الاختلافات بين طلاء الفراغ PVD (ترسب البخار الفيزيائي) والطلاء الكيميائي التقليدي

فيما يتعلق بالمتطلبات البيئية، فإن طلاء الفراغ PVD له متطلبات صارمة للغاية بالنسبة للبيئة. يجب أن يتم تنفيذها في غرفة عالية التفريغ أو عالية التفريغ، حيث تحتاج درجة الفراغ عادة إلى الوصول إلى 10⁻² إلى 10⁻⁶ باسكال. الحاجة إلى بيئة عالية التفريغ هي، من ناحية، عزل الهواء والشوائب، ومنع جزيئات الغاز من الاصطدام بجزيئات الهواء أثناء حركتها، مما قد يسبب المسام والشوائب في طبقة الفيلم ويؤثر على جودة طبقة الفيلم؛ ومن ناحية أخرى، فهو لمنع أكسدة المادة المستهدفة وقطعة العمل في درجات حرارة عالية، مما يضمن التقدم السلس لعملية الطلاء. لتحقيق بيئة عالية الفراغ، يجب أن تكون معدات PVD مجهزة بمجموعات مضخات تفريغ دقيقة، بما في ذلك المضخات الميكانيكية والمضخات الجزيئية، وما إلى ذلك. تكلفة نظام التفريغ بأكمله مرتفعة، ويلزم إجراء صيانة دورية لضمان استقرار درجة الفراغ.

تعتبر المتطلبات البيئية لعمليات الطلاء الكيميائي التقليدية أكثر تساهلاً بكثير. يمكن تنفيذ معظم هذه العمليات تحت ظروف الضغط العادي دون الحاجة إلى معدات التفريغ. تتم جميع العمليات الرئيسية مثل الطلاء الكهربائي والطلاء الكيميائي في البيئات السائلة، وتتطلب فقط إعداد الخلايا الإلكتروليتية المناسبة وخزانات التفاعل، والتحكم في تركيز ودرجة حرارة محلول الإلكتروليت. حتى بالنسبة لعدد قليل من عمليات الطلاء الكيميائي في الطور الغازي (مثل ترسيب البخار الكيميائي CVD)، فإنها تحتاج فقط إلى تنفيذها في بيئات عادية أو منخفضة الضغط دون الحاجة إلى غرف عالية التفريغ. إن ميزة عملية الضغط العادي هذه هي بساطتها في العملية والاستثمار المنخفض في المعدات، مما يجعلها مناسبة لإنتاج دفعة كبيرة الحجم، خاصة للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم.

فيما يتعلق بظروف درجة الحرارة، يتمتع طلاء الفراغ PVD بقدرة أقوى على التحكم في درجة الحرارة ونطاق تطبيق أوسع. يمكن تنفيذ عملية PVD بدرجة حرارة منخفضة في درجة حرارة الغرفة، وهي مناسبة لقطع العمل الحساسة لدرجة الحرارة، مثل المواد البلاستيكية والمطاطية. هذا يتجنب تشوه وشيخوخة قطعة العمل بسبب ارتفاع درجة الحرارة. تعمل عملية PVD ذات درجة الحرارة العالية عادة عند درجات حرارة تتراوح من 300 إلى 600 درجة مئوية، وهي مناسبة للمعادن والسيراميك، ويمكن أن تزيد من تعزيز الالتصاق بين طبقة الفيلم والركيزة. تتيح إمكانية التحكم في درجة الحرارة إمكانية تكييف طلاء PVD مع قطع العمل المصنوعة من مواد مختلفة، مما يجعل سيناريوهات التطبيق أكثر مرونة.

درجة الحرارة في الطلاء الكيميائي التقليدي ثابتة نسبيًا ومنخفضة بشكل عام. تتراوح درجات الحرارة المستخدمة في الطلاء الكهربائي والطلاء الكيميائي في الغالب بين درجة حرارة الغرفة و90 درجة مئوية. يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المفرطة إلى تحلل المنحل بالكهرباء وخروج التفاعل عن نطاق السيطرة، مما يؤثر على جودة طبقة الطلاء. درجة الحرارة للأنودة عادة ما تكون بين درجة حرارة الغرفة و25 درجة مئوية. يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المفرطة إلى طبقة أكسيد فضفاضة ومنفصلة، ​​في حين أن درجة الحرارة المنخفضة جدًا يمكن أن تؤدي إلى معدل تفاعل بطيء وسماكة غير كافية للطبقة. بالإضافة إلى ذلك، في الطلاء الكيميائي التقليدي، يمكن لبعض العمليات ذات درجة الحرارة العالية (مثل CVD التقليدية) أن تصل إلى درجات حرارة تتراوح بين 800-1200 درجة مئوية، ولكن هذه العمليات لها نطاق تطبيق ضيق ويمكن أن يكون لها تأثيرات معينة على أداء قطعة العمل (مثل التسبب في تشوه ونمو حبيبات قطعة العمل).

في عملية المعالجة المسبقة، تتطلب كلا الطريقتين معالجة صارمة لسطح قطعة العمل، ولكن مع تركيزات مختلفة. جوهر المعالجة المسبقة لطلاء الفراغ PVD هو "التنظيف وإزالة الغازات"، لأنه في بيئة مفرغة، يمكن أن تؤثر الشوائب مثل بقع الزيت والأكاسيد والرطوبة الموجودة على سطح قطعة العمل بشكل خطير على التصاق وكثافة طبقة الفيلم. تتضمن العملية المحددة: أولاً، استخدام المذيبات العضوية (مثل الأسيتون والكحول) لإزالة بقع الزيت على سطح قطعة العمل، ثم من خلال الغسيل الحمضي والغسيل القلوي لإزالة الأكاسيد على السطح، وأخيرًا وضع قطعة العمل في غرفة مفرغة للخبز لإزالة الرطوبة والغازات الممتصة داخل قطعة العمل، مما يضمن عدم إنشاء فقاعات شوائب أثناء عملية الطلاء.

جوهر عملية المعالجة المسبقة للطلاء الكيميائي التقليدي هو "تنشيط السطح وتعزيز نشاط التفاعل"، لأن التفاعلات الكيميائية يجب أن تحدث بسلاسة على سطح قطعة العمل. إذا كان هناك زيت أو أكسيد على السطح، فسوف يعيق التفاعل ويمنع تكوين الطلاء أو يجعل الطلاء غير متصل بإحكام. تتضمن عملية المعالجة المسبقة عادةً ما يلي: إزالة الشحوم (إزالة الزيت السطحي)، وإزالة الصدأ (لقطع العمل الفولاذية، وإزالة الصدأ السطحي)، والتنشيط (من خلال المعالجة الحمضية الضعيفة، وإزالة طبقة الأكسيد الرقيقة على السطح لجعل سطح قطعة العمل له نشاط حفاز)، وتتطلب بعض العمليات أيضًا طلاءًا مسبقًا لوضع الأساس للطلاء اللاحق. بالمقارنة مع المعالجة المسبقة لـ PVD، فإن عملية المعالجة المسبقة للطلاء الكيميائي التقليدي أكثر تعقيدًا وستنتج كمية معينة من سائل النفايات.

فيما يتعلق بتعقيد المعدات، فإن معدات الطلاء الفراغي PVD لها تكاليف عالية وبنية معقدة. تشتمل المجموعة الكاملة من معدات PVD على غرف التفريغ، ومجموعات مضخات التفريغ، وأنظمة المواد المستهدفة، وأنظمة إمداد الطاقة، وأنظمة التدفئة، وأنظمة التبريد، وما إلى ذلك. ليس الاستثمار الأولي كبيرًا فحسب، بل يتطلب أيضًا متخصصين للتشغيل والصيانة. يجب استبدال المواد المستهدفة بانتظام، ويجب إصلاح مضخات التفريغ، كما أن تكاليف التشغيل مرتفعة نسبيًا. في المقابل، معدات الطلاء الكيميائي التقليدية بسيطة نسبيًا. يتطلب الطلاء الكهربائي فقط خلية تحليل كهربائي، ومصدر طاقة تيار مستمر، وجهاز تحريك إلكتروليت، بينما يتطلب الطلاء الكيميائي فقط خلية تفاعل، وجهاز تسخين، وجهاز تحريك. الاستثمار في المعدات منخفض، والعملية بسيطة، ويمكن للعمال العاديين البدء بتدريب بسيط. تكلفة الصيانة منخفضة أيضًا، مما يجعلها مناسبة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.

من حيث قوة الترابط بين طبقة الفيلم والركيزة، فإن طلاء الفراغ PVD له ميزة مطلقة. بسبب عملية PVD، فإن الجسيمات الغازية (خاصة الأيونات الموجودة في الطلاء الأيوني) تحمل طاقة معينة. عند ترسبها على سطح قطعة العمل، فإنها ستخضع للانتشار والاختراق وحتى تشكيل روابط معدنية أو انتشارية مع ذرات الركيزة. طريقة الربط هذه قوية للغاية، مع قوة ربط تتراوح عادة من 50 إلى 100 نيوتن. وهذا يعني أن طبقة فيلم PVD ليست عرضة للتقشير أو التقشر، ويمكنها تحمل مستويات عالية من الاحتكاك، والتأثير، والانحناء. حتى في ظروف العمل المعقدة (مثل القطع عالي السرعة عن طريق أدوات القطع أو الحركة المتكررة للمكونات)، يمكنها الحفاظ على أداء مستقر. على سبيل المثال، أدوات قطع الفولاذ عالية السرعة التي نستخدمها يوميًا، بعد معالجة طلاء PVD، لن تتآكل بسهولة أو تتقشر حتى بعد قطع المعادن عالي السرعة على المدى الطويل، مما يزيد من عمر الأداة بشكل كبير.

قوة الترابط للطلاء الكيميائي التقليدي ضعيفة نسبيًا. معظمها عبارة عن امتزاز فيزيائي أو تركيبة ميكانيكية، مع قوة ربط تتراوح بشكل عام من 10 إلى 30 نيوتن. بأخذ الطلاء الكهربائي كمثال، يتم تشكيل طبقة الطلاء عن طريق ترسيب اختزال أيونات المعادن، ولا يوجد ترابط على المستوى الذري بين طبقة الطلاء والركيزة. يتم تثبيته فقط بواسطة قوة امتصاص السطح وقوة التشابك الميكانيكية. في ظل ظروف درجات الحرارة العالية والاحتكاك والتأثير أو الانحناء، تكون مشاكل مثل التقرح والتقشير والتشقق عرضة لحدوثها. على سبيل المثال، في أجزاء الأجهزة التقليدية المطلية بالكروم، بعد الاستخدام أو التأثير على المدى الطويل، سوف تتقشر طبقة الكروم الموجودة على السطح، مما يفضح المعدن الأساسي الأساسي، مما يؤثر على المظهر والأداء المضاد للتآكل؛ على الرغم من أن قوة الترابط للطلاء الكيميائي أفضل قليلاً من قوة الطلاء الكهربائي، إلا أنها أيضًا عرضة للتآكل والانفصال في ظل ظروف الحمل العالي.

فيما يتعلق بكثافة ونقاء طبقة الفيلم، فإن طلاء الفراغ PVD يؤدي أيضًا أداءً جيدًا بشكل استثنائي. نظرًا لأن عملية PVD تتم في بيئة ذات فراغ عالٍ، يتم عزل الشوائب والرطوبة الموجودة في الهواء بشكل فعال. أثناء ترسيب الجزيئات الغازية، لا يتم إزعاجها بالشوائب، وبالتالي فإن بنية طبقة الغشاء المتكونة تكون كثيفة للغاية مع مسامية منخفضة جدًا (قريبة من المسامية الصفرية). يمكن لطبقة الغشاء الكثيفة هذه أن تمنع بشكل فعال الوسائط الخارجية المسببة للتآكل (مثل الهواء والرطوبة والأحماض والقلويات) من الاختراق وتمنع تآكل الركيزة. وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا منع الشوائب من دخول طبقة الفيلم والتأثير على أداء طبقة الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، نقاء طبقة فيلم PVD عالية للغاية. تكوين طبقة الفيلم هو في الأساس نفس تكوين المادة المستهدفة، ويمكن ضبط نسبة تكوين طبقة الفيلم بدقة عن طريق التحكم في نسبة المادة المستهدفة لإعداد طبقات الفيلم المركبة ذات الخصائص الخاصة (مثل TiN، CrN، AlTiN، وما إلى ذلك)، وتلبية متطلبات السيناريوهات المختلفة.

كثافة ونقاء طبقة الفيلم في الطلاء الكيميائي التقليدي ضعيفة نسبيًا. نظرًا لأن معظم الطلاءات الكيميائية يتم تنفيذها في بيئة سائلة، فإن المنحل بالكهرباء يحتوي حتمًا على مواد مضافة وأيونات شوائب وما إلى ذلك. سيتم تغليف هذه الشوائب داخل طبقة الفيلم أثناء عملية الترسيب، مما يؤدي إلى عيوب مثل المسام الدقيقة والثقوب في طبقة الفيلم، مع معدل مسامية مرتفع. على سبيل المثال، معدل المسامية للطبقات المطلية بالكهرباء يتراوح عادة بين 1% و5%. ستصبح هذه المسام الصغيرة "قنوات" للوسائط المسببة للتآكل، مما يتسبب في تآكل الركيزة. لذلك، تحتاج العديد من الأجزاء المطلية بالكهرباء إلى الخضوع لمعالجة مانعة للتسرب (مثل طلاء عامل مانع للتسرب) لتحسين مقاومتها للتآكل. وفي الوقت نفسه، فإن تكوين طبقة الفيلم في الطلاء الكيميائي التقليدي ليس نقيًا بدرجة كافية، حيث يحتوي على أيونات شوائب من المنحل بالكهرباء وعوامل اختزال متبقية، مما يؤثر على استقرار أداء طبقة الفيلم. على سبيل المثال، ستحتوي طبقة الطلاء بالنيكل الكيميائي على كمية صغيرة من الفوسفور، مما يمكن أن يعزز صلابة طبقة الفيلم، ولكنه سيقلل أيضًا من صلابتها.

من حيث صلابة ومقاومة التآكل لطبقة الطلاء، فإن مزايا طلاء الفراغ PVD أكثر وضوحًا. يمكن لعملية PVD أن تنتج طلاءات سيراميك وطلاءات سيراميك معدنية ذات صلابة عالية. صلابة طبقات الطلاء هذه أعلى بكثير من الطلاءات الكيميائية التقليدية. على سبيل المثال، طلاء TiN (نيتريد التيتانيوم) شائع الاستخدام لديه صلابة تتراوح بين 2000-2500 HV (صلابة فيكرز)، في حين أن صلابة طلاء الكروم التقليدي هي 800-1200 HV فقط، وصلابة طلاء سبائك النيكل والفوسفور الكيميائي حوالي 500-600 HV. حتى بعد المعالجة الحرارية، يمكن أن تزيد الصلابة إلى حوالي 1000 فولت فقط. الصلابة الأعلى تعني مقاومة أفضل للتآكل. ولذلك، فإن طبقات طلاء PVD مناسبة جدًا للسيناريوهات التي تتطلب احتكاكًا وتآكلًا عالي السرعة، مثل أدوات القطع والقوالب والمكونات الدقيقة. على سبيل المثال، بعد معالجة أدوات قطع السبائك الصلبة بطبقة PVD AlTiN، يمكن زيادة مقاومة التآكل بمقدار 3-5 مرات، ويمكن إطالة عمر الخدمة الخاص بها بمقدار 2-4 مرات، مما يقلل تكاليف الإنتاج بشكل فعال.

يتميز الطلاء الكيميائي التقليدي بصلابة منخفضة نسبيًا ومقاومة تآكل ضعيفة، مما يجعله أكثر ملاءمة للسيناريوهات ذات المتطلبات المنخفضة لمقاومة التآكل، مثل الديكور ومقاومة التآكل. على سبيل المثال، تهدف المجوهرات المطلية بالذهب والفضة بشكل أساسي إلى الجماليات ومستوى معين من الأداء المضاد للتآكل، مع متطلبات منخفضة نسبيًا لمقاومة التآكل؛ تخدم الأجزاء الفولاذية المجلفنة بشكل أساسي غرض مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل ليست سوى متطلب إضافي.

وفيما يتعلق بميزات حماية البيئة، فإن الاختلافات بين الاثنين مهمة بشكل خاص. وهذا أيضًا أحد الأسباب التي جعلت الطلاء الفراغي PVD يحل تدريجياً محل الطلاء الكيميائي التقليدي في السنوات الأخيرة. يتم تنفيذ الطلاء الفراغي PVD بالكامل في بيئة مفرغة، دون استخدام إلكتروليتات أو عوامل اختزال أو أي كواشف كيميائية، ولا ينتج نفايات سائلة.