na substratu. Magnetronsko razprševanje se običajno uporablja za nanašanje materialov, kot sta titanov nitrid in kromov nitrid.

Nanašanje s katodnim oblokom

Električni oblok upari material prevleke iz katodne tarče, pri čemer ionizira pomemben del toka. To omogoča nanašanje zelo trdih keramičnih prevlek, kot je titanov aluminijev nitrid, pri relativno nizkih temperaturah.

Impulzno lasersko nanašanje

Visokozmogljiv impulzni laser odstrani material iz tarče, da ustvari plazemski oblak, ki nanese premaz na podlago v vakuumski komori. Ta postopek omogoča dober nadzor debeline in sestave filma.

Nanašanje z elektronskim žarkom

Uparjalnik z elektronskim žarkom bombardira premazni material in ga segreje do točke uparjanja za nanašanje tankega filma. Možne so visoke stopnje usedanja, vendar je ta proces težko nadzorovati.

Fizično nanašanje hlapov (PVD)

Tehnike PVD, kot sta razprševanje in izhlapevanje, fizično uparijo premazne materiale, da nanesejo tanke plasti. Običajne metode PVD vključujejo magnetronsko razprševanje, toplotno izhlapevanje in izhlapevanje z elektronskim žarkom.

Kemijsko nanašanje hlapov (CVD)

CVD uporablja kemične reakcije med predhodnimi plini za odlaganje filmov na segrete podlage. Nizkotlačni CVD in plazemsko izboljšan CVD omogočata premaze na kompleksnih geometrijah.

Vsaka tehnologija ima svoje prednosti v smislu nadzora, možnih premazov, stopnje nanašanja in stroškov. PVD in CVD igrata ključno vlogo pri nanašanju trdih filmov.