A revestimento a vácuo de canecas de cerâmica é um processo no qual alvos de metal ou compostos são depositados na superfície do corpo da caneca por meio da tecnologia de deposição física de vapor (PVD) em um ambiente de vácuo, formando camadas de filme decorativas (como brilho metálico, cor gradiente) ou funcionais (como resistentes ao desgaste, hidrofóbicas). É usado principalmente para melhorar a textura da aparência e a durabilidade das canecas. Os processos comuns incluem pulverização por magnetrão e revestimento por evaporação a vácuo.
I. Pré-requisito principal: Pré-tratamento de substratos cerâmicos
Cerâmicas são materiais não metálicos com superfícies lisas e forte estabilidade química. O revestimento direto é propenso a descamação do filme, portanto, o pré-tratamento é uma etapa fundamental.
Limpar e remover impurezas
Primeiro, use limpeza ultrassônica para remover manchas de óleo, poeira e resíduos de pó de cerâmica na superfície do corpo da caneca. Enxágue com água deionizada novamente, seque e coloque na câmara de vácuo para evitar que impurezas afetem a adesão da camada de filme.
Ativação por plasma
Introduza gás argônio na câmara de vácuo e ligue a fonte de íons para gerar plasma. Íons de argônio de alta energia bombardeiam a superfície da cerâmica, gravando pequenas cavidades, aumentando a rugosidade da superfície (formando um "efeito de ancoragem") e, simultaneamente, removendo a camada de óxido da superfície, ativando a superfície do substrato e estabelecendo a base para o revestimento subsequente.
Deposição da camada de transição (opcional)
Para cenários que exigem alta adesão, uma camada de transição metálica (como titânio ou cromo) é depositada primeiro. Aproveitando a ligação química entre a camada de transição e a cerâmica, uma "ponte" é construída entre o substrato cerâmico e a camada de filme funcional para evitar que a camada de filme se solte.
II. Princípios de funcionamento dos dois principais processos de revestimento
Revestimento por evaporação a vácuo (adequado para filmes metálicos decorativos, com custo relativamente baixo)
Este processo envolve o aquecimento do material alvo para evaporá-lo em átomos gasosos, que então se condensam em um filme na superfície de cerâmicas de baixa temperatura. É frequentemente usado para preparar camadas de filme com brilho metálico, como ouro e prata.
- Fazer vácuo: Inicie o sistema de vácuo e evacue o grau de vácuo da cavidade para o nível exigido 10 −3 a 10 −4 Pa, reduzindo a interferência de colisão de moléculas de gás em átomos evaporados e garantindo uma camada de filme uniforme e densa.
- Evaporação por aquecimento do material alvo: Alvos metálicos como alumínio, ouro e cobre são colocados em uma fonte de evaporação (fonte de evaporação por resistência ou fonte de evaporação por feixe de elétrons). A fonte de evaporação por feixe de elétrons pode focar com precisão o calor, elevando rapidamente a temperatura do material alvo ao seu ponto de ebulição e vaporizando-o em vapor de átomo de metal de alta pureza.
- Deposição do filme: As canecas de cerâmica são presas em um suporte de peça que gira tanto sobre quanto ao redor do sol. O vapor atômico metálico se move em linha reta em um ambiente de vácuo e, ao atingir a superfície da caneca de baixa temperatura, condensa e gradualmente se acumula para formar uma camada de filme metálico contínua. A espessura da camada de filme pode ser ajustada (geralmente 0,1 a 1μm) controlando o tempo de deposição.
Após a conclusão do revestimento, desligue a fonte de evaporação e mantenha um ambiente de vácuo para resfriar à temperatura ambiente para evitar rachaduras por tensão da camada de revestimento devido à diferença excessiva de temperatura. Finalmente, introduza gás inerte na cavidade para aliviar a pressão e remover a peça.
2. Revestimento por pulverização por magnetrão (adequado para filmes funcionais compostos e altamente resistentes ao desgaste, com desempenho superior)
Este processo usa plasma para bombardear o material alvo, fazendo com que os átomos do material alvo sejam pulverizados e depositados na superfície da caneca. A adesão e a resistência ao desgaste da camada de filme superam em muito as do revestimento por evaporação, e pode preparar camadas de filme compostas, como nitreto de titânio (ouro) e carboneto de titânio (preto).
- Geração de vácuo e plasma: Evacue para uma pressão de 10 −2 a 10 −3 Pa, o gás argônio é introduzido e um campo elétrico de alta voltagem é aplicado. O gás argônio se ioniza em íons argônio e elétrons, formando um plasma.
- Confinamento de campo magnético aprimorado por pulverização: Um ímã é instalado na parte traseira do material alvo para formar um campo magnético. O campo magnético confinará os elétrons ao movimento espiral, prolongará seu tempo de residência perto do material alvo, aumentará a probabilidade de colisão com moléculas de argônio, gerará mais íons argônio e aumentará significativamente a eficiência da pulverização.
- Pulverização e deposição de átomos do material alvo: Íons argônio de alta energia bombardeiam a superfície do material alvo, e os átomos do material alvo são "atingidos" por meio da transferência de momento (processo de pulverização). Os átomos pulverizados voam em direção à superfície das canecas de cerâmica em um ambiente de vácuo e se depositam para formar uma camada de filme densa. Se gases reativos como nitrogênio e metano forem introduzidos, eles também podem reagir com átomos pulverizados para formar camadas de filme funcionais de compostos como nitreto de titânio e carboneto de titânio.
- Pós-tratamento (opcional): Alguns processos passarão por recozimento em baixa temperatura após o revestimento para melhorar ainda mais a adesão entre a camada de filme e o substrato e aumentar a dureza da camada de filme.
III. Características do processo e vantagens da aplicação
- A camada de filme tem excelente desempenho: A camada de filme formada por revestimento a vácuo é uniforme e densa, sem defeitos como flacidez e casca de laranja. A resistência ao desgaste pode atingir mais de 4H (dureza do lápis), e é resistente à corrosão por álcool, ácido e álcali, tornando-o adequado para uso diário.
- Amigo do ambiente e livre de poluição: Não há emissão de solventes orgânicos ou metais pesados em todo o processo. Em comparação com os processos de pulverização tradicionais, está mais de acordo com os padrões de produção verde.
- Forte efeito decorativo: Pode obter vários efeitos de aparência, como brilho metálico, cor gradiente e fosco, atendendo às necessidades de personalização personalizada. É amplamente utilizado no tratamento de superfície de canecas de cerâmica de alta qualidade e xícaras de presente culturais e criativas.
Defeitos comuns e soluções de revestimento a vácuo em canecas de cerâmica
1. Descascamento/lascamento da camada de filme
Manifestações típicas: A camada de filme se solta em pedaços grandes durante o teste da fita após o revestimento, ou grandes áreas se soltam após solavancos e batidas diárias. Causas principais
- A superfície da cerâmica não foi completamente limpa, deixando impurezas como manchas de óleo e poeira.
- Sem tratamento de ativação por plasma, a energia da superfície do substrato é baixa, dificultando a adesão da camada de filme.
- Não há camada de transição depositada e falta uma "ponte" de ligação entre a cerâmica e a camada de filme funcional.
- Se a taxa de resfriamento após o revestimento for muito rápida, uma tensão significativa será gerada dentro da camada de revestimento, levando a rachaduras e descamação.
Soluções direcionadas
- Estenda o tempo de limpeza ultrassônica para 15 a 20 minutos. Após a limpeza, enxágue com água deionizada e, em seguida, seque a caneca em um forno a 80 a 100 graus Celsius para remover completamente as impurezas da superfície.
- Estenda o tempo de ativação por plasma para 5 a 10 minutos, aumente adequadamente a potência de bombardeio de íons e aumente a rugosidade da superfície da cerâmica por meio de gravação por íons de alta energia para aumentar a atividade da superfície.
- Adicione o processo de deposição de camadas de transição metálicas, como titânio e cromo, e controle a espessura da camada de transição em 50 a 100 nm. Utilize a ligação química para aumentar a adesão entre o filme e o substrato.
- O processo de resfriamento em etapas é adotado. Após a conclusão do revestimento, ele é resfriado naturalmente à temperatura ambiente em um ambiente de vácuo e, em seguida, gás inerte é introduzido na cavidade para aliviar a pressão e removê-lo do forno, evitando a tensão da diferença de temperatura.
2. Diferença de cor/brilho irregular da camada de filme
Manifestações típicas: A profundidade da cor das canecas no mesmo lote varia, ou há manchas claras ou listras na superfície de canecas individuais, com diferenças significativas no brilho. Causas principais
- As velocidades de autorrotação e revolução irregulares da estrutura da peça de trabalho resultam em diferenças significativas nas taxas de deposição da camada de filme em várias partes do corpo da caneca.
- O grau de vácuo na câmara de vácuo flutua, e as moléculas de gás interferem no processo de deposição de átomos do material alvo, afetando a uniformidade da camada de filme.
- A oxidação ou o aparecimento de "nódulos" na superfície do material alvo levam a taxas de pulverização/evaporação instáveis e composição e espessura irregulares da camada de filme.
- A posição de fixação do corpo da caneca é inadequada e há obstruções na boca da caneca, na alça e em outras partes, formando áreas de sombra do revestimento.
Soluções direcionadas
- Calibre os parâmetros de velocidade rotacional do rack da peça de trabalho, controlando a velocidade de autorrotação em 10 a 20r/min e a velocidade de revolução em 5 a 10r/min para garantir que todas as partes do corpo da caneca sejam revestidas uniformemente.
- Verifique o desempenho de vedação do sistema de vácuo e substitua os anéis de vedação envelhecidos. Antes do revestimento, evacue completamente o ar. Inicie o processo de revestimento somente após a estabilização do grau de vácuo para evitar flutuações no grau de vácuo durante o processo.
- Pré-pulverize o material alvo por 3 a 5 minutos antes de usar para remover a camada de óxido da superfície. Limpe regularmente os "nódulos" na superfície do material alvo e substitua o material alvo severamente desgastado em tempo hábil.
- Otimize o método de fixação do corpo da caneca, ajuste o ângulo da fixação, evite que a boca da caneca e a alça bloqueiem o caminho de revestimento e garanta que o corpo da caneca seja revestido sem cantos mortos.
III. Furos/pitting na camada de filme
Manifestações típicas: Pequenas cavidades ou orifícios são distribuídos na superfície da camada de filme, e os defeitos são particularmente óbvios quando observados sob luz. Causas principais
- Partículas de impurezas residuais na câmara de vácuo caem na superfície da caneca durante o processo de revestimento, formando furos.
- O próprio substrato cerâmico tem defeitos como poros e rachaduras e, após o revestimento, esses defeitos se manifestam diretamente como pitting.
- O óleo da bomba de óleo a vácuo passa por evaporação reversa, e a névoa de óleo entra na cavidade, contaminando a camada de filme e formando cavidades.
Soluções direcionadas
- Limpe regularmente as paredes internas da câmara de vácuo com um pano sem fiapos. Antes do revestimento, inicie o programa de cozimento da câmara para remover o vapor de água e as impurezas adsorvidas nas paredes internas. Instale filtros à prova de poeira dentro da cavidade quando necessário.
- Controle rigorosamente a qualidade dos materiais de base cerâmica e selecione corpos de caneca livres de poros e rachaduras. Para substratos com pequenos defeitos, o tratamento de vitrificação pode ser realizado primeiro para preencher os poros da superfície e, em seguida, o revestimento pode ser aplicado.
- Substitua o óleo a vácuo especialmente projetado para bombas moleculares e verifique se a válvula de retorno da bomba de óleo está normal. Instale um coletor de névoa de óleo para evitar que o óleo a vácuo evapore reversamente na cavidade e contamine a camada de filme.
Quatro. Baixa resistência ao desgaste da camada de filme
Manifestações típicas: O resultado do teste de dureza do lápis é inferior a 3H, ou arranhões óbvios aparecem na superfície da camada de filme após a limpeza diária. Causas principais
- A camada de filme é muito fina, geralmente inferior a 0,3μm, tornando difícil resistir ao atrito externo.
- A potência de pulverização por magnetrão é muito baixa, a energia de pulverização dos átomos do material alvo é insuficiente e a densidade da camada de filme é baixa.
- A proporção inadequada do gás de reação leva à baixa cristalinidade da camada de filme composto (como nitreto de titânio) e a uma diminuição na resistência ao desgaste.
Soluções direcionadas
- Estenda o tempo de deposição do revestimento e controle a espessura da camada de filme em 0,5 a 1μm para garantir que a camada de filme tenha uma base resistente ao desgaste suficiente.
- Ajuste a potência de pulverização para 200-400W de acordo com o material do alvo para aumentar a energia de pulverização atômica e aumentar a densidade e a dureza da camada de filme.
- Por meio de experimentos de processo, a relação de taxa de fluxo de gases de reação (como nitrogênio e oxigênio) foi otimizada para aumentar a cristalinidade da camada de filme composto e melhorar sua resistência ao desgaste.
V. Descoloração/oxidação do filme
Manifestações típicas: O amarelamento ou enegrecimento ocorre em um curto período após o revestimento, ou o brilho da camada de revestimento escurece e a textura metálica é perdida após ser armazenada por um período de tempo. Causas principais
- Quando o ar é introduzido muito rapidamente durante o alívio da pressão após o revestimento, a camada de filme de alta temperatura entra em contato com o ar e passa por uma reação de oxidação.
- A camada superior de filme protetor antioxidante não é depositada, e a camada de filme é diretamente exposta ao ar, o que é propenso à oxidação e corrosão.
- O ambiente de armazenamento do produto acabado é úmido, e ocorre corrosão eletroquímica na superfície da camada de filme.
Soluções direcionadas
- Ao despressurizar, gases inertes como argônio e nitrogênio devem ser introduzidos primeiro para deslocar a câmara. Assim que a temperatura da caneca cair abaixo de 50℃, o ar deve ser introduzido lentamente para evitar a oxidação em alta temperatura.
- Uma camada antioxidante de SiO₂ de 50-100 nm é depositada na superfície da camada de filme funcional para isolar a erosão da camada de filme subjacente pelo ar e vapor de água.
- Armazene as canecas acabadas em um ambiente seco e bem ventilado, evitando o contato direto com substâncias corrosivas, como água, soluções ácidas e alcalinas. Ao embalar, dessecantes podem ser adicionados para evitar umidade.
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