Das Vakuumbeschichten von Keramiktassen ist ein Verfahren, bei dem Metall- oder Verbindungsmaterialien durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) in einer Vakuumumgebung auf die Oberfläche des Tassenkörpers aufgebracht werden, wodurch dekorative (z. B. metallischer Glanz, Farbverlauf) oder funktionelle (z. B. verschleißfest, hydrophob) Filmschichten entstehen. Es wird hauptsächlich verwendet, um die Erscheinungstextur und Haltbarkeit von Tassen zu verbessern. Gängige Verfahren sind das Magnetronsputtern und die Vakuumbedampfungsbeschichtung.
I. Kernvoraussetzung: Vorbehandlung von Keramiksubstraten
Keramiken sind nichtmetallische Materialien mit glatten Oberflächen und starker chemischer Beständigkeit. Direktes Beschichten ist anfällig für das Ablösen des Films, daher ist die Vorbehandlung ein wichtiger Schritt.
Reinigen und Entfernen von Verunreinigungen
Verwenden Sie zunächst Ultraschallreinigung, um Ölflecken, Staub und restliches Keramikpulver auf der Oberfläche des Tassenkörpers zu entfernen. Spülen Sie erneut mit deionisiertem Wasser, trocknen Sie es und legen Sie es dann in die Vakuumkammer, um zu verhindern, dass Verunreinigungen die Haftung der Filmschicht beeinträchtigen.
Plasmaaktivierung
Führen Sie Argongas in die Vakuumkammer ein und schalten Sie die Ionenquelle ein, um Plasma zu erzeugen. Hochenergetische Argonionen bombardieren die Keramikoberfläche, ätzen winzige Gruben, erhöhen die Oberflächenrauheit (wodurch ein "Verankerungseffekt" entsteht) und entfernen gleichzeitig die Oberflächenoxidschicht, wodurch die Substratoberfläche aktiviert und die Grundlage für die anschließende Beschichtung geschaffen wird.
Übergangsschichtabscheidung (optional)
Für Szenarien, die eine hohe Haftung erfordern, wird zuerst eine Metallübergangsschicht (z. B. Titan oder Chrom) abgeschieden. Durch Ausnutzung der chemischen Bindung zwischen der Übergangsschicht und der Keramik wird eine "Brücke" zwischen dem Keramiksubstrat und der Funktionsfilmschicht aufgebaut, um zu verhindern, dass sich die Filmschicht ablöst.
II. Funktionsprinzipien der beiden gängigsten Beschichtungsverfahren
Vakuumbedampfungsbeschichtung (geeignet für dekorative Metallfilme, mit relativ geringen Kosten)
Bei diesem Verfahren wird das Zielmaterial erhitzt, um es in gasförmige Atome zu verdampfen, die dann auf der Oberfläche von Niedertemperaturkeramiken zu einem Film kondensieren. Es wird häufig verwendet, um metallische Glanzfilmschichten wie Gold und Silber herzustellen.
- Evakuierung: Starten Sie das Vakuumsystem und evakuieren Sie den Vakuumgrad des Hohlraums auf das erforderliche Niveau von 10 −3 bis 10 −4 Pa, wodurch die Kollisionsstörung von Gasmolekülen auf verdampften Atomen reduziert und eine gleichmäßige und dichte Filmschicht sichergestellt wird.
- Erhitzen und Verdampfen des Zielmaterials: Metallische Ziele wie Aluminium, Gold und Kupfer werden in einer Verdampfungsquelle (Widerstandsverdampfungsquelle oder Elektronenstrahlverdampfungsquelle) platziert. Die Elektronenstrahlverdampfungsquelle kann Wärme präzise fokussieren und die Temperatur des Zielmaterials schnell auf seinen Siedepunkt erhöhen und es in hochreinen Metallatomdampf verdampfen.
- Filmbeschichtung: Keramiktassen werden auf einem Werkstückhalter befestigt, der sich sowohl auf als auch um die Sonne dreht. Metallatomdampf bewegt sich in einer Vakuumumgebung geradlinig und kondensiert beim Auftreffen auf die Oberfläche der Niedertemperaturtasse und sammelt sich allmählich an, um eine kontinuierliche Metallfilmschicht zu bilden. Die Dicke der Filmschicht kann durch Steuerung der Abscheidungszeit angepasst werden (normalerweise 0,1 bis 1 μm).
Nachdem die Beschichtung abgeschlossen ist, schalten Sie die Verdampfungsquelle aus und halten Sie eine Vakuumumgebung aufrecht, um auf Raumtemperatur abzukühlen, um Spannungsrisse der Beschichtungsschicht aufgrund übermäßiger Temperaturunterschiede zu vermeiden. Führen Sie abschließend Inertgas in den Hohlraum ein, um den Druck abzubauen und das Werkstück zu entfernen.
2. Magnetronsputterbeschichtung (geeignet für hochverschleißfeste und funktionelle Verbundfilme, mit überlegener Leistung)
Dieses Verfahren verwendet Plasma, um das Zielmaterial zu bombardieren, wodurch die Zielmaterialatome herausgesputtert werden und sich auf der Oberfläche der Tasse ablagern. Die Haftung und Verschleißfestigkeit der Filmschicht übertreffen bei weitem die der Verdampfungsbeschichtung, und es können Verbundfilmschichten wie Titannitrid (Gold) und Titancarbid (Schwarz) hergestellt werden.
- Vakuum- und Plasmaerzeugung: Evakuieren Sie auf einen Druck von 10 −2 bis 10 −3 Pa, führen Sie Argongas ein und legen Sie ein Hochspannungs-Elektrofeld an. Das Argongas ionisiert zu Argonionen und Elektronen und bildet Plasma.
- Magnetfeld-Einschluss zur verbesserten Sputterung: Auf der Rückseite des Zielmaterials wird ein Magnet installiert, um ein Magnetfeld zu bilden. Das Magnetfeld schränkt die Elektronen auf eine spiralförmige Bewegung ein, verlängert ihre Verweilzeit in der Nähe des Zielmaterials, erhöht die Wahrscheinlichkeit der Kollision mit Argonmolekülen, erzeugt mehr Argonionen und erhöht die Sputtereffizienz erheblich.
- Sputtern und Abscheiden von Zielmaterialatomen: Hochenergetische Argonionen bombardieren die Oberfläche des Zielmaterials, und die Zielmaterialatome werden durch Impulsübertragung "herausgeschlagen" (Sputterprozess). Gesputterte Atome fliegen in einer Vakuumumgebung zur Oberfläche von Keramiktassen und lagern sich ab, um eine dichte Filmschicht zu bilden. Wenn reaktive Gase wie Stickstoff und Methan eingeführt werden, können sie auch mit gesputterten Atomen reagieren, um funktionelle Filmschichten von Verbindungen wie Titannitrid und Titancarbid zu bilden.
- Nachbehandlung (optional): Einige Verfahren werden nach der Beschichtung einem Niedertemperaturglühen unterzogen, um die Haftung zwischen der Filmschicht und dem Substrat weiter zu verbessern und die Härte der Filmschicht zu erhöhen.
III. Verfahrensmerkmale und Anwendungsvorteile
- Die Filmschicht hat eine ausgezeichnete Leistung: Die durch Vakuumbeschichtung gebildete Filmschicht ist gleichmäßig und dicht, ohne Defekte wie Durchhängen und Orangenhaut. Die Verschleißfestigkeit kann über 4H (Bleistifthärte) erreichen, und sie ist beständig gegen Alkohol-, Säure- und Alkalikorrosion, wodurch sie für den täglichen Gebrauch geeignet ist.
- Umweltfreundlich und schadstofffrei: Während des gesamten Prozesses werden keine organischen Lösungsmittel oder Schwermetalle emittiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Sprühverfahren entspricht es eher den Standards der grünen Produktion.
- Starke dekorative Wirkung: Es kann verschiedene Erscheinungseffekte wie metallischen Glanz, Farbverlauf und Matt erreichen und so den Anforderungen der personalisierten Anpassung gerecht werden. Es wird häufig in der Oberflächenbehandlung von hochwertigen Keramiktassen und kulturellen und kreativen Geschenkbechern verwendet.
Häufige Defekte und Lösungen der Vakuumbeschichtung auf Keramiktassen
1. Ablösen/Abblättern der Filmschicht
Typische Manifestationen: Die Filmschicht fällt während des Klebebandtests nach dem Beschichten in großen Stücken ab, oder große Bereiche blättern nach täglichen Stößen und Schlägen ab. Hauptursachen
- Die Keramikoberfläche wurde nicht gründlich gereinigt, wodurch Verunreinigungen wie Ölflecken und Staub zurückblieben.
- Ohne Plasmaaktivierungsbehandlung ist die Oberflächenenergie des Substrats gering, wodurch die Haftung der Filmschicht erschwert wird.
- Es wurde keine Übergangsschicht abgeschieden, und es fehlt eine Bindungs-"Brücke" zwischen der Keramik und der Funktionsfilmschicht.
- Wenn die Abkühlrate nach dem Beschichten zu hoch ist, werden erhebliche Spannungen innerhalb der Beschichtungsschicht erzeugt, was zu Rissen und Ablösungen führt.
Gezielte Lösungen
- Verlängern Sie die Ultraschallreinigungszeit auf 15 bis 20 Minuten. Nach der Reinigung mit deionisiertem Wasser spülen und die Tasse dann in einem Ofen bei 80 bis 100 Grad Celsius trocknen, um Oberflächenverunreinigungen gründlich zu entfernen.
- Verlängern Sie die Plasmaaktivierungszeit auf 5 bis 10 Minuten, erhöhen Sie die Ionenbombardierungsleistung angemessen und erhöhen Sie die Oberflächenrauheit der Keramik durch Hochenergie-Ionenätzen, um die Oberflächenaktivität zu erhöhen.
- Fügen Sie den Abscheidungsprozess von Metallübergangsschichten wie Titan und Chrom hinzu und steuern Sie die Dicke der Übergangsschicht auf 50 bis 100 nm. Verwenden Sie chemische Bindungen, um die Haftung zwischen dem Film und dem Substrat zu verbessern.
- Das gestufte Abkühlverfahren wird angewendet. Nach Abschluss der Beschichtung wird es in einer Vakuumumgebung auf Raumtemperatur abgekühlt, und dann wird Inertgas in den Hohlraum eingeführt, um den Druck abzubauen und es aus dem Ofen zu entfernen, wodurch Temperaturunterschiedsspannungen vermieden werden.
2. Farbunterschied/ungleichmäßiger Glanz der Filmschicht
Typische Manifestationen: Die Farbtiefe der Tassen in derselben Charge variiert, oder es gibt helle Flecken oder Streifen auf der Oberfläche einzelner Tassen, mit erheblichen Unterschieden im Glanz. Hauptursachen
- Die ungleichmäßigen Eigendreh- und Umlaufgeschwindigkeiten des Werkstückrahmens führen zu erheblichen Unterschieden in den Abscheidungsraten der Filmschicht an verschiedenen Teilen des Tassenkörpers.
- Der Vakuumgrad in der Vakuumkammer schwankt, und Gasmoleküle stören den Abscheidungsprozess von Zielmaterialatomen, was die Gleichmäßigkeit der Filmschicht beeinträchtigt.
- Oxidation oder das Auftreten von "Knötchen" auf der Oberfläche des Zielmaterials führt zu instabilen Sputter-/Verdampfungsraten und ungleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke der Filmschicht.
- Die Einspannposition des Tassenkörpers ist unsachgemäß, und es gibt Hindernisse auf der Tassenmündung, dem Griff und anderen Teilen, wodurch Schattenbereiche der Beschichtung entstehen.
Gezielte Lösungen
- Kalibrieren Sie die Drehzahlparameter des Werkstückgestells, indem Sie die Eigendrehzahl auf 10 bis 20 U/min und die Umlaufgeschwindigkeit auf 5 bis 10 U/min steuern, um sicherzustellen, dass alle Teile des Tassenkörpers gleichmäßig beschichtet werden.
- Überprüfen Sie die Dichtungsleistung des Vakuumsystems und ersetzen Sie die gealterten Dichtungsringe. Evakuieren Sie vor dem Beschichten die Luft gründlich. Starten Sie den Beschichtungsprozess erst, nachdem sich der Vakuumgrad stabilisiert hat, um Schwankungen des Vakuumgrads während des Prozesses zu vermeiden.
- Sputtern Sie das Zielmaterial vor der Verwendung 3 bis 5 Minuten lang vor, um die Oberflächenoxidschicht zu entfernen. Reinigen Sie regelmäßig die "Klumpen" auf der Oberfläche des Zielmaterials und ersetzen Sie das stark abgenutzte Zielmaterial rechtzeitig.
- Optimieren Sie die Einspannmethode des Tassenkörpers, passen Sie den Winkel der Vorrichtung an, vermeiden Sie, dass die Tassenmündung und der Griff den Beschichtungsweg blockieren, und stellen Sie sicher, dass der Tassenkörper ohne tote Ecken beschichtet wird.
III. Nadellöcher/Gruben in der Filmschicht
Typische Manifestationen: Feine Gruben oder Löcher sind auf der Oberfläche der Filmschicht verteilt, und die Defekte sind besonders deutlich, wenn sie unter Licht betrachtet werden. Hauptursachen
- Restliche Verunreinigungspartikel in der Vakuumkammer fallen während des Beschichtungsprozesses auf die Oberfläche der Tasse und bilden Nadellöcher.
- Das Keramiksubstrat selbst weist Defekte wie Poren und Risse auf, und nach dem Beschichten manifestieren sich diese Defekte direkt als Grubenbildung.
- Das Öl der Vakuumpumpe unterliegt einer Rückverdampfung, und der Ölnebel gelangt in den Hohlraum, wodurch die Filmschicht verunreinigt und Gruben gebildet werden.
Gezielte Lösungen
- Wischen Sie die Innenwände der Vakuumkammer regelmäßig mit einem fusselfreien Tuch ab. Starten Sie vor dem Beschichten das Kammerbackprogramm, um das Wasser und die Verunreinigungen zu entfernen, die an den Innenwänden adsorbiert sind. Installieren Sie bei Bedarf Staubschutzfilter im Inneren des Hohlraums.
- Kontrollieren Sie die Qualität der keramischen Grundmaterialien streng und wählen Sie Tassenkörper ohne Poren und Risse aus. Für Substrate mit geringfügigen Defekten kann zunächst eine Glasurbehandlung durchgeführt werden, um die Oberflächenporen zu füllen, und dann kann die Beschichtung aufgetragen werden.
- Ersetzen Sie das Vakuumöl, das speziell für Molekularpumpen entwickelt wurde, und überprüfen Sie, ob das Ölpumpenrückschlagventil normal ist. Installieren Sie einen Ölnebelsammler, um zu verhindern, dass Vakuumöl in den Hohlraum rückverdampft und die Filmschicht verunreinigt.
IV. Geringe Verschleißfestigkeit der Filmschicht
Typische Manifestationen: Das Bleistifthärte-Testergebnis ist weniger als 3H, oder nach dem täglichen Abwischen erscheinen deutliche Kratzer auf der Oberfläche der Filmschicht. Hauptursachen
- Die Filmschicht ist zu dünn, normalerweise weniger als 0,3 μm, wodurch es schwierig ist, der äußeren Reibung zu widerstehen.
- Die Magnetronsputterleistung ist zu gering, die Sputterenergie der Zielmaterialatome ist unzureichend und die Dichte der Filmschicht ist schlecht.
- Eine unsachgemäße Proportionierung des Reaktionsgases führt zu einer geringen Kristallinität der Verbundfilmschicht (z. B. Titannitrid) und einem Rückgang der Verschleißfestigkeit.
Gezielte Lösungen
- Verlängern Sie die Abscheidungszeit der Beschichtung und steuern Sie die Dicke der Filmschicht innerhalb von 0,5 bis 1 μm, um sicherzustellen, dass die Filmschicht eine ausreichende verschleißfeste Grundlage hat.
- Passen Sie die Sputterleistung auf 200-400 W entsprechend dem Material des Ziels an, um die atomare Sputterenergie zu erhöhen und die Dichte und Härte der Filmschicht zu erhöhen.
- Durch Verfahrensexperimente wurde das Durchflussverhältnis der Reaktionsgase (z. B. Stickstoff und Sauerstoff) optimiert, um die Kristallinität der Verbundfilmschicht zu erhöhen und ihre Verschleißfestigkeit zu verbessern.
V. Verfärbung/Oxidation des Films
Typische Manifestationen: Vergilbung oder Schwärzung tritt innerhalb kurzer Zeit nach dem Beschichten auf, oder der Glanz der Beschichtungsschicht dunkelt sich ab und die metallische Textur geht nach einer gewissen Zeit der Lagerung verloren. Hauptursachen
- Wenn beim Druckabbau nach dem Beschichten zu schnell Luft eingeführt wird, kommt die Hochtemperaturfilmschicht mit der Luft in Kontakt und unterliegt einer Oxidationsreaktion.
- Die oberste Schicht des Antioxidationsschutzfilms wird nicht abgeschieden, und die Filmschicht ist direkt der Luft ausgesetzt, was anfällig für Oxidation und Korrosion ist.
- Die Lagerumgebung des fertigen Produkts ist feucht, und es kommt zu elektrochemischer Korrosion auf der Oberfläche der Filmschicht.
Gezielte Lösungen
- Beim Druckabbau sollten zunächst Inertgase wie Argon und Stickstoff eingeführt werden, um die Kammer zu verdrängen. Sobald die Temperatur der Tasse unter 50 °C sinkt, sollte langsam Luft eingeführt werden, um eine Hochtemperaturoxidation zu verhindern.
- Auf der Oberfläche der Funktionsfilmschicht wird eine 50-100 nm SiO₂-Antioxidationsschicht abgeschieden, um die Erosion der darunter liegenden Filmschicht durch Luft und Wasserdampf zu isolieren.
- Lagern Sie die fertigen Tassen in einer trockenen und gut belüfteten Umgebung und vermeiden Sie direkten Kontakt mit korrosiven Substanzen wie Wasser, Säure- und Alkalilösungen. Beim Verpacken können Trockenmittel hinzugefügt werden, um Feuchtigkeit zu vermeiden.
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