تفاوت های بین پوشش خلاء PVD (پرداخت بخار فیزیکی) و پوشش شیمیایی سنتی

از نظر الزامات زیست محیطی، پوشش خلاء PVD دارای الزامات بسیار سختگیرانه ای برای محیط زیست است. این باید در یک محفظه با خلاء بالا یا با خلاء فوق العاده بالا انجام شود، با درجه خلاء که معمولاً باید به 10-2 تا 10-6 Papa برسد. نیاز به یک محیط با خلاء بالا، از یک طرف، جداسازی هوا و ناخالصی ها است، و از برخورد ذرات گاز در لایه ها و ناخالصی ها با لایه ها و مولکول های هوا جلوگیری می کند که می تواند باعث ایجاد ناخالصی ها در لایه ها و مولکول های هوا شود. کیفیت لایه فیلم؛ از سوی دیگر، برای جلوگیری از اکسید شدن مواد و قطعه کار مورد نظر در دماهای بالا است و از پیشرفت روان فرآیند پوشش اطمینان می دهد. برای دستیابی به یک محیط با خلاء بالا، تجهیزات PVD باید به مجموعه پمپ های خلاء دقیق، از جمله پمپ های مکانیکی و پمپ های مولکولی و غیره مجهز شوند. هزینه کل سیستم خلاء بالا است و برای اطمینان از پایداری درجه خلاء، تعمیر و نگهداری منظم مورد نیاز است.

الزامات زیست محیطی برای فرآیندهای پوشش شیمیایی سنتی بسیار ملایم تر است. اکثر این فرآیندها را می توان در شرایط فشار معمولی و بدون نیاز به تجهیزات خلاء انجام داد. فرآیندهای اصلی مانند آبکاری الکتریکی و آبکاری شیمیایی همگی در محیط های مایع انجام می شوند و فقط به تهیه سلول های الکترولیتی مناسب و مخازن واکنش و کنترل غلظت و دمای محلول الکترولیت نیاز دارند. حتی برای چند فرآیند پوشش شیمیایی فاز گاز (مانند رسوب بخار شیمیایی CVD)، آنها فقط باید در محیط های معمولی یا کم فشار بدون نیاز به محفظه های با خلاء بالا انجام شوند. مزیت این عملیات فشار معمولی سادگی آن در فرآیند و سرمایه گذاری کم تجهیزات است که آن را برای تولید دسته ای در مقیاس بزرگ به ویژه برای شرکت های کوچک و متوسط ​​مناسب می کند.

از نظر شرایط دما، پوشش خلاء PVD دارای کنترل دما قوی تر و دامنه کاربرد وسیع تری است. فرآیند PVD با دمای پایین را می توان در دمای اتاق انجام داد، که برای قطعات کاری که به دما حساس هستند، مانند مواد پلاستیکی و لاستیکی مناسب است. این امر از تغییر شکل و پیری قطعه کار به دلیل دمای بالا جلوگیری می کند. فرآیند PVD با دمای بالا معمولاً در دماهای بین 300 تا 600 درجه سانتیگراد عمل می کند که برای فلزات و سرامیک ها مناسب است و می تواند چسبندگی بین لایه فیلم و زیرلایه را بیشتر افزایش دهد. این قابلیت کنترل دما، پوشش PVD را قادر می سازد تا با قطعات کار از مواد مختلف سازگار شود و سناریوهای کاربردی را انعطاف پذیرتر می کند.

دما در پوشش های شیمیایی سنتی نسبتاً ثابت و به طور کلی پایین است. دمای آبکاری و آبکاری شیمیایی بیشتر بین دمای اتاق و 90 درجه سانتیگراد است. دمای بیش از حد می تواند باعث تجزیه الکترولیت و خارج شدن واکنش از کنترل شود و در نتیجه کیفیت لایه پوشش را تحت تأثیر قرار دهد. دمای آندایز کردن معمولاً بین دمای اتاق و 25 درجه سانتیگراد است. دمای بیش از حد می تواند منجر به یک لایه اکسیدی شل و جدا شود، در حالی که دمای بسیار پایین می تواند منجر به سرعت واکنش کند و ضخامت ناکافی فیلم شود. علاوه بر این، در پوشش های شیمیایی سنتی، چند فرآیند با دمای بالا (مانند CVD سنتی) می توانند به دمای 800-1200 درجه سانتیگراد برسند، اما این فرآیندها دامنه کاربرد محدودی دارند و می توانند تأثیرات خاصی بر عملکرد قطعه کار داشته باشند (مانند ایجاد تغییر شکل و رشد دانه های قطعه کار).

در فرآیند پیش تصفیه، هر دو روش نیاز به درمان دقیق سطح قطعه کار، اما با تمرکزهای متفاوت دارند. هسته پیش تصفیه برای پوشش خلاء PVD "تمیز کردن و گاز زدایی" است، زیرا در محیط خلاء، ناخالصی هایی مانند لکه های روغن، اکسیدها و رطوبت روی سطح قطعه کار می تواند به طور جدی بر چسبندگی و چگالی لایه فیلم تأثیر بگذارد. فرآیند خاص شامل: ابتدا استفاده از حلال‌های آلی (مانند استون و الکل) برای از بین بردن لکه‌های روغن روی سطح قطعه کار، سپس از طریق اسید شویی و شستشوی قلیایی برای حذف اکسیدهای روی سطح، و در نهایت قرار دادن قطعه کار در یک محفظه خلاء برای پخت برای حذف رطوبت و گازهای جذب شده در داخل قطعه کار، حصول اطمینان از عدم ایجاد ناخالصی در فرآیند حباب.

هسته فرآیند پیش تصفیه برای پوشش شیمیایی سنتی "فعال کردن سطح و افزایش فعالیت واکنش" است، زیرا واکنش های شیمیایی باید به آرامی روی سطح قطعه کار رخ دهد. اگر روی سطح روغن یا اکسید وجود داشته باشد، مانع از واکنش شده و از تشکیل پوشش جلوگیری می کند یا باعث می شود که پوشش محکم نچسبد. فرآیند پیش تصفیه معمولاً شامل: چربی زدایی (از بین بردن روغن سطح)، زدودن زنگ (برای قطعات فولادی، زدودن زنگ سطح)، فعال سازی (از طریق عملیات اسیدی ضعیف، برداشتن لایه نازک اکسید روی سطح برای ایجاد فعالیت کاتالیزوری سطح قطعه کار)، و برخی از فرآیندها نیز نیاز به پیش آبکاری برای گذاشتن پایه های زیرین دارند. در مقایسه با پیش تصفیه PVD، فرآیند پیش تصفیه پوشش شیمیایی سنتی پیچیده تر است و مقدار مشخصی مایع زباله تولید می کند.

از نظر پیچیدگی تجهیزات، تجهیزات پوشش خلاء PVD دارای هزینه های بالا و ساختار پیچیده ای هستند. مجموعه کاملی از تجهیزات PVD شامل محفظه های خلاء، مجموعه پمپ های خلاء، سیستم های مواد هدف، سیستم های تامین برق، سیستم های گرمایشی، سیستم های سرمایشی و غیره می باشد که نه تنها سرمایه گذاری اولیه زیاد است، بلکه برای بهره برداری و نگهداری به افراد حرفه ای نیز نیاز دارد. مواد مورد نظر باید به طور مرتب تعویض شوند، پمپ های خلاء باید تعمیر شوند و هزینه های عملیاتی نسبتاً زیاد است. در مقابل، تجهیزات پوشش شیمیایی سنتی نسبتا ساده هستند. آبکاری فقط به یک سلول الکترولیتی، یک منبع تغذیه DC و یک دستگاه همزن الکترولیت نیاز دارد، در حالی که آبکاری شیمیایی فقط به یک سلول واکنش، یک دستگاه گرمایش و یک دستگاه همزن نیاز دارد. سرمایه گذاری تجهیزات کم است، عملیات ساده است و کارگران عادی می توانند با آموزش ساده شروع به کار کنند. هزینه نگهداری نیز پایین تر است و آن را برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ مناسب می کند.

از نظر استحکام پیوند بین لایه فیلم و بستر، پوشش خلاء PVD یک مزیت مطلق دارد. با توجه به فرآیند PVD، ذرات گازی (به ویژه یون های موجود در آبکاری یونی) انرژی خاصی را حمل می کنند. هنگامی که روی سطح قطعه کار قرار می گیرند، تحت نفوذ، نفوذ و حتی تشکیل پیوندهای متالورژیکی یا انتشار با اتم های زیرلایه قرار می گیرند. این روش پیوند بسیار قوی است، با نیروی پیوند معمولاً بین 50 تا 100 نیوتن. این بدان معنی است که لایه فیلم PVD مستعد پوسته شدن یا پوسته شدن نیست و می تواند سطوح بالایی از اصطکاک، ضربه و خمش را تحمل کند. حتی در شرایط کاری پیچیده (مانند برش با سرعت بالا با ابزار برش یا حرکت مکرر قطعات)، می تواند عملکرد پایدار را حفظ کند. به عنوان مثال، ابزارهای برش فولادی با سرعت بالا که ما روزانه استفاده می کنیم، پس از عملیات پوشش دهی PVD، حتی پس از برش طولانی مدت فلز با سرعت بالا، به راحتی از بین نمی روند یا پوسته پوسته نمی شوند و به طور قابل توجهی طول عمر ابزار را افزایش می دهند.

استحکام پیوند پوشش شیمیایی سنتی نسبتا ضعیف است. اکثر آنها از جذب فیزیکی یا ترکیب مکانیکی هستند، با نیروی پیوند معمولاً بین 10 تا 30 نیوتن. به عنوان مثال، آبکاری الکتریکی را در نظر می گیریم، لایه پوشش با رسوب کاهش یون های فلزی تشکیل می شود و هیچ پیوندی در سطح اتمی بین لایه پوشش و بستر وجود ندارد. این فقط توسط نیروی جذب سطحی و نیروی درهم تنیده مکانیکی ثابت می شود. در شرایط دمای بالا، اصطکاک، ضربه یا خمش، مشکلاتی مانند تاول زدن، پوسته شدن و ترک خوردن مستعد بروز می‌شوند. به عنوان مثال، در قطعات سخت افزاری با روکش کروم سنتی، پس از استفاده طولانی مدت یا ضربه، لایه کروم روی سطح پوسته پوسته می شود و فلز پایه زیرین را در معرض دید قرار می دهد که بر ظاهر و عملکرد ضد خوردگی تأثیر می گذارد. اگرچه استحکام اتصال پوشش شیمیایی کمی بهتر از آبکاری الکتریکی است، اما در شرایط بارگذاری بالا نیز مستعد سایش و جدا شدن است.

از نظر چگالی و خلوص لایه فیلم، پوشش خلاء PVD نیز عملکرد فوق العاده ای دارد. از آنجایی که فرآیند PVD در یک محیط خلاء بالا انجام می شود، ناخالصی ها و رطوبت موجود در هوا به طور موثر ایزوله می شوند. در طول رسوب ذرات گازی، آنها توسط ناخالصی ها مختل نمی شوند، بنابراین ساختار لایه لایه تشکیل شده بسیار متراکم با تخلخل بسیار کم (تخلخل نزدیک به صفر) است. این لایه لایه متراکم می تواند به طور موثری از نفوذ رسانه های خورنده خارجی (مانند هوا، رطوبت، محلول های اسید و قلیایی) و جلوگیری از خوردگی زیرلایه جلوگیری کند. در عین حال می تواند از ورود ناخالصی ها به لایه فیلم و تاثیر بر عملکرد لایه فیلم نیز جلوگیری کند. علاوه بر این، خلوص لایه فیلم PVD بسیار بالا است. ترکیب لایه فیلم اساساً مشابه ماده مورد نظر است و نسبت ترکیب لایه فیلم را می توان با کنترل نسبت ماده هدف به طور دقیق تنظیم کرد تا لایه های فیلم کامپوزیت با خواص ویژه (مانند TiN، CrN، AlTiN و غیره) مطابق با نیاز سناریوهای مختلف آماده شود.

چگالی و خلوص لایه فیلم در پوشش شیمیایی سنتی نسبتا ضعیف است. از آنجایی که بیشتر پوشش های شیمیایی در یک محیط مایع انجام می شود، الکترولیت به ناچار حاوی مواد افزودنی، یون های ناخالصی و غیره است. این ناخالصی ها در طی فرآیند رسوب گذاری در داخل لایه فیلم محصور خواهند شد و در نتیجه نقص هایی مانند ریز منافذ و سوراخ های پین در لایه فیلم، با نرخ تخلخل بالا ایجاد می شود. برای مثال، میزان تخلخل لایه های آبکاری شده معمولاً بین 1 تا 5 درصد است. این ریز منافذ تبدیل به «کانال‌هایی» برای محیط‌های خورنده می‌شوند و باعث خورده شدن زیرلایه می‌شوند. بنابراین، بسیاری از قطعات آبکاری شده باید تحت عملیات آب بندی بعدی (مانند پوشش یک عامل آب بندی) قرار گیرند تا مقاومت در برابر خوردگی آنها بهبود یابد. در عین حال، ترکیب لایه فیلم در پوشش شیمیایی سنتی به اندازه کافی خالص نیست، حاوی یون های ناخالصی از الکترولیت و عوامل کاهنده باقی مانده است که بر پایداری عملکرد لایه فیلم تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، لایه آبکاری نیکل شیمیایی حاوی مقدار کمی فسفر است که می تواند سختی لایه فیلم را افزایش دهد، اما چقرمگی آن را نیز کاهش می دهد.

از نظر سختی و مقاومت در برابر سایش لایه پوشش، مزایای پوشش خلاء PVD آشکارتر است. فرآیند PVD می تواند پوشش های سرامیکی و پوشش های سرامیکی فلزی با سختی بالا تولید کند. سختی این لایه های پوششی بسیار بیشتر از پوشش های شیمیایی سنتی است. به عنوان مثال، پوشش متداول TiN (نیترید تیتانیوم) دارای سختی 2000-2500 HV (سختی ویکرز) است، در حالی که سختی پوشش سنتی کروم تنها 800-1200 HV است و سختی پوشش آلیاژ نیکل-فسفر شیمیایی تقریباً 500-500 HV است. حتی پس از عملیات حرارتی، سختی تنها می تواند تا حدود 1000 HV افزایش یابد. سختی بالاتر به معنای مقاومت در برابر سایش بهتر است. بنابراین، لایه‌های پوشش PVD برای سناریوهایی که نیاز به اصطکاک و سایش با سرعت بالا دارند، مانند ابزارهای برش، قالب‌ها و اجزای دقیق بسیار مناسب هستند. به عنوان مثال، پس از اینکه ابزارهای برش آلیاژی سخت با پوشش PVD AlTiN پردازش شدند، مقاومت سایش آنها را می توان 3-5 برابر افزایش داد و عمر مفید آنها را 2-4 برابر افزایش داد و به طور موثر هزینه های تولید را کاهش داد.

پوشش شیمیایی سنتی دارای سختی نسبتاً کم و مقاومت در برابر سایش ضعیف است که آن را برای سناریوهایی با نیازهای کم برای مقاومت در برابر سایش، مانند تزئینات و ضد خوردگی مناسب تر می کند. به عنوان مثال، جواهرات آبکاری شده با طلا و نقره عمدتاً برای زیبایی شناسی و سطح خاصی از عملکرد ضد خوردگی، با الزامات نسبتاً کم برای مقاومت در برابر سایش هدف قرار می گیرند. قطعات فولادی گالوانیزه عمدتاً به هدف ضد خوردگی عمل می کند و مقاومت در برابر سایش تنها یک نیاز کمکی است.

از نظر ویژگی های حفاظت از محیط زیست، تفاوت بین این دو به ویژه قابل توجه است. این نیز یکی از دلایلی است که پوشش خلاء PVD به تدریج جایگزین پوشش های شیمیایی سنتی در سال های اخیر شده است. پوشش خلاء PVD به طور کامل در محیط خلاء و بدون استفاده از الکترولیت ها، عوامل کاهنده یا هر معرف شیمیایی انجام می شود و مایع زائد تولید نمی کند.