Vad är hårdfilmsdeposition?

Grund för hårdfilmsavsättning

Hårdfilmsavsättning hänvisar till processen att avsätta tunna, hårda beläggningar på ett substratmaterial för att förbättra ytegenskaper som slitstyrka, korrosionsskydd eller termisk barriärprestanda. Beläggningarna, vanligtvis 1-10 mikron tjocka, skapas genom att kondensera förångade legeringselement och föreningar på substratytan. Denna yttekniska teknik gör det möjligt för tillverkare att förbättra hårdheten, smörjigheten, oxidationsbeständigheten eller andra egenskaper hos basmaterial utan att påverka deras bulkegenskaper.

Syften med hårdfilmsavsättning

Hårdfilmsavsättning används för att förbättra ytegenskaperna hos material på olika sätt:

Slitstyrka

Ett av huvudmålen med hårdfilmsavsättning är att förbättra komponenternas slitstyrka. Hårda beläggningar som titannitrid (TiN) och kromnitrid (CrN) kan minimera nötande slitage, vidhäftningsslitage och ytutmattning på delar som skärverktyg, motorkomponenter och lager. Den hårda beläggningen förhindrar snabb borttagning av material vid kontakt med andra ytor.

Rostskydd

Att applicera beläggningar som TiN, aluminiumtitannitrid (AlTiN) och amorft diamantliknande kol (DLC) skapar en barriär som skyddar det underliggande substratet från korrosionsskador. Detta är särskilt användbart för delar som utsätts för höga temperaturer, oxidativa miljöer och frätande medier som syror eller saltvatten.

Termisk barriär

Vissa material som keramik och metallegeringar kan isolera komponenter från höga temperaturer. Avsättning av filmer av zirkoniumoxid, kromoxid eller molybdendisilicid på turbinbladen gör att de kan arbeta vid högre temperaturer genom att minska värmeöverföringen.

Dekorativa ytbehandlingar

Hårda beläggningar som titannitrid och zirkoniumnitrid ger attraktiva guld-, blå- eller svartfärgade ytor. Detta gör att smycken, modeaccessoarer och konsumentprodukter får unika dekorativa effekter och utseende.

Elektriska egenskaper

Konduktiva beläggningar som guld, platina och metallkarbider kan modifiera elektriska egenskaper som ledningsförmåga och motstånd. Detta möjliggör exakt kontroll av elektriskt strömflöde i komponenter som sensorer och halvledarenheter.

Typer av hårda beläggningar

Det finns olika kategorier av hårda beläggningar som kan appliceras genom ångavsättningsprocesser:

• Övergångsmetallnitrider – Mycket hårda keramiska nitridföreningar av metaller som titan, krom och zirkonium används ofta. Titannitrid (TiN) ger en guldfärgad beläggning med utmärkt korrosionsbeständighet och hårdhet upp till 2000 HV. Kromnitrid (CrN) har ett gråaktigt utseende och bibehåller tribologiska egenskaper vid höga temperaturer.
• Övergångsmetallkarbider – Metallkarbider som volframkarbid (WC), titankarbid (TiC) och tantalkarbid (TaC) ger extremt hårda och hållbara beläggningar. De erbjuder överlägsen nötningsbeständighet jämfört med nitridfilmer. Karbidfilmer kan dock reagera med stålsubstrat vid höga temperaturer.
• Keramiska beläggningar – Icke-metalliska keramiska material inklusive aluminiumoxid (Al2O3), zirkoniumoxid (ZrO2) och kromoxid (Cr2O3) kan isolera mot värme och korrosion. Kiselkarbid (SiC) har låg densitet, hög hårdhet och styrka.
• Diamantliknande kol – Diamantliknande kol (DLC) beläggningar innehåller en blandning av sp3 och sp2 hybridiserade kolatomer, vilket ger diamantliknande egenskaper. Amorfa DLC-filmer erbjuder exceptionell hårdhet, låg friktion och kemisk tröghet.
• Flerskiktsbeläggningar – Genom att kombinera lager av olika material som TiN och TiAlN produceras beläggningar som integrerar fördelarna med varje ämne. Flerskiktsfilmer tenderar att ha förbättrad hårdhet, brottseghet och oxidationsbeständighet jämfört med enstaka skikt.

Material för hårdfilmsavsättning

Ett brett utbud av substratmaterial kan beläggas med hårda filmer för att förbättra deras ytegenskaper och prestanda:

• Stål– Stål är ett av de vanligaste underlagen belagda med hårda filmer. Beläggningar som TiN, TiCN, CrN och DLC appliceras på stålkomponenter som skärverktyg, formar, motordelar och lager för att öka hårdheten, slitstyrkan och korrosionsskyddet.
• Aluminium– Lättviktsaluminiumlegeringar är ofta belagda för att förbättra slitaget och nötningsbeständigheten. Hårdanodiserade beläggningar och keramiska filmer som aluminiumoxid och kiseldioxid ger skydd för fordons- och flygkomponenter i aluminium.
• titan– Hårdheten, vidhäftningen och korrosionsbeständigheten hos titan kan förbättras genom beläggningar som TiN, kromnitrid och metalldopat diamantliknande kol. Dessa filmer gör att medicinska titanimplantat och flyg- och rymddelar bättre tål stötar och korrosion.
• karbider– Silikonkarbid, volframkarbid och borkarbidsubstrat är belagda med tunna filmer för att ytterligare optimera deras hårdhet och termisk/oxidationsbeständighet för verktygstillämpningar. Flerskiktsfilmer appliceras ofta.
• Plast och polymerer– Hårda beläggningar som DLC, kromnitrid och kiseloxid avsatta på plastkomponenter förbättrar ythårdheten och reptåligheten samtidigt som de behåller bulkegenskaper som flexibilitet och slaghållfasthet.
• Keramik– Slitage- och korrosionsbeständigheten hos keramiska delar tillverkade av aluminiumoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid och kiselnitrid kan förbättras genom tunnfilmsavsättning av metallnitrider, oxider och karbider.

Utrustning och förbrukningsvaror

Hårdfilmsavsättning är beroende av avancerad vakuumteknikutrustning för att avsätta beläggningar som är bara några mikrometer tjocka med exakt kontroll.

• Vakuumkammare– Beläggningar appliceras i vakuumkammare som använder pumpar för att uppnå höga vakuumnivåer ner till 10-6 torr. Detta gör det möjligt för förångade beläggningsmaterial att nå substratet utan att reagera med gaser. Kammare är gjorda av rostfritt stål eller glas.
• Sputtering Guns– Magnetronförstoftningspistoler skjuter ut atomer av målbeläggningsmaterialet med hjälp av ett elektriskt fält. Atomerna kondenserar sedan som en tunn film på substratet. Kraftfulla magneter begränsar plasmaurladdningen vid den sputterande målytan.
• Förångningskällor– Källor som elektronstråle, termisk eller ljusbågsförångning använder mycket höga temperaturer för att förånga beläggningsmaterialet, vilket gör att det kan kondensera på substrat.
• Gasförsörjning– Reaktiva gaser som kväve eller metan införs i kammaren för att reagera med det förstoftade eller förångade beläggningsmaterialet för att bilda föreningar som nitrider eller karbider.
• Substratvärmare och bias– Värmeelement och substratförspänning förbättrar vidhäftningen och modifierar filmstrukturen genom att förbättra ytrörligheten hos deponerade atomer.
• Målmaterial– Målmaterial med hög renhet krävs för beläggningsavsättningskällan. Vanliga material inkluderar titan, krom, aluminium, zirkonium, volfram, kol och kisel.
• Processgaser– Gaser som argon, kväve och acetylen används för att generera plasma eller reagera med beläggningsmaterialet. Tillförsel av processgaser med hög renhet säkerställer korrekt filmsammansättning.

Processsteg

Att applicera hårda beläggningar genom ångavsättning innebär noggrann bearbetning för att producera beläggningar med önskade egenskaper.

1. Ytförberedelse– Underlagets yta måste rengöras noggrant för att avlägsna oljor, oxider och föroreningar som kan minska beläggningens vidhäftning. Sandblästring, lösningsmedelsrengöring och syraetsning används ofta.
2. Montering– Komponenter fixeras eller monteras på speciella hållare som gör att alla ytor kan beläggas jämnt. Roterande fat hjälper till att säkerställa enhetlig täckning.
3. Uppvärmning– Substratet förvärms ofta till 150-500°C före deponering för att öka ytrörligheten hos beläggningsatomerna och förbättra vidhäftningen.
4. Deposition– Beläggningsmaterialet förångas genom sputtering, förångning eller bågförångning, vilket gör att en tunn film bara mikron tjock kan kondensera på substratet. Detta sker i en miljö med hög vakuum.
5. Jonbombardement– Energiskt jonbombardement under avsättning kan förbättra vidhäftningen och densiteten genom att förbättra ytdiffusionen av beläggningsatomerna.
6. Kyla ner– Efter deponering kyls komponenterna under en kontrollerad atmosfär för att förhindra oxidation och låta kvarvarande spänningar slappna av.
7. Kvalitetskontroll– Belagda delar genomgår testning för att verifiera beläggningens tjocklek, vidhäftning, hårdhet och prestanda genom mikroskopi, reptestning, slitage-/korrosionstestning och annan analys.

Noggrann ytbehandling, kontroll av deponeringsprocessen och efterbeläggningstestning säkerställer optimal kvalitet och beläggningsegenskaper.

Industrial Applications

Hårda skyddande beläggningar används i stor utsträckning inom tillverkningsindustrin för att förbättra komponenternas prestanda och hållbarhet.

• Skärverktyg– Beläggningar som titanaluminiumnitrid (TiAlN), titankarbonitrid (TiCN) och diamantliknande kol (DLC) applicerade på borrar, kvarnar, sågar och andra skärverktyg ökar avsevärt hårdheten och slitstyrkan. Detta möjliggör högre skärhastigheter och längre livslängd.
• Formar och dies– Nitrid-, karbid- och DLC-beläggningar skyddar formsprutningsformar och metallformar av plast från nötande slitage och korrosion, vilket förlänger deras livslängd. Vanliga beläggningar inkluderar CrN, TiAlN och volframkarbid-kol (WC/C).
• Olje- och gaskomponenter– Borrkronor, ventiler, pumpar och andra olje- och gasdelar är belagda med extremt hårda TiN-, TiAlN- eller diamantfilmer för att motstå nötande slitage från borrning, sandproduktion och korrosion från heta saltlösningar.
• Flyg- och fordonsdelar– Motorkomponenter, skrovytor, lager och andra delar är belagda med skyddsfilmer som skyddar mot slitage, utmattning och oxidation vid hög temperatur.
• Medicintekniska produkter– Ytor för kirurgiska verktyg, implantat och medicinsk utrustning är belagda med biokompatibla filmer som DLC, TiN och TiAlN för att förbättra hårdhet, slitstyrka och korrosionsbeständighet.
• Dekorativa beläggningar– Färgade dekorativa hårda beläggningar som TiN, ZrN, CrN och AlTiN appliceras på smycken, klockor, solglasögon och andra konsumentartiklar.

Hårda beläggningar förbättrar hållbarhet och prestanda inom nästan varje tillverkningssektor.

Applikationer inom smycken

Förutom att förbättra hållbarheten ger hårda beläggningar attraktiva ytskikt för smycken och modeaccessoarer.

• Skyddande klockbeläggningar– Lyxiga klockfodral och band är ofta belagda med tunna filmer av titannitrid (TiN), diamantliknande kol (DLC) eller kromnitrid (CrN) för att öka reptåligheten. Detta skyddar de dyra klockkomponenterna från skador under daglig användning.
• Färgade modesmycken– Ångdeponerade beläggningar av TiN, zirkoniumnitrid (ZrN) och kromnitrid ger iögonfallande guld, blå, svart och grå finish på billiga modesmycken gjorda av rostfritt stål eller mässing.
• Förbättrade ädelstensinställningar– Att applicera ett tunt lager av rodium eller rutenium på smycken i vitt guld eller silver ökar hårdheten och minskar slitaget för att bättre säkra ädelstenar och bibehålla ett som nytt utseende även efter flera års regelbunden användning.
• Förbättrad ythårdhet– DLC och keramiska beläggningar som titanoxid eller kiseldioxid kan appliceras på smycken för att förbättra motståndskraften mot ytrepor, nötning och nedsmutsning. Detta bibehåller ett glänsande, som nytt utseende över tiden.
• Dekorativa beläggningar på Wearable Tech– Hårda dekorativa beläggningar tillför estetiskt tilltalande till bärbara enheter, inklusive smarta klockor, träningsspårare och VR/AR-headset, vilket gör att varumärken kan differentiera sig utifrån utseende.

Slitstarka, tilltalande hårda beläggningar förbättrar både livslängden och det visuella tilltalandet av smycken, klockor och modeaccessoarer.

Jämförelse med andra ythärdningsprocesser

Hårdfilmsavsättning skiljer sig från traditionella ythärdningstekniker på flera sätt:

Förkolning och nitrering

Karburering och nitrering diffunderar kol eller kväve i ytan av legeringar som stål för att skapa hårda föreningar. Hårdheten sträcker sig bara 0.1-0.5 mm djupt. Filmer kan belägga vilket material som helst och uppnå hårdhet > 2X den för nitrering.

Induktion och Flamhärdning

Med induktion eller flamhärdning härdar en termisk cykel selektivt endast ytskiktet av delar som växlar och lager. Filmavsättning möjliggör skräddarsydda beläggningar på alla ytor.

Teknik för hårdfilmsdeponering

Det finns flera ångavsättningstekniker som används för att applicera hårda beläggningar:

Sputterdeposition

I sputterdeposition skjuter energiskt jonbombardement ut atomer från ett fast mål, vilket gör att atomerna kan kondensera som en tunn film på substratet. Magnetronförstoftning används vanligtvis för att avsätta material som titannitrid och kromnitrid.

Katodisk bågeavsättning

En elektrisk ljusbåge förångar beläggningsmaterialet från ett katodmål och joniserar en betydande del av flödet. Detta möjliggör avsättning av mycket hårda keramiska beläggningar som titanaluminiumnitrid vid relativt låga temperaturer.

Pulserad laseravsättning

En högeffekts pulsad laser tar bort material från ett mål för att skapa en plasmaplym som avsätter beläggningen på substratet i en vakuumkammare. Denna process tillåter god kontroll av filmtjocklek och sammansättning.

Elektronstråleavsättning

En elektronstråleförångare bombarderar beläggningsmaterialet och värmer upp det till förångningspunkten för tunnfilmsavsättning. Höga nedfallshastigheter är möjliga, men denna process kan vara svår att kontrollera.

Fysisk ångdeposition (PVD)

PVD-tekniker som sputtering och förångning förångar fysiskt beläggningsmaterial för att avsätta tunna filmer. Vanliga PVD-metoder inkluderar magnetronförstoftning, termisk förångning och elektronstråleförångning.

Kemisk ångdeposition (CVD)

CVD använder kemiska reaktioner mellan prekursorgaser för att avsätta filmer på uppvärmda substrat. Lågtrycks-CVD och plasmaförstärkt CVD tillåter beläggningar på komplexa geometrier.

Varje teknik har sina egna fördelar när det gäller kontroll, möjliga beläggningar, avsättningshastighet och kostnad. PVD och CVD spelar båda avgörande roller i hårdfilmsdeponeringsapplikationer.