Lắng đọng phim cứng là gì?

Cơ sở lắng đọng phim cứng

Lắng đọng màng cứng đề cập đến quá trình lắng đọng các lớp phủ mỏng, cứng lên vật liệu nền để cải thiện các đặc tính bề mặt như khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn hoặc hiệu suất của rào cản nhiệt. Các lớp phủ, thường dày 1-10 micron, được tạo ra bằng cách ngưng tụ các hợp chất và nguyên tố hợp kim hóa hơi trên bề mặt chất nền. Kỹ thuật kỹ thuật bề mặt này cho phép các nhà sản xuất tăng cường độ cứng, độ bôi trơn, khả năng chống oxy hóa hoặc các đặc tính khác của vật liệu cơ bản mà không ảnh hưởng đến đặc tính khối của chúng.

Mục đích lắng đọng phim cứng

Sự lắng đọng màng cứng được sử dụng để tăng cường tính chất bề mặt của vật liệu theo nhiều cách khác nhau:

Hao mòn điện trở

Một trong những mục tiêu chính của việc lắng đọng màng cứng là cải thiện khả năng chống mài mòn của các bộ phận. Các lớp phủ cứng như titan nitride (TiN) và crom nitride (CrN) có thể giảm thiểu mài mòn do mài mòn, mài mòn bám dính và mỏi bề mặt trên các bộ phận như dụng cụ cắt, bộ phận động cơ và ổ trục. Lớp phủ cứng ngăn chặn sự loại bỏ nhanh chóng của vật liệu trong quá trình tiếp xúc với các bề mặt khác.

Bảo vệ chống ăn mòn

Áp dụng các lớp phủ như TiN, nhôm titan nitride (AlTiN) và carbon giống kim cương vô định hình (DLC) tạo ra một rào cản bảo vệ chất nền bên dưới khỏi tác hại của ăn mòn. Điều này đặc biệt hữu ích cho các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ cao, môi trường oxy hóa và môi trường ăn mòn như axit hoặc nước muối.

Rào cản nhiệt

Một số vật liệu như gốm sứ và hợp kim kim loại có thể cách nhiệt các bộ phận khỏi nhiệt độ cao. Việc lắng đọng các màng oxit zirconium, oxit crom hoặc chất khử silic molypden trên các cánh tuabin cho phép chúng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn bằng cách giảm truyền nhiệt.

Hoàn thiện trang trí

Các lớp phủ cứng như titan nitride và zirconi nitride tạo ra lớp hoàn thiện màu vàng, xanh lam hoặc đen hấp dẫn trên bề mặt. Điều này cho phép đồ trang sức, phụ kiện thời trang và các sản phẩm tiêu dùng có hiệu ứng trang trí và vẻ ngoài độc đáo.

Tính chất điện

Các lớp phủ dẫn điện như vàng, bạch kim và cacbua kim loại có thể thay đổi các tính chất điện như độ dẫn điện và điện trở. Điều này cho phép điều khiển chính xác dòng điện trong các thành phần như cảm biến và thiết bị bán dẫn.

Các loại lớp phủ cứng

Có nhiều loại lớp phủ cứng khác nhau có thể được áp dụng thông qua quá trình lắng đọng hơi:

• Nitrua kim loại chuyển tiếp – Các hợp chất gốm nitrit rất cứng của các kim loại như titan, crom và zirconi thường được sử dụng. Titanium nitride (TiN) cung cấp lớp phủ màu vàng với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ cứng lên đến 2000 HV. Chromium nitride (CrN) có bề ngoài màu xám và duy trì các đặc tính ma sát ở nhiệt độ cao.
• cacbua kim loại chuyển tiếp – Các cacbua kim loại như cacbua vonfram (WC), cacbua titan (TiC) và cacbua tantali (TaC) tạo ra các lớp phủ cực kỳ cứng và bền. Chúng cung cấp khả năng chống mài mòn vượt trội so với màng nitrua. Tuy nhiên, màng cacbua có thể phản ứng với chất nền thép ở nhiệt độ cao.
• Lớp phủ gốm – Vật liệu sứ phi kim loại gồm alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), crom oxit (Cr2O3) có khả năng cách nhiệt, chống ăn mòn. Cacbua silic (SiC) có mật độ thấp, độ cứng và độ bền cao.
• Carbon giống như kim cương – Lớp phủ cacbon giống kim cương (DLC) chứa hỗn hợp các nguyên tử cacbon lai hóa sp3 và sp2, mang lại các đặc tính giống như kim cương. Phim DLC vô định hình có độ cứng đặc biệt, ma sát thấp và tính trơ hóa học.
• lớp phủ nhiều lớp – Kết hợp các lớp vật liệu khác nhau như TiN và TiAlN tạo ra các lớp phủ tích hợp các lợi ích của từng chất. Phim đa lớp có xu hướng cải thiện độ cứng, độ bền gãy và khả năng chống oxy hóa so với các lớp đơn.

Vật liệu lắng đọng màng cứng

Nhiều loại vật liệu nền có thể được phủ bằng màng cứng để cải thiện tính chất và hiệu suất bề mặt của chúng:

• Thép– Thép là một trong những chất nền phổ biến nhất được phủ một lớp màng cứng. Các lớp phủ như TiN, TiCN, CrN và DLC được áp dụng cho các thành phần thép như dụng cụ cắt, khuôn, bộ phận động cơ và vòng bi để tăng độ cứng, chống mài mòn và chống ăn mòn.
• Nhôm– Hợp kim nhôm nhẹ thường được phủ để cải thiện khả năng chống mài mòn và mài mòn. Lớp phủ a-nốt hóa cứng và màng gốm như alumin và silica cung cấp khả năng bảo vệ cho các bộ phận bằng nhôm của ô tô và hàng không vũ trụ.
• Titanium– Độ cứng, độ bám dính và khả năng chống ăn mòn của titan có thể được tăng cường thông qua các lớp phủ như TiN, crom nitride và carbon giống kim cương pha tạp kim loại. Những màng này cho phép các bộ phận cấy ghép y tế và hàng không vũ trụ bằng titan chịu va đập và ăn mòn tốt hơn.
• Cacbua– Chất nền cacbua silic, cacbua vonfram và boron cacbua được phủ một lớp màng mỏng để tối ưu hóa hơn nữa độ cứng và khả năng chịu nhiệt/oxy hóa của chúng cho các ứng dụng dụng cụ. Phim nhiều lớp thường được áp dụng.
• Nhựa và Polyme– Các lớp phủ cứng như DLC, crom nitride và oxit silic lắng đọng trên các thành phần nhựa giúp cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống trầy xước trong khi vẫn giữ được các đặc tính khối như tính linh hoạt và độ bền va đập.
• đồ gốm– Khả năng chống mài mòn và ăn mòn của các bộ phận gốm làm từ alumina, zirconia, silicon carbide và silicon nitride có thể được tăng cường thông qua sự lắng đọng màng mỏng của nitrua kim loại, oxit và cacbua.

Thiết bị và Vật tư

Quá trình lắng đọng màng cứng dựa vào thiết bị công nghệ chân không tiên tiến để lắng đọng lớp phủ chỉ dày vài micron với khả năng kiểm soát chính xác.

• Phòng hút chân không– Lớp phủ được ứng dụng trong buồng chân không sử dụng máy bơm để đạt được mức chân không cao xuống tới 10-6 torr. Điều này cho phép các vật liệu phủ hóa hơi tiếp cận với chất nền mà không phản ứng với khí. Buồng được xây dựng bằng thép không gỉ hoặc thủy tinh.
• súng phún xạ– Súng phún xạ magnetron đẩy các nguyên tử của vật liệu phủ mục tiêu sử dụng điện trường. Sau đó, các nguyên tử ngưng tụ thành một màng mỏng trên đế. Các nam châm cực mạnh hạn chế phóng điện plasma ở bề mặt mục tiêu phún xạ.
• Nguồn bay hơi– Các nguồn như sự hóa hơi bằng tia điện tử, nhiệt hoặc hồ quang sử dụng nhiệt độ rất cao để làm bay hơi vật liệu phủ, cho phép nó ngưng tụ trên các chất nền.
• Cung cấp khí– Các loại khí phản ứng như nitơ hoặc metan được đưa vào buồng để phản ứng với vật liệu phủ được phún xạ hoặc bay hơi để tạo thành các hợp chất như nitrua hoặc cacbua.
• Chất nền nóng và Bias– Các phần tử gia nhiệt và điện áp phân cực cơ chất cải thiện độ bám dính và sửa đổi cấu trúc màng bằng cách tăng cường tính di động bề mặt của các nguyên tử lắng đọng.
• Vật liệu mục tiêu– Vật liệu mục tiêu có độ tinh khiết cao được yêu cầu cho nguồn lắng đọng lớp phủ. Các vật liệu phổ biến bao gồm titan, crom, nhôm, zirconi, vonfram, carbon và silicon.
• xử lý khí– Các loại khí như argon, nitơ và axetylen được sử dụng để tạo plasma hoặc phản ứng với vật liệu phủ. Cung cấp khí quy trình có độ tinh khiết cao đảm bảo thành phần màng thích hợp.

Các bước quy trình

Áp dụng các lớp phủ cứng thông qua quá trình lắng đọng hơi bao gồm quá trình xử lý cẩn thận để tạo ra các lớp phủ có đặc tính mong muốn.

1. Chuẩn bị bề mặt– Bề mặt lớp nền phải được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ dầu, oxit và các chất gây ô nhiễm có thể làm giảm độ bám dính của lớp phủ. Phun cát, làm sạch dung môi và ăn mòn axit thường được sử dụng.
2. Gắn kết– Các thành phần được cố định hoặc gắn trên giá đỡ đặc biệt cho phép phủ đều tất cả các bề mặt. Các thùng quay giúp đảm bảo độ bao phủ đồng đều.
3. Hệ thống sưởi– Chất nền thường được làm nóng sơ bộ đến 150-500°C trước khi lắng đọng để tăng tính linh động bề mặt của các nguyên tử lớp phủ và cải thiện độ bám dính.
4. Sự lưu giữ– Vật liệu phủ được hóa hơi bằng phương pháp phún xạ, bay hơi hoặc hóa hơi hồ quang, cho phép một lớp màng mỏng chỉ dày vài micron ngưng tụ trên bề mặt. Điều này xảy ra trong môi trường chân không cao.
5. bắn phá ion– Bắn phá ion năng lượng trong quá trình lắng đọng có thể cải thiện độ bám dính và mật độ bằng cách tăng cường sự khuếch tán bề mặt của các nguyên tử lớp phủ.
6. Nguội đi– Sau khi lắng đọng, các thành phần được làm mát trong môi trường có kiểm soát để ngăn chặn quá trình oxy hóa và cho phép giảm ứng suất dư.
7. Quản lý chất lượng– Các bộ phận được phủ sơn trải qua thử nghiệm để xác minh độ dày, độ bám dính, độ cứng và hiệu suất của lớp phủ thông qua kính hiển vi, thử nghiệm vết trầy xước, thử nghiệm mài mòn/ăn mòn và phân tích khác.

Chuẩn bị bề mặt cẩn thận, kiểm soát quá trình lắng đọng và kiểm tra sau lớp phủ đảm bảo chất lượng và đặc tính lớp phủ tối ưu.

Ứng dụng công nghiệp

Lớp phủ bảo vệ cứng được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất để nâng cao hiệu suất và độ bền của linh kiện.

• Dụng cụ cắt– Các lớp phủ như titan nhôm nitride (TiAlN), titan carbonitride (TiCN) và carbon giống kim cương (DLC) được áp dụng cho máy khoan, máy phay, cưa và các dụng cụ cắt khác giúp tăng đáng kể độ cứng và khả năng chống mài mòn. Điều này cho phép tốc độ cắt cao hơn và tuổi thọ dài hơn.
• Khuôn và chết– Lớp phủ nitrua, cacbua và DLC bảo vệ khuôn ép nhựa và khuôn dập kim loại khỏi mài mòn và ăn mòn, kéo dài tuổi thọ của chúng. Các lớp phủ phổ biến bao gồm CrN, TiAlN và cacbua vonfram-cacbon (WC/C).
• Linh kiện dầu khí– Mũi khoan lỗ xuống, van, máy bơm và các bộ phận dầu khí khác được phủ một lớp màng TiN, TiAlN hoặc kim cương cực kỳ cứng để chống mài mòn do khoan, sản xuất cát và ăn mòn từ nước muối nóng.
• Phụ tùng hàng không vũ trụ và ô tô– Các thành phần động cơ, bề mặt khung máy bay, ổ trục và các bộ phận khác được phủ một lớp màng bảo vệ giúp chống mài mòn, mỏi và quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao.
• Thiết bị Y khoa– Bề mặt dụng cụ phẫu thuật, cấy ghép và thiết bị y tế được phủ một lớp màng tương thích sinh học như DLC, TiN và TiAlN để cải thiện độ cứng, hiệu suất mài mòn và khả năng chống ăn mòn.
• Lớp phủ trang trí– Các lớp phủ cứng trang trí có màu như TiN, ZrN, CrN và AlTiN được áp dụng cho đồ trang sức, đồng hồ, kính râm và các mặt hàng tiêu dùng khác.

Lớp phủ cứng tăng cường độ bền và hiệu suất trên hầu hết các lĩnh vực sản xuất.

Ứng dụng trong trang sức

Ngoài việc tăng cường độ bền, lớp phủ cứng còn mang lại lớp hoàn thiện hấp dẫn cho đồ trang sức và phụ kiện thời trang.

• Lớp phủ bảo vệ đồng hồ– Vỏ và dây đồng hồ sang trọng thường được phủ một lớp mỏng titan nitride (TiN), carbon giống kim cương (DLC) hoặc crom nitride (CrN) để tăng khả năng chống trầy xước. Điều này bảo vệ các thành phần đồng hồ đắt tiền khỏi bị hư hại trong quá trình sử dụng hàng ngày.
• Đồ trang sức thời trang màu– Các lớp phủ TiN, zirconium nitride (ZrN) và crom nitride lắng đọng hơi tạo ra lớp hoàn thiện màu vàng, xanh lam, đen và xám bắt mắt trên các món đồ trang sức thời trang rẻ tiền làm từ thép không gỉ hoặc đồng thau.
• Cài đặt đá quý nâng cao– Phủ một lớp rhodium hoặc rutheni mỏng lên các món đồ trang sức bằng vàng trắng hoặc bạc sẽ làm tăng độ cứng và giảm mài mòn để bảo vệ đá quý tốt hơn và duy trì vẻ ngoài như mới ngay cả sau nhiều năm sử dụng thường xuyên.
• Cải thiện độ cứng bề mặt– Có thể áp dụng các lớp phủ DLC và gốm như oxit titan hoặc silicon dioxide cho các món đồ trang sức để cải thiện khả năng chống trầy xước, mài mòn và xỉn màu trên bề mặt. Điều này duy trì một vẻ ngoài sáng bóng, như mới theo thời gian.
• Lớp phủ trang trí trên Wearable Tech– Lớp phủ trang trí cứng tăng thêm tính thẩm mỹ cho các thiết bị đeo bao gồm đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục và tai nghe VR/AR, cho phép các thương hiệu phân biệt dựa trên hình thức bên ngoài.

Lớp phủ cứng bền, hấp dẫn nâng cao cả tuổi thọ và vẻ ngoài hấp dẫn của đồ trang sức, đồng hồ và phụ kiện thời trang.

So sánh với các quy trình làm cứng bề mặt khác

Sự lắng đọng màng cứng khác với các kỹ thuật làm cứng bề mặt truyền thống ở một số điểm:

Thấm cacbon và thấm nitơ

Thấm cacbon và thấm nitơ khuếch tán carbon hoặc nitơ vào bề mặt của hợp kim như thép để tạo ra các hợp chất cứng. Độ cứng chỉ mở rộng sâu 0.1-0.5mm. Phim có thể phủ lên bất kỳ vật liệu nào và đạt được độ cứng > 2 lần so với thấm nitơ.

Cảm ứng và làm cứng ngọn lửa

Với quá trình làm cứng bằng cảm ứng hoặc ngọn lửa, một chu trình nhiệt chỉ làm cứng có chọn lọc lớp bề mặt của các bộ phận như bánh răng và ổ trục. Sự lắng đọng màng cho phép lớp phủ tùy chỉnh trên tất cả các bề mặt.

Công nghệ lắng đọng phim cứng

Có một số công nghệ lắng đọng hơi được sử dụng để áp dụng lớp phủ cứng:

lắng đọng phún xạ

Trong lắng đọng phún xạ, sự bắn phá ion năng lượng đẩy các nguyên tử ra khỏi bia rắn, cho phép các nguyên tử ngưng tụ thành một màng mỏng trên đế. Phương pháp phún xạ magnetron thường được sử dụng để lắng đọng các vật liệu như nitrua titan và nitrua crom.

lắng đọng hồ quang catốt

Một hồ quang điện làm bay hơi vật liệu phủ từ mục tiêu catốt, làm ion hóa một phần đáng kể của từ thông. Điều này cho phép lắng đọng các lớp phủ gốm rất cứng như titan nhôm nitrua ở nhiệt độ tương đối thấp.

Lắng đọng Laser xung

Một tia laser xung công suất cao sẽ mài mòn vật liệu từ mục tiêu để tạo ra chùm plasma làm lắng đọng lớp phủ trên bề mặt trong buồng chân không. Quá trình này cho phép kiểm soát tốt độ dày và thành phần của màng.

lắng đọng chùm tia điện tử

Một thiết bị bay hơi chùm tia điện tử bắn phá vật liệu phủ, làm nóng nó đến điểm bốc hơi để lắng đọng màng mỏng. Tỷ lệ lắng đọng cao là có thể, nhưng quá trình này có thể khó kiểm soát.

Sự lắng đọng hơi vật lý (PVD)

Các kỹ thuật PVD như phún xạ và bốc hơi vật lý làm bay hơi vật liệu phủ để lắng đọng các màng mỏng. Các phương pháp PVD phổ biến bao gồm phún xạ từ, bay hơi nhiệt và bay hơi chùm tia điện tử.

Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)

CVD sử dụng các phản ứng hóa học giữa các khí tiền chất để tạo màng trên các chất nền được nung nóng. CVD áp suất thấp và CVD tăng cường plasma cho phép các lớp phủ trên hình học phức tạp.

Mỗi công nghệ đều có những ưu điểm riêng về mặt kiểm soát, khả năng phủ, tốc độ lắng đọng và chi phí. PVD và CVD đều đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng lắng đọng màng cứng.