Na produção industrial moderna e na vida cotidiana, a tecnologia de revestimento de superfícies é onipresente - desde a decoração resistente ao desgaste das carcaças de telefones celulares, a proteção do brilho das jóias,para a melhoria do desempenho dos moldes de ferramentasA tecnologia de revestimento é fundamental para a produção de produtos de alta qualidade, como o tratamento anticorrosivo de peças de automóveis e até mesmo a fabricação precisa de chips de semicondutores.Os dois tipos de tecnologia de revestimento mais utilizados no mercado são o revestimento a vácuo PVD e o revestimento químico tradicional.Apesar de ambos terem como objectivo final formar uma película funcional especial na superfície da peça de trabalho, existem diferenças fundamentais nos seus princípios técnicos, procedimentos de processo, propriedades da película,e cenários de aplicaçãoEste artigo irá adotar uma perspectiva de ciência popular e explicar as diferenças fundamentais entre os dois de uma forma simples e compreensível,ajudar todos a compreender claramente as características e os cenários de aplicação destas duas tecnologias de revestimento comumente utilizadas.
Em primeiro lugar, é necessário definir claramente as definições básicas de dois conceitos fundamentais: revestimento a vácuo PVD, também conhecido como deposição física de vapor (PVD), que, como o próprio nome sugere,é uma tecnologia que realiza a deposição de filme através de métodos físicos num ambiente de vácuoO revestimento químico tradicional baseia-se em reacções químicas e ocorre sob pressão normal ou em ambientes comuns.em que as substâncias de revestimento aderem à superfície da peça de trabalho através de ações químicas para formar uma camada de filmeOs processos comuns, tais como a galvanização, revestimento químico e anodização, pertencem a esta categoria.A diferença mais fundamental entre os dois reside na distinção essencial entre "domínio do processo físico" e "domínio da reação química", e esta diferença atravessa todos os aspectos do processo, desempenho e aplicação.
I. Princípio básico: deposição física versus reação química
O princípio central do revestimento a vácuo PVD é que "em um ambiente a vácuo, materiais de revestimento sólidos (referidos como alvos) são transformados em partículas gasosas,e então estas partículas são uniformemente ligados à superfície da peça de trabalhoApós o arrefecimento, forma-se uma película densa". O processo não envolve reações químicas complexas; apenas uma pequena quantidade de efeitos físicos de superfície (como adsorção e difusão) ocorrem.É equivalente a "transformar materiais sólidos em 'pós gasosos' e depois pulverizá-los uniformemente e condensá-los na peça de trabalho. "
As tecnologias PVD atuais podem ser classificadas em três tipos, cada um adequado para diferentes requisitos de aplicação.que envolve o aquecimento do material alvo acima do seu ponto de ebulição através de métodos como o aquecimento por resistência ou o bombardeio de feixes de elétronsIsto faz com que o material-alvo evapore directamente em átomos gasosos, que se movem livremente no vácuo e se condensam rapidamente quando encontram uma superfície mais fria da peça.Formando um filmeEsta tecnologia é relativamente simples de operar e é adequada para a preparação de películas metálicas, películas ópticas, etc.Os filmes anti-reflexo para lentes de óculos e os filmes metálicos para algumas partes decorativas são frequentemente produzidos com este métodoO segundo tipo é o revestimento por pulverização, que é actualmente a tecnologia PVD mais utilizada.Seu princípio é bombardear a superfície alvo com íons de alta energia (como íons argônio) e usar o efeito de colisão para ejetar os átomos do material alvoEstes átomos pulverizados têm uma certa energia e depositar-se-ão uniformemente na superfície da peça de trabalho para formar uma camada de filme.A vantagem do revestimento de pulverização é a sua boa uniformidade da camada de filme e forte adesãoO terceiro tipo é o revestimento iônico, que permite a preparação de camadas de película de alta dureza e de alta manutenção, como revestimentos resistentes ao desgaste nas superfícies das ferramentas e moldes.Ele introduz um campo elétrico com base na evaporação ou pulverização., causando a ionização de partículas gasosas em iões, que são acelerados pelo campo elétrico e bombardeiam a superfície da peça,que não só permite uma ligação mais firme entre a camada de filme e a peça de trabalho, mas também aumenta a densidade da camada de filmeÉ frequentemente utilizado em componentes de precisão, dispositivos médicos, etc., onde o desempenho da camada de filme é altamente exigido.
Ao contrário do revestimento a vácuo PVD, o núcleo do revestimento químico tradicional é "através de reações químicas,permitindo que o material de revestimento se forme espontaneamente ou seja reduzido e depositado na superfície da peça"O processo inteiro baseia-se em condições químicas termodinâmicas e cinéticas rigorosas, o que equivale a "tornar a superfície da peça de trabalho o "estágio" para reações químicas,e gerando uma nova substância sob a forma de um filme através das reações".
As principais tecnologias de revestimento químico tradicional também têm três tipos, e seus princípios de reação e cenários de aplicação são diferentes.que é a tecnologia de revestimento químico mais conhecidaPor exemplo, o cromado de peças de hardware, o zincado de peças de aço e o dourado de jóias adotam todos o processo de galvanização.,e o metal de revestimento (como cromo, zinco, ouro) como ânodo, juntamente com o eletrólito que contém os íons de metal de revestimento, e depois aplicar um campo elétrico de corrente contínua.Sob a ação do campo elétrico, os íons metálicos no eletrólito se moverão em direção ao cátodo (a peça de trabalho), ganharão elétrons e serão reduzidos a átomos metálicos.Estes átomos vão acumular continuamente na superfície da peça de trabalhoA chave para a galvanização é controlar a concentração do eletrólito, o tamanho da corrente e a temperatura.para assegurar a reacção estável e obter uma camada de filme uniforme e brilhanteO segundo é o revestimento químico, que não requer um campo elétrico externo, mas depende apenas do agente redutor no eletrólito para reduzir os íons metálicos de revestimento a átomos metálicos.Estes átomos depositar-se-ão espontaneamente na superfície catalíticamente ativa da peça de trabalhoPor exemplo, o revestimento químico de liga de níquel-fósforo comumente utilizado na indústria consiste em utilizar hipofosfito de sódio como agente redutor para reduzir íons de níquel em átomos de níquel,Depositando-as na superfície do açoA vantagem do revestimento químico é que não requer uma corrente elétrica, sendo adequado para revestimentos de formas complexas,de peso superior a 200 g/m2, mas não superior a 200 g/m2A terceira é a oxidação anódica, principalmente para o alumínio, magnésio e alumínio.,O princípio é utilizar a peça como ânodo, colocá-la num eletrólito específico (como ácido sulfúrico, ácido oxálico) e, após aplicação de uma corrente elétrica,a superfície da peça de trabalho será submetida a uma reacção de oxidaçãoEsta película de óxido não só aumenta a resistência à corrosão da peça de trabalho, mas também pode ser obtida com diferentes cores através de tratamento de coloração,frequentemente utilizado em portas e janelas de liga de alumínioPor exemplo, a camada protetora colorida na superfície do quadro do telemóvel de liga de alumínio,que é principalmente preparado através da tecnologia de oxidação anódica.
II. Condições de processo: precisão a vácuo versus simplicidade a pressão normal
Devido aos diferentes princípios, as condições de processo do revestimento a vácuo PVD e do revestimento químico tradicional também apresentam diferenças significativas.Requisitos ambientais, controlo de temperatura, procedimentos de pré-tratamento e complexidade dos equipamentos.
Requisitos ambientais:
Em termos de requisitos ambientais, o revestimento a vácuo PVD tem requisitos ambientais extremamente rigorosos.com o grau de vácuo normalmente necessário para atingir 10−2 a 10−6 PaA necessidade de um ambiente de alto vácuo consiste, por um lado, em isolar o ar e as impurezas, evitando que as partículas de gás colidam com as moléculas de ar durante o seu movimento,que podem causar poros e impurezas na camada de filme e afetar a qualidade da camada de filmePor outro lado, previne a oxidação do material alvo e da peça a altas temperaturas, garantindo assim o bom andamento do processo de revestimento.Para alcançar um ambiente de alto vácuoO equipamento PVD deve ser equipado com conjuntos de bombas de vácuo precisos, incluindo bombas mecânicas e bombas moleculares, etc. O custo de todo o sistema de vácuo é elevado,e manutenção regular é necessária para garantir a estabilidade do grau de vácuo.
Os requisitos ambientais para os processos de revestimento químico tradicionais são muito mais suaves.A maioria destes processos pode ser realizada em condições de pressão normal sem a necessidade de equipamento de vácuoOs principais processos, como a galvanização e a galvanização química, são todos realizados em ambientes líquidos, exigindo apenas a preparação de células eletrolíticas e tanques de reação adequados,e controlar a concentração e temperatura da solução eletrolíticaMesmo para alguns processos de revestimento químico em fase gaseosa (como a deposição química de vapor CVD),Só devem ser realizadas em ambientes normais ou de baixa pressão, sem necessidade de câmaras de alto vácuo.A vantagem desta operação de pressão normal é a sua simplicidade de processo e o baixo investimento de equipamento, tornando-a adequada para a produção em série em grande escala.Especialmente para as pequenas e médias empresas.
Condições de temperatura:
Em termos de condições de temperatura, o revestimento a vácuo PVD tem uma maior regulabilidade de temperatura e uma gama de aplicações mais ampla.que é adequado para peças de trabalho sensíveis à temperaturaO processo de transformação da peça de trabalho, que consiste na obtenção de uma imagem de uma peça de plástico e de borracha, permite evitar a deformação e o envelhecimento da peça devido a altas temperaturas.O processo de PVD de alta temperatura normalmente opera a temperaturas que variam de 300 a 600 graus Celsius, que é adequado para metais e cerâmicas e pode melhorar ainda mais a adesão entre a camada de filme e o substrato.Esta capacidade de controlo da temperatura permite adaptar o revestimento PVD a peças de diferentes materiais, tornando os cenários de aplicação mais flexíveis.
A temperatura no revestimento químico tradicional é relativamente fixa e geralmente baixa.A temperatura excessiva pode fazer com que o eletrólito se decomponha e a reação fique fora de controleA temperatura para anodização é geralmente entre a temperatura ambiente e 25°C. Uma temperatura excessiva pode provocar uma película de óxido solta e desprendida,enquanto uma temperatura demasiado baixa pode resultar numa taxa de reacção lenta e numa espessura de filme insuficienteAlém disso, no revestimento químico tradicional, alguns processos de alta temperatura (como o CVD tradicional) podem atingir temperaturas de 800-1200°C,Mas estes processos têm uma gama de aplicações estreita e podem ter certos impactos sobre o desempenho da peça (como causar deformação e crescimento de grãos da peça).
Processo de pré-tratamento:
No processo de pré-tratamento, ambos os métodos exigem um tratamento rigoroso da superfície da peça de trabalho, mas com focos diferentes.O núcleo do pré-tratamento para revestimento a vácuo PVD é "limpeza e desgaseificação", porque num ambiente de vácuo, impurezas como manchas de óleo, óxidos e umidade na superfície da peça de trabalho podem afetar seriamente a adesão e a densidade da camada de filme.O processo específico inclui:: em primeiro lugar, utilizando solventes orgânicos (como acetona e álcool) para remover as manchas de óleo na superfície da peça de trabalho, em seguida, através de lavagem ácida e lavagem alcalina para remover os óxidos na superfície,e finalmente colocar a peça em uma câmara de vácuo para cozimento para remover a umidade e os gases adsorvidos dentro da peça, garantindo que não se produzam bolhas de impurezas durante o processo de revestimento.
O núcleo do processo de pré-tratamento para revestimento químico tradicional é "ativar a superfície e aumentar a atividade de reação",porque as reações químicas precisam ocorrer suavemente na superfície da peça de trabalhoSe houver óleo ou óxido na superfície, isso dificultará a reação e impedirá a formação do revestimento ou fará com que o revestimento não fique firmemente fixado.Desengraçamento (eliminação de óleo de superfície), eliminação da ferrugem (para peças de aço, eliminação da ferrugem superficial), ativação (através de tratamento com ácido fraco,Remover a película fina de óxido na superfície para que a superfície da peça tenha atividade catalítica), e alguns processos também exigem pré-revestimento para estabelecer a base para o revestimento subsequente.O processo de pré-tratamento do revestimento químico tradicional é mais complicado e produzirá uma certa quantidade de líquido residual..
Complexidade do equipamento:
Em termos de complexidade do equipamento, o equipamento de revestimento a vácuo PVD tem custos elevados e uma estrutura complexa.Sistemas de material alvo, sistemas de alimentação, sistemas de aquecimento, sistemas de arrefecimento, etc. Não só é um investimento inicial elevado, mas também requer profissionais para a sua exploração e manutenção.Os materiais alvo precisam ser substituídos regularmenteNo entanto, os equipamentos tradicionais de revestimento químico são relativamente simples.A galvanização requer apenas uma célula eletrolítica, uma fonte de alimentação de corrente contínua e um dispositivo de agitação de eletrólitos, enquanto que o revestimento químico requer apenas uma célula de reação, um dispositivo de aquecimento e um dispositivo de agitação.A operação é simples.O custo de manutenção também é mais baixo, tornando-o adequado para a produção industrial em larga escala.
III. Desempenho da camada de filme: densa e resistente ao desgaste versus econômica e prática
As diferenças nos princípios e condições do processo levaram, em última análise, a distinções significativas nas propriedades da película entre revestimento a vácuo PVD e revestimento químico tradicional.Esta é a base fundamental para a divisão dos seus cenários de aplicaçãoAs diferenças nas propriedades da película manifestam-se principalmente em quatro aspectos: adesão, densidade e pureza, dureza e resistência ao desgaste e simplicidade com o ambiente.
Adesão:
Em termos de força de ligação entre a camada de filme e o substrato, o revestimento a vácuo PVD tem uma vantagem absoluta.As partículas gasosas (especialmente os íons no revestimento iónico) transportam certa energiaQuando depositados na superfície da peça de trabalho, sofrem difusão, penetração e até formam ligações metalúrgicas ou de difusão com os átomos do substrato.Este método de ligação é extremamente forte, com uma força de ligação tipicamente variando de 50 a 100 N. Isso significa que a camada de filme PVD não é propensa a descascar ou descascar, e pode suportar altos níveis de atrito, impacto e dobra.Mesmo em condições de trabalho complexas (como corte de alta velocidade por ferramentas de corte ou movimento repetido de componentes)Por exemplo, as ferramentas de corte de aço de alta velocidade que usamos diariamente, após o tratamento de revestimento PVD,Não se desgasta nem escama facilmente, mesmo após corte de metal de alta velocidade a longo prazo, estendendo significativamente a vida útil da ferramenta.
A força de ligação dos revestimentos químicos tradicionais é relativamente fraca.com uma força de ligação geralmente entre 10 e 30 NTomando como exemplo a galvanização, a camada de revestimento é formada pela deposição de redução de íons metálicos, e não há ligação a nível atómico entre a camada de revestimento e o substrato.É fixado apenas pela força de adsorção da superfície e pela força de bloqueio mecânico. Sob condições de alta temperatura, atrito, impacto ou dobra, são propensos a ocorrer problemas como bolhas, descascamento e rachaduras.após utilização prolongada ou impacto, a camada de cromo na superfície descascará, expondo o metal básico subjacente, o que afeta a aparência e o desempenho anticorrosivo;Embora a resistência à ligação do revestimento químico seja ligeiramente melhor do que a do galvanizado, é também propenso ao desgaste e ao desprendimento em condições de elevada carga.
Densidade e pureza:
Em termos de densidade e pureza da camada de filme, o revestimento a vácuo PVD também tem um desempenho excepcionalmente bom.As impurezas e a umidade no ar são efetivamente isoladasDurante a deposição das partículas gasosas, elas não são perturbadas por impurezas, pelo que a estrutura da camada de filme formada é extremamente densa com uma porosidade muito baixa (perto de zero porosidade).Esta camada de filme densa pode impedir eficazmente meios corrosivos externos (como o ar, hidratação, ácidos e alcalinos) de penetrar e impedir a corrosão do substrato.Também pode impedir que impurezas entrem na camada de filme e afetem o desempenho da camada de filmeAlém disso, a pureza da camada de filme PVD é extremamente elevada.e a proporção de composição da camada de filme pode ser ajustada com precisão controlando a proporção do material alvo para preparar camadas de filme composto com propriedades especiais (como TiN, CrN, AlTiN, etc.), satisfazendo os requisitos de diferentes cenários.
A densidade e a pureza da camada de película no revestimento químico tradicional são relativamente pobres.O eletrólito inevitavelmente contém aditivos, iões de impurezas, etc. Estas impurezas serão encapsuladas dentro da camada de filme durante o processo de deposição, resultando em defeitos como microporos e furos na camada de filme,com uma elevada taxa de porosidadePor exemplo, a taxa de porosidade das camadas galvanizadas é geralmente entre 1% e 5%. Estes microporos se tornarão "canais" para meios corrosivos, causando a corrosão do substrato.Muitas peças galvanizadas precisam ser submetidas a um tratamento de vedação subsequente (como revestimento com um agente de vedação) para melhorar sua resistência à corrosãoAo mesmo tempo, a composição da camada de filme no revestimento químico tradicional não é suficientemente pura, contendo íons de impurezas do eletrólito e agentes redutores residuais,que afeta a estabilidade do desempenho da camada de películaPor exemplo, a camada de revestimento químico de níquel contém uma pequena quantidade de fósforo, o que pode aumentar a dureza da camada de filme, mas também reduzir a sua dureza.
Dureza e resistência ao desgaste:
Em termos de dureza e resistência ao desgaste da camada de revestimento, as vantagens do revestimento a vácuo PVD são mais óbvias.O processo PVD pode produzir revestimentos cerâmicos e revestimentos cerâmicos metálicos de alta durezaA dureza destas camadas de revestimento é muito superior à dos revestimentos químicos tradicionais.O revestimento com nitruro de titânio (TiN) comumente utilizado tem uma dureza de 2000-2500 HV (dureza de Vickers), enquanto a dureza do revestimento cromado tradicional é de apenas 800-1200 HV e a dureza do revestimento químico de liga de níquel-fósforo é de aproximadamente 500-600 HV.a dureza só pode aumentar para cerca de 1000 HV. Uma maior dureza significa uma melhor resistência ao desgaste. Portanto, as camadas de revestimento PVD são muito adequadas para cenários que exigem atrito e desgaste de alta velocidade, como ferramentas de corte, moldes,e componentes de precisãoPor exemplo, depois de as ferramentas de corte de ligas duras serem tratadas com revestimento PVD AlTiN, a sua resistência ao desgaste pode ser aumentada em 3-5 vezes e a sua vida útil pode ser prolongada em 2-4 vezes.reduzir eficazmente os custos de produção.
O revestimento químico tradicional tem uma dureza relativamente baixa e uma baixa resistência ao desgaste, o que o torna mais adequado para cenários com baixos requisitos de resistência ao desgaste,como decoração e anticorrosãoPor exemplo, as jóias galvanizadas em ouro e prata visam principalmente a estética e um certo nível de desempenho anticorrosivo, com requisitos relativamente baixos de resistência ao desgaste;A galvanização de peças de aço serve principalmente ao propósito de anticorrosivo, e a resistência ao desgaste é apenas um requisito auxiliar.
Características de protecção do ambiente:
Em termos de características de protecção do ambiente, as diferenças entre os dois são particularmente significativas.Esta é também uma das razões pelas quais o revestimento a vácuo PVD substituiu gradualmente o revestimento químico tradicional nos últimos anos.O revestimento a vácuo PVD é efectuado inteiramente num ambiente a vácuo, sem utilizar electrólitos, agentes redutores ou reagentes químicos, e não produz resíduos líquidos.
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