Nella produzione industriale moderna e nella vita quotidiana, la tecnologia di rivestimento superficiale è onnipresente - che va dalla decorazione resistente all'usura dei caschi dei telefoni cellulari, alla protezione del lucido dei gioielli,al miglioramento delle prestazioni degli stampi utensiliLa tecnologia di rivestimento è di grande importanza per la produzione di prodotti di alta qualità, per il trattamento anticorrosione delle parti automobilistiche e persino per la produzione di chip a semiconduttori.i due tipi di tecnologia di rivestimento più utilizzati sul mercato sono il rivestimento a vuoto PVD e il rivestimento chimico tradizionaleSebbene entrambe mirino in ultima analisi a formare una speciale pellicola funzionale sulla superficie del pezzo da lavorare, esistono differenze fondamentali nei loro principi tecnici, procedure di processo, proprietà della pellicola,e scenari di applicazioneQuesto articolo adotterà una prospettiva della scienza popolare e spiegherà le differenze fondamentali tra i due in modo semplice e comprensibile,aiutare tutti a comprendere chiaramente le caratteristiche e gli scenari di applicazione di queste due tecnologie di rivestimento comunemente utilizzate.
In primo luogo, è necessario definire chiaramente le definizioni di base di due concetti fondamentali: rivestimento a vuoto PVD, noto anche come deposizione fisica dei vapori (PVD), che, come suggerisce il nome,è una tecnologia che realizza la deposizione di pellicole attraverso metodi fisici in un ambiente vuoto■ il tradizionale rivestimento chimico si basa su reazioni chimiche e avviene a pressione normale o in ambienti ordinari;in cui le sostanze di rivestimento aderiscono alla superficie del pezzo da lavorare attraverso azioni chimiche per formare uno strato di pellicolaI processi più comuni come la galvanoplastica, la placcatura chimica e l'anodizzazione rientrano tutti in questa categoria.La differenza più fondamentale tra i due risiede nella distinzione essenziale tra "dominanza di processo fisico" e "dominanza di reazione chimica", e questa differenza attraversa ogni aspetto del processo, delle prestazioni e dell'applicazione.
I. Principio fondamentale: deposizione fisica contro reazione chimica
Il principio fondamentale del rivestimento a vuoto PVD è che "in un ambiente a vuoto, i materiali di rivestimento solidi (denominati bersagli) vengono trasformati in particelle gassose,e poi queste particelle sono fissate uniformemente alla superficie del pezzo da lavorareDopo il raffreddamento, si forma una pellicola densa". L'intero processo non comporta complesse reazioni chimiche; si verificano solo una piccola quantità di effetti fisici superficiali (come adsorbimento e diffusione).È equivalente a "trasformare materiali solidi in 'polveri gassose' e poi spruzzarli e condensarli uniformemente sul pezzo da lavorare. "
Le attuali tecnologie PVD tradizionali possono essere classificate in tre tipi, ognuno adatto a esigenze applicative diverse.che prevede il riscaldamento del materiale bersaglio al di sopra del suo punto di ebollizione mediante metodi quali il riscaldamento a resistenza o il bombardamento con fascio di elettroniQuesto fa sì che il materiale bersaglio si evapori direttamente in atomi gassosi, che si muovono liberamente nel vuoto e si condensano rapidamente quando si trovano su una superficie più fredda.formando un filmQuesta tecnologia è relativamente semplice da usare ed è adatta per la preparazione di pellicole metalliche, di pellicole ottiche, ecc.Le pellicole antiriflesso per le lenti degli occhiali e le pellicole metalliche per alcune parti decorative sono spesso prodotte con questo metodoIl secondo tipo è il rivestimento a sputtering, che è attualmente la tecnologia PVD più utilizzata.Il suo principio consiste nel bombardare la superficie bersaglio con ioni ad alta energia (come gli ioni argon) e utilizzare l'effetto di collisione per espellere gli atomi del materiale bersaglioQuesti atomi sputter hanno una certa energia e si depositano uniformemente sulla superficie del pezzo da lavorare per formare uno strato di pellicola.Il vantaggio del rivestimento a spruzzo è la buona uniformità dello strato di pellicola e la forte adesioneIl terzo tipo è il rivestimento ionico, che consente di preparare strati di pellicola ad alta durezza e di elevata manutenzione, come ad esempio rivestimenti resistenti all'usura sulle superfici degli utensili e degli stampi.Introduce un campo elettrico sulla base di evaporazione o sputtering., causando la ionizzazione di particelle gassose in ioni, accelerati dal campo elettrico e che bombardano la superficie del pezzo,che non solo consente un legame più stretto tra lo strato di pellicola e il pezzo da lavorare, ma aumenta anche la densità dello strato di pellicolaÈ spesso utilizzato in componenti di precisione, dispositivi medici, ecc., dove le prestazioni dello strato di pellicola sono molto richieste.
A differenza del rivestimento a vuoto PVD, il nucleo del rivestimento chimico tradizionale è "attraverso reazioni chimiche,consentendo al materiale di rivestimento di formarsi spontaneamente o di ridursi e di depositarsi sulla superficie del pezzo"L'intero processo si basa su condizioni termodinamiche e cinetiche chimiche rigorose, equivalenti a "fare della superficie del pezzo di lavoro lo "stadio" per le reazioni chimiche,e generando una nuova sostanza sotto forma di film attraverso le reazioni".
Le principali tecnologie di rivestimento chimico tradizionale hanno anche tre tipi, e i loro principi di reazione e scenari di applicazione sono diversi.che è la tecnologia di rivestimento chimico più familiarePer esempio, la cromatura di parti hardware, la zincatura di parti in acciaio e la placcatura in oro di gioielli adottano tutti il processo di elettroplata.,e il metallo di rivestimento (come cromo, zinco, oro) come anodo, insieme all'elettrolita contenente gli ioni metallici di rivestimento, e quindi applicare un campo elettrico a corrente continua.Sotto l' azione del campo elettrico, gli ioni metallici nell'elettrolita si muoveranno verso il catodo (il pezzo da lavorare), guadagnano elettroni e vengono ridotti ad atomi metallici.Questi atomi continueranno ad accumularsi sulla superficie del pezzo da lavoroLa chiave per la galvanoplastica è controllare la concentrazione dell'elettrolita, la dimensione della corrente e la temperatura.per garantire la reazione stabile e ottenere uno strato di pellicola uniforme e lucidoIl secondo è il rivestimento chimico, che non richiede un campo elettrico esterno, ma si basa solo sull'agente riduttore nell'elettrolita per ridurre gli ioni metallici di rivestimento ad atomi metallici.Questi atomi si depositeranno spontaneamente sulla superficie cataliticamente attiva del pezzoPer esempio, il rivestimento in lega chimica di nichel-fosforo comunemente utilizzato nell'industria consiste nell'utilizzo di ipofosfito di sodio come agente riducente per ridurre gli ioni di nichel in atomi di nichel,per la deposizione su una superficie di acciaioIl vantaggio del rivestimento chimico è che non richiede una corrente elettrica, è adatto per la realizzazione didi larghezza superiore a 50 mmIl terzo è l'ossidazione anodica, principalmente per l'alluminio, il magnesio e il magnesio.,Il principio è quello di utilizzare il pezzo di lavoro come anodo, metterlo in un elettrolita specifico (come l'acido solforico, l'acido ossalico) e, dopo aver applicato una corrente elettrica,la superficie del pezzo di lavoro subirà una reazione di ossidazioneQuesta pellicola di ossido non solo migliora la resistenza alla corrosione del pezzo da lavorare, ma può anche essere ottenuta con diversi colori attraverso il trattamento della colorazione,spesso utilizzato in porte e finestre in lega di alluminio, conchiglie di cellulari, componenti per l'aviazione, ecc. Ad esempio, lo strato protettivo colorato sulla superficie del telaio del cellulare in lega di alluminio,che è per lo più preparato mediante tecnologia di ossidazione anodica.
II. Condizioni di processo: precisione sotto vuoto contro semplicità a pressione normale
A causa dei diversi principi, le condizioni di processo del rivestimento a vuoto PVD e del rivestimento chimico tradizionale presentano anche differenze significative.requisiti ambientali, controllo della temperatura, procedure di pretrattamento e complessità delle attrezzature.
Requisiti ambientali:
Per quanto riguarda i requisiti ambientali, il rivestimento a vuoto PVD ha requisiti ambientali estremamente severi.con il grado di vuoto che in genere deve raggiungere da 10−2 a 10−6 PaLa necessità di un ambiente ad alto vuoto è, da un lato, di isolare l'aria e le impurità, impedendo alle particelle di gas di scontrarsi con le molecole d'aria durante il loro movimento,che potrebbero causare pori e impurità nello strato di film e influenzare la qualità dello strato di film■ d'altra parte, impedisce l'ossidazione del materiale e del pezzo di lavoro a temperature elevate, garantendo così il regolare svolgimento del processo di rivestimento.Per ottenere un ambiente ad alto vuoto, le apparecchiature PVD devono essere dotate di precisi set di pompe a vuoto, comprese pompe meccaniche e pompe molecolari, ecc.e la manutenzione regolare è necessaria per garantire la stabilità del grado di vuoto.
I requisiti ambientali per i processi tradizionali di rivestimento chimico sono molto più moderati.La maggior parte di questi processi può essere eseguita in condizioni di pressione normale senza la necessità di attrezzature a vuotoI principali processi, quali l'elettroplatazione e il rivestimento chimico, sono tutti condotti in ambienti liquidi e richiedono solo la preparazione di celle elettrolitiche e serbatoi di reazione appropriati.e controllare la concentrazione e la temperatura della soluzione elettrolitaAnche per alcuni processi di rivestimento chimico in fase gassosa (come la deposizione chimica di vapore CVD),devono essere eseguiti solo in ambienti normali o a bassa pressione senza la necessità di camere ad alto vuotoIl vantaggio di questa operazione a pressione normale è la sua semplicità di processo e il basso investimento di attrezzature, che la rendono adatta alla produzione su larga scala.specialmente per le piccole e medie imprese.
Condizioni di temperatura:
In termini di condizioni di temperatura, il rivestimento a vuoto PVD ha una maggiore regolabilità della temperatura e una gamma di applicazioni più ampia.con una lunghezza massima non superiore a 50 mm,Questo evita la deformazione e l'invecchiamento del pezzo a causa dell'alta temperatura.Il processo PVD ad alta temperatura opera in genere a temperature comprese tra 300 e 600 gradi Celsius, che è adatto a metalli e ceramiche e può migliorare ulteriormente l'adesione tra lo strato di pellicola e il substrato.Questa regolabilità della temperatura consente di adattare il rivestimento PVD a pezzi di lavoro di materiali diversi, rendendo gli scenari di applicazione più flessibili.
La temperatura del rivestimento chimico tradizionale è relativamente fissa e generalmente bassa.Un'eccessiva temperatura può causare la decomposizione dell'elettrolita e una reazione incontrollabileLa temperatura per l'anodizzazione è di solito compresa tra la temperatura ambiente e i 25°C. Una temperatura eccessiva può causare una pellicola di ossido allentata e staccata,mentre una temperatura troppo bassa può comportare una velocità di reazione lenta e uno spessore del film insufficienteInoltre, nel rivestimento chimico tradizionale, alcuni processi ad alta temperatura (come il CVD tradizionale) possono raggiungere temperature di 800-1200°C.ma questi processi hanno un campo di applicazione ristretto e possono avere determinati impatti sulle prestazioni del pezzo di lavoro (come causare deformazioni e crescita dei grani del pezzo di lavoro).
Processo di pretrattamento:
Nel processo di pretrattamento, entrambi i metodi richiedono un trattamento rigoroso della superficie del pezzo da lavorare, ma con focali differenti.Il nucleo del pretrattamento per il rivestimento a vuoto PVD è la "pulizia e disgasatura", perché in un ambiente a vuoto, impurità quali macchie di olio, ossidi e umidità sulla superficie del pezzo possono influenzare seriamente l'adesione e la densità dello strato di pellicola.Il processo specifico comprende:: in primo luogo, con solventi organici (come l'acetone e l'alcol) per rimuovere le macchie d'olio sulla superficie del pezzo da lavorare, quindi con lavaggio acido e lavaggio alcalino per rimuovere gli ossidi sulla superficie,e infine posizionare il pezzo di lavoro in una camera a vuoto per la cottura per rimuovere l'umidità e i gas assorbiti all'interno del pezzo di lavoro, garantendo che non si generino bolle di impurità durante il processo di rivestimento.
Il nucleo del processo di pretrattamento per il rivestimento chimico tradizionale è "attivare la superficie e migliorare l'attività di reazione",perché le reazioni chimiche devono avvenire senza intoppi sulla superficie del pezzo. Se sulla superficie c'è olio o ossido, ciò ostacolerà la reazione e impedirà la formazione del rivestimento o renderà il rivestimento non saldamente attaccato.Degrasamento (eliminazione dell'olio superficiale), eliminazione della ruggine (per i pezzi di acciaio, rimozione della ruggine superficiale), attivazione (attraverso trattamento acido debole,rimozione della pellicola di ossido sottile sulla superficie per far sì che la superficie del pezzo di lavoro abbia attività catalitica), e alcuni processi richiedono anche la pretrattatura per gettare le basi per il rivestimento successivo.il processo di pretrattamento del rivestimento chimico tradizionale è più complicato e produrrà una certa quantità di liquido di scarto.
Complessità delle apparecchiature:
Per quanto riguarda la complessità delle apparecchiature, le apparecchiature di rivestimento a vuoto PVD presentano costi elevati e una struttura complessa.sistemi di materiali bersaglio, sistemi di alimentazione, sistemi di riscaldamento, sistemi di raffreddamento, ecc. Non solo l'investimento iniziale è elevato, ma richiede anche professionisti per il funzionamento e la manutenzione.I materiali da utilizzare devono essere sostituiti regolarmenteInfatti, le pompe a vuoto hanno bisogno di essere riparate e i costi di esercizio sono relativamente elevati.L'elettroplatazione richiede solo una cella elettrolitica, un alimentatore a corrente continua e un dispositivo di agitazione degli elettroliti, mentre il rivestimento chimico richiede solo una cella di reazione, un dispositivo di riscaldamento e un dispositivo di agitazione.L' operazione è sempliceIl costo di manutenzione è anche inferiore, rendendolo adatto alla produzione industriale su larga scala.
III. Prestazioni dello strato di pellicola: densa e resistente all'usura rispetto al costo-efficace e pratico
Le differenze nei principi e nelle condizioni di processo hanno portato in ultima analisi a differenze significative nelle proprietà della pellicola tra rivestimento a vuoto PVD e rivestimento chimico tradizionale.Questa è la base fondamentale per la divisione dei loro scenari di applicazioneLe differenze nelle proprietà della pellicola si manifestano principalmente in quattro aspetti: adesione, densità e purezza, durezza e resistenza all'usura e ecocompatibilità.
Adesione:
In termini di resistenza di legame tra lo strato di pellicola e il substrato, il rivestimento a vuoto PVD ha un vantaggio assoluto.le particelle gassose (specialmente gli ioni nel rivestimento ionico) trasportano una certa energiaQuando vengono depositati sulla superficie del pezzo, subiscono diffusione, penetrazione e formano anche legami metallurgici o di diffusione con gli atomi del substrato.Questo metodo di legame è estremamente forteQuesto significa che lo strato di pellicola PVD non è soggetto a desquamazione e può resistere ad alti livelli di attrito, impatto e piegatura.Anche in condizioni di lavoro complesse (come il taglio ad alta velocità con utensili da taglio o il movimento ripetuto dei componenti)Per esempio, gli utensili di taglio ad alta velocità di acciaio che usiamo quotidianamente, dopo il trattamento di rivestimento PVD,non si usurperà facilmente né si sbloccherà, anche dopo un lungo taglio a alta velocità del metallo, prolungando significativamente la durata dell'utensile.
La resistenza ad attaccamento dei tradizionali rivestimenti chimici è relativamente debole.con una forza di legame generalmente compresa tra 10 e 30 NPrendendo come esempio l'elettroplatazione, lo strato di rivestimento è formato dalla riduzione dei depositi di ioni metallici e non vi è alcun legame a livello atomico tra lo strato di rivestimento e il substrato.È fissato solo dalla forza di assorbimento superficiale e dalla forza meccanica di blocco. In condizioni di alta temperatura, attrito, impatto o piegatura, possono verificarsi problemi quali vesciche, sbucciature e crepe.dopo un uso o un impatto a lungo termine, lo strato di cromo sulla superficie si sfollerà, esponendo il metallo di base sottostante, il che influisce sull'aspetto e sulle prestazioni anticorrosione;anche se la resistenza all'incollaggio del rivestimento chimico è leggermente migliore di quella del galvanoplastica, è anche soggetto a usura e staccamento in condizioni di carico elevato.
Densità e purezza:
Per quanto riguarda la densità e la purezza dello strato di pellicola, anche il rivestimento a vuoto PVD ha prestazioni eccezionali.le impurità e l'umidità nell'aria sono efficacemente isolateDurante la deposizione delle particelle gassose, esse non vengono disturbate dalle impurità, quindi la struttura dello strato di pellicola formata è estremamente densa con una porosità molto bassa (vicina a zero).Questo denso strato di pellicola può impedire efficacemente media corrosivi esterni (come l'aria, umidità, soluzioni acide e alcaline) da penetrare ed impedire la corrosione del substrato.può anche impedire che le impurità entrino nello strato di pellicola e influenzino le prestazioni dello strato di pellicolaInoltre, la purezza dello strato di pellicola PVD è estremamente elevata.e il rapporto di composizione dello strato di pellicola può essere regolato con precisione controllando il rapporto del materiale bersaglio per preparare strati di pellicola composita con proprietà speciali (come TiN, CrN, AlTiN, ecc.), che soddisfano le esigenze di diversi scenari.
La densità e la purezza dello strato di pellicola nel rivestimento chimico tradizionale sono relativamente scarse.l'elettrolita contiene inevitabilmente additivi, ioni di impurità, ecc. Queste impurità saranno incapsulate all'interno dello strato di pellicola durante il processo di deposizione, causando difetti come micropori e fori nel strato di pellicola,con elevato tasso di porositàAd esempio, il tasso di porosità degli strati elettroplati è di solito compreso tra l'1% e il 5%.molte parti elettroplate devono essere sottoposte a un successivo trattamento di tenuta (come il rivestimento con un agente di tenuta) per migliorare la loro resistenza alla corrosione- la composizione dello strato di pellicola nel tradizionale rivestimento chimico non è sufficientemente pura, contenendo ioni di impurità provenienti dall'elettrolita e agenti riducenti residui,che influisce sulla stabilità delle prestazioni dello strato di pellicolaAd esempio, lo strato di nickel chimico contiene una piccola quantità di fosforo, che può aumentare la durezza dello strato di pellicola, ma ridurne anche la resistenza.
Durezza e resistenza all'usura:
In termini di durezza e resistenza all'usura dello strato di rivestimento, i vantaggi del rivestimento a vuoto PVD sono più evidenti.Il processo PVD può produrre rivestimenti ceramici e rivestimenti ceramici metallici ad alta durezzaLa durezza di questi strati di rivestimento è molto superiore a quella dei tradizionali rivestimenti chimici.il rivestimento in TiN (nitruro di titanio) comunemente utilizzato ha una durezza di 2000-2500 HV (durezza di Vickers), mentre la durezza del tradizionale rivestimento cromato è di soli 800-1200 HV e la durezza del rivestimento in lega chimica di nichel-fosforo è di circa 500-600 HV.la durezza può aumentare solo a circa 1000 HV. Una maggiore durezza significa una migliore resistenza all'usura. Pertanto, gli strati di rivestimento PVD sono molto adatti a scenari che richiedono attrito e usura ad alta velocità, come strumenti di taglio, stampi,e componenti di precisioneAd esempio, dopo che gli utensili di taglio delle leghe dure sono stati trattati con rivestimento PVD AlTiN, la loro resistenza all'usura può essere aumentata di 3-5 volte e la loro durata di vita può essere prolungata di 2-4 volte.riduzione efficace dei costi di produzione.
Il tradizionale rivestimento chimico ha una durezza relativamente bassa e una scarsa resistenza all'usura, il che lo rende più adatto a scenari con esigenze basse di resistenza all'usura.come decorazione e anticorrosionePer esempio, i gioielli in oro e in argento galvanizzati sono principalmente finalizzati all'estetica e ad un certo livello di resistenza alla corrosione, con requisiti relativamente bassi di resistenza all'usura;la galvanizzazione delle parti in acciaio ha principalmente lo scopo di evitare la corrosione, e la resistenza all'usura è solo un requisito ausiliario.
Caratteristiche di protezione ambientale:
Per quanto riguarda le caratteristiche di protezione dell'ambiente, le differenze tra i due sono particolarmente significative.Questo è anche uno dei motivi per cui il rivestimento a vuoto PVD ha gradualmente sostituito il tradizionale rivestimento chimico negli ultimi anni.Il rivestimento a vuoto PVD viene eseguito interamente in un ambiente a vuoto, senza utilizzare elettroliti, agenti riducenti o reagenti chimici, e non produce liquidi di scarto.
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