В современном промышленном производстве и повседневной жизни технологии нанесения покрытий широко распространены - от износостойкого декорирования корпусов мобильных телефонов, защиты глянца ювелирных изделий до повышения производительности пресс-форм, антикоррозионной обработки автомобильных деталей и даже точного изготовления полупроводниковых чипов. Все это опирается на технологию нанесения покрытий. В настоящее время на рынке наиболее широко используются два типа технологии нанесения покрытий: вакуумное покрытие PVD и традиционное химическое покрытие. Хотя в конечном итоге оба метода направлены на формирование специальной функциональной пленки на поверхности заготовки, существуют фундаментальные различия в их технических принципах, технологических процедурах, свойствах пленки и сценариях применения. В этой статье мы рассмотрим научно-популярную точку зрения и объясним основные различия между ними в простой и понятной форме, помогая каждому четко понять характеристики и сценарии применения этих двух широко используемых технологий нанесения покрытий.
Во-первых, необходимо четко определить основные определения двух основных концепций: вакуумное покрытие PVD, также известное как физическое осаждение из паровой фазы (PVD), которое, как следует из названия, представляет собой технологию, реализующую осаждение пленки физическими методами в вакуумной среде; Традиционное химическое покрытие основано на химических реакциях и происходит при нормальном давлении или в обычных условиях, когда вещества покрытия прилипают к поверхности заготовки в результате химического воздействия, образуя пленочный слой. В эту категорию попадают общие процессы, такие как гальваника, химическое покрытие и анодирование. Наиболее фундаментальное различие между ними заключается в существенном различии между «доминированием физического процесса» и «доминированием химической реакции», и это различие проявляется во всех аспектах процесса, производительности и применения.
I. Основной принцип: физическое осаждение против химической реакции
Основной принцип вакуумного покрытия PVD заключается в том, что «в вакууме твердые материалы покрытия (называемые мишенями) преобразуются в газообразные частицы, а затем эти частицы равномерно прикрепляются к поверхности заготовки. После охлаждения образуется плотная пленка». Весь процесс не включает в себя сложные химические реакции; происходит лишь небольшое количество поверхностных физических эффектов (таких как адсорбция и диффузия). Это эквивалентно «преобразованию твердых материалов в «газообразные порошки», а затем их равномерному распылению и конденсации на заготовке».
Современные основные технологии PVD можно разделить на три типа, каждый из которых подходит для различных требований применения. Первый тип — это напыленное покрытие, которое включает нагрев целевого материала выше точки кипения с помощью таких методов, как резистивный нагрев или бомбардировка электронным лучом. Это приводит к прямому испарению целевого материала с образованием газообразных атомов. Эти атомы свободно перемещаются в вакуумной среде и быстро конденсируются при встрече с более холодной поверхностью заготовки, образуя пленку. Эта технология относительно проста в эксплуатации и пригодна для изготовления металлических пленок, оптических пленок и т. д. Например, с помощью этого метода часто изготавливают антибликовые пленки для очковых линз и металлические пленки для некоторых декоративных деталей. Второй тип — это напыление покрытия, которое в настоящее время является наиболее широко используемой технологией PVD. Его принцип заключается в бомбардировке поверхности мишени ионами высокой энергии (например, ионами аргона) и использовании эффекта столкновения для выброса атомов материала мишени. Эти распыленные атомы обладают определенной энергией и равномерно осаждаются на поверхности заготовки, образуя пленочный слой. Преимуществом напыления покрытия является хорошая однородность пленочного слоя и сильная адгезия, что делает его пригодным для изготовления пленочных слоев высокой твердости и требующих особого ухода, например, износостойких покрытий на поверхностях инструментов и форм. Третий тип – ионное покрытие. Он создает электрическое поле на основе испарения или распыления, вызывая ионизацию газообразных частиц в ионы. Эти ионы ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность заготовки, что не только обеспечивает более прочное соединение слоя пленки с заготовкой, но и повышает плотность слоя пленки. Его часто используют в прецизионных компонентах, медицинских приборах и т. д., где предъявляются высокие требования к характеристикам пленочного слоя.
В отличие от вакуумного покрытия PVD, в основе традиционного химического покрытия лежат «химические реакции, позволяющие материалу покрытия самопроизвольно формироваться или восстанавливаться и осаждаться на поверхности заготовки». Весь процесс основан на строгих химико-термодинамических и кинетических условиях, что эквивалентно тому, чтобы «сделать поверхность заготовки «сценой» для химических реакций и создать в результате реакций новое вещество в виде пленки».
Основные технологии традиционного химического покрытия также делятся на три типа, и их принципы реакции и сценарии применения различны. Первый — гальваника, наиболее известная технология химического нанесения покрытий. Например, хромирование деталей оборудования, цинкование стальных деталей и позолота ювелирных изделий — все они используют процесс гальванического покрытия. Принцип состоит в том, чтобы использовать заготовку в качестве катода, а металл покрытия (например, хром, цинк, золото) в качестве анода вместе с электролитом, содержащим ионы металла покрытия, а затем применить электрическое поле постоянного тока. Под действием электрического поля ионы металлов в электролите будут двигаться к катоду (заготовке), присоединять электроны и восстанавливаться до атомов металла. Эти атомы будут постоянно накапливаться на поверхности заготовки, образуя в конечном итоге однородный слой металлической пленки. Ключом к гальванике является контроль концентрации электролита, размера тока и температуры, чтобы обеспечить стабильную реакцию и получить однородный и блестящий слой пленки. Второй метод - это химическое покрытие, которое не требует внешнего электрического поля, а основано только на восстановителе в электролите для восстановления ионов металла покрытия до атомов металла. Эти атомы самопроизвольно осаждаются на каталитически активной поверхности заготовки, образуя пленочный слой. Например, широко используемое в промышленности химическое покрытие никель-фосфорным сплавом заключается в использовании гипофосфита натрия в качестве восстановителя для восстановления ионов никеля до атомов никеля, осаждения их на поверхности стали, пластика и т. д. с образованием износостойкого и антикоррозионного пленочного слоя. Преимущество химического покрытия заключается в том, что оно не требует электрического тока, подходит для заготовок сложной формы, с полостями или порами, позволяет добиться равномерного покрытия во всех направлениях, избегая проблемы неравномерной толщины, вызванной «краевым эффектом» при гальванике. Третий - анодное оксидирование, в основном для заготовок из алюминия, магния, титана и других деталей. Его принцип заключается в том, что в качестве анода используют заготовку, помещают ее в определенный электролит (например, серную кислоту, щавелевую кислоту), и после подачи электрического тока на поверхности заготовки происходит реакция окисления, образуя плотную оксидную пленку. Эта оксидная пленка не только повышает коррозионную стойкость заготовки, но также может быть получена с различными цветами посредством окраски, часто используемой в дверях и окнах из алюминиевого сплава, корпусах мобильных телефонов, авиационных компонентах и т. д. Например, красочный защитный слой на поверхности корпуса мобильного телефона из алюминиевого сплава, который в основном изготавливается с помощью технологии анодного окисления.
II. Условия процесса: точность в вакууме и простота при нормальном давлении
Из-за разных принципов условия процесса вакуумного покрытия PVD и традиционного химического покрытия также имеют существенные различия. Эти различия в основном заключаются в четырех аспектах: требованиях к окружающей среде, контроле температуры, процедурах предварительной обработки и сложности оборудования. Эти различия также определяют производственные затраты и масштабы применения двух методов.
Экологические требования:
С точки зрения экологических требований, вакуумное покрытие PVD предъявляет чрезвычайно строгие требования к окружающей среде. Его необходимо проводить в камере с высоким или сверхвысоким вакуумом, при этом степень вакуума обычно должна достигать от 10⁻² до 10⁻⁶ Па. Необходимость в среде с высоким вакуумом заключается, с одной стороны, в изоляции воздуха и примесей, предотвращении столкновения частиц газа с молекулами воздуха во время их движения, что может привести к образованию пор и примесей в слое пленки и повлиять на качество слоя пленки; с другой стороны, это необходимо для предотвращения окисления целевого материала и заготовки при высоких температурах, обеспечивая плавность процесса нанесения покрытия. Для достижения высокого вакуума оборудование PVD должно быть оснащено точными вакуумными насосами, включая механические насосы, молекулярные насосы и т. д. Стоимость всей вакуумной системы высока, и для обеспечения стабильности степени вакуума требуется регулярное техническое обслуживание.
Экологические требования к традиционным процессам нанесения химических покрытий гораздо более мягкие. Большинство этих процессов можно проводить в условиях нормального давления без необходимости использования вакуумного оборудования. Основные процессы, такие как гальваника и химическое покрытие, проводятся в жидких средах, требуя только подготовки соответствующих электролизеров и реакционных резервуаров, а также контроля концентрации и температуры раствора электролита. Даже для некоторых процессов газофазного химического нанесения покрытия (таких как химическое осаждение из паровой фазы CVD) их необходимо выполнять только в условиях нормального или низкого давления без необходимости использования камер с высоким вакуумом. Преимуществом этой операции при нормальном давлении является ее простота процесса и низкие инвестиции в оборудование, что делает ее подходящей для крупномасштабного серийного производства, особенно для малых и средних предприятий.
Температурные условия:
С точки зрения температурных условий, вакуумное покрытие PVD имеет более сильную терморегуляцию и более широкий диапазон применения. Низкотемпературный процесс PVD можно проводить при комнатной температуре, что подходит для заготовок, чувствительных к температуре, таких как пластмассовые и резиновые материалы. Это позволяет избежать деформации и старения заготовки из-за высокой температуры. Процесс высокотемпературного PVD обычно работает при температурах от 300 до 600 градусов Цельсия, что подходит для металлов и керамики и может еще больше улучшить адгезию между слоем пленки и подложкой. Такая возможность регулирования температуры позволяет адаптировать PVD-покрытие к заготовкам из различных материалов, что делает сценарии применения более гибкими.
Температура традиционного химического покрытия относительно фиксирована и, как правило, низкая. Температуры гальванических и химических гальванических покрытий обычно находятся в диапазоне от комнатной температуры до 90 ℃. Повышенная температура может привести к разложению электролита и выходу реакции из-под контроля, что повлияет на качество слоя покрытия. Температура анодирования обычно составляет от комнатной температуры до 25 ℃. Чрезмерная температура может привести к образованию рыхлой и отслаивающейся оксидной пленки, а слишком низкая температура может привести к замедлению скорости реакции и недостаточной толщине пленки. Кроме того, при традиционном химическом покрытии некоторые высокотемпературные процессы (например, традиционное CVD) могут достигать температуры 800-1200 ℃, но эти процессы имеют узкий диапазон применения и могут оказывать определенное влияние на характеристики заготовки (например, вызывать деформацию и рост зерна заготовки).
Предварительная обработка:
В процессе предварительной обработки оба метода требуют строгой обработки поверхности заготовки, но с разной направленностью. Основой предварительной обработки вакуумного покрытия PVD является «очистка и дегазация», поскольку в вакуумной среде такие примеси, как масляные пятна, оксиды и влага на поверхности заготовки, могут серьезно повлиять на адгезию и плотность слоя пленки. Конкретный процесс включает в себя: сначала использование органических растворителей (таких как ацетон и спирт) для удаления масляных пятен с поверхности заготовки, затем промывку кислотой и щелочью для удаления оксидов с поверхности и, наконец, помещение заготовки в вакуумную камеру для обжига для удаления влаги и газов, адсорбированных внутри заготовки, гарантируя, что в процессе нанесения покрытия не образуются пузырьки примесей.
Суть процесса предварительной обработки традиционного химического покрытия заключается в «активации поверхности и повышении реакционной активности», поскольку химические реакции должны протекать плавно на поверхности заготовки. Если на поверхности есть масло или оксид, это затруднит реакцию и предотвратит образование покрытия или сделает покрытие непрочным. Процесс предварительной обработки обычно включает в себя: обезжиривание (удаление поверхностного масла), удаление ржавчины (для стальных деталей удаление поверхностной ржавчины), активацию (посредством обработки слабой кислотой удаление тонкой оксидной пленки на поверхности для придания поверхности детали каталитической активности), а некоторые процессы также требуют предварительного нанесения покрытия для закладки основы для последующего покрытия. По сравнению с предварительной обработкой PVD, процесс предварительной обработки традиционного химического покрытия более сложен и приводит к образованию определенного количества отработанной жидкости.
Сложность оборудования:
С точки зрения сложности оборудования, оборудование для вакуумного покрытия PVD имеет высокую стоимость и сложную конструкцию. Полный комплект PVD-оборудования включает в себя вакуумные камеры, вакуумные насосные агрегаты, системы целевого материала, системы электропитания, системы нагрева, системы охлаждения и т. д. Мало того, что первоначальные инвестиции велики, но также требуются профессионалы для эксплуатации и обслуживания. Целевые материалы необходимо регулярно заменять, вакуумные насосы ремонтировать, а эксплуатационные затраты относительно высоки. Напротив, традиционное оборудование для нанесения химических покрытий относительно простое. Для гальваники требуется только электролитическая ячейка, источник питания постоянного тока и устройство для перемешивания электролита, тогда как для химического нанесения покрытия требуется только реакционная ячейка, нагревательное устройство и перемешивающее устройство. Инвестиции в оборудование невелики, операция проста, и обычные работники могут начать работу с простого обучения. Стоимость обслуживания также ниже, что делает его пригодным для крупномасштабного промышленного производства.
III. Характеристики слоя пленки: плотный и износостойкий против экономичного и практичного
Различия в принципах и условиях процесса в конечном итоге привели к значительным различиям в свойствах пленок между вакуумным PVD-покрытием и традиционным химическим покрытием. Это основная основа для разделения сценариев их применения. Различия в свойствах пленок в основном проявляются по четырем аспектам: адгезия, плотность и чистота, твердость и износостойкость, экологичность.
Адгезия:
С точки зрения прочности связи между слоем пленки и подложкой вакуумное покрытие PVD имеет абсолютное преимущество. Благодаря процессу PVD газообразные частицы (особенно ионы при ионном покрытии) несут определенную энергию. При осаждении на поверхность заготовки они будут подвергаться диффузии, проникновению и даже образовывать металлургические или диффузионные связи с атомами подложки. Этот метод соединения чрезвычайно прочный: сила соединения обычно составляет от 50 до 100 Н. Это означает, что слой PVD-пленки не склонен к отслаиванию или отслаиванию и может выдерживать высокие уровни трения, ударов и изгибов. Даже в сложных условиях работы (например, при высокоскоростной резке режущими инструментами или повторяющемся перемещении компонентов) он может сохранять стабильную производительность. Например, режущие инструменты из быстрорежущей стали, которые мы используем ежедневно, после обработки PVD-покрытием не будут легко изнашиваться или отслаиваться даже после длительной высокоскоростной резки металла, что значительно продлевает срок службы инструмента.
Прочность сцепления традиционного химического покрытия относительно слабая. Большинство из них представляют собой физическую адсорбцию или механическую комбинацию, при этом сила связи обычно находится в диапазоне от 10 до 30 Н. Если взять в качестве примера гальваническое покрытие, слой покрытия образуется путем восстановительного осаждения ионов металлов, и между слоем покрытия и подложкой нет связи на атомном уровне. Он фиксируется только силой поверхностной адсорбции и механической силой блокировки. В условиях высокой температуры, трения, ударов или изгиба могут возникнуть такие проблемы, как образование пузырей, отслаивание и растрескивание. Например, в традиционных хромированных деталях оборудования после длительного использования или удара слой хрома на поверхности отслаивается, обнажая основной металл, что влияет на внешний вид и антикоррозионные характеристики; хотя прочность сцепления химического покрытия немного лучше, чем у гальванического покрытия, оно также склонно к износу и отслоению в условиях высоких нагрузок.
Плотность и чистота:
С точки зрения плотности и чистоты пленочного слоя вакуумное покрытие PVD также работает исключительно хорошо. Поскольку процесс PVD проводится в условиях высокого вакуума, примеси и влага из воздуха эффективно изолируются. При осаждении газообразных частиц они не нарушаются примесями, поэтому структура образующегося пленочного слоя чрезвычайно плотная с очень низкой пористостью (пористостью близкой к нулевой). Этот плотный пленочный слой может эффективно предотвращать проникновение внешних агрессивных сред (таких как воздух, влага, растворы кислот и щелочей) и предотвращать коррозию подложки. В то же время это также может предотвратить попадание примесей в слой пленки и влияние на производительность слоя пленки. Кроме того, чистота слоя пленки PVD чрезвычайно высока. Состав слоя пленки в основном такой же, как и у целевого материала, и соотношение состава пленочного слоя можно точно регулировать, контролируя соотношение целевого материала для подготовки слоев композитной пленки со специальными свойствами (такими как TiN, CrN, AlTiN и т. д.), отвечающих требованиям различных сценариев.
Плотность и чистота пленочного слоя традиционного химического покрытия относительно низкие. Поскольку большинство химических покрытий наносятся в жидкой среде, электролит неизбежно содержит добавки, ионы примесей и т. д. Эти примеси будут инкапсулированы внутри слоя пленки во время процесса осаждения, что приводит к появлению таких дефектов, как микропоры и точечные отверстия в слое пленки, с высокой степенью пористости. Например, степень пористости гальванических слоев обычно составляет от 1% до 5%. Эти микропоры станут «каналами» для агрессивных сред, вызывая коррозию подложки. Поэтому многие детали с гальваническим покрытием должны подвергаться последующей герметизирующей обработке (например, нанесению герметика) для повышения их коррозионной стойкости. В то же время состав пленочного слоя традиционного химического покрытия недостаточно чист и содержит ионы примесей из электролита и остаточные восстановители, что влияет на стабильность работы пленочного слоя. Например, слой химического никелирования будет содержать небольшое количество фосфора, который может повысить твердость слоя пленки, но также снизит его ударную вязкость.
Твердость и износостойкость:
С точки зрения твердости и износостойкости слоя покрытия преимущества вакуумного покрытия PVD более очевидны. Процесс PVD позволяет получать керамические покрытия и металлокерамические покрытия с высокой твердостью. Твердость этих слоев покрытия намного выше, чем у традиционных химических покрытий. Например, обычно используемое покрытие TiN (нитрид титана) имеет твердость 2000-2500 HV (твердость по Виккерсу), в то время как твердость традиционного хромового покрытия составляет всего 800-1200 HV, а твердость покрытия из химического никель-фосфорного сплава составляет примерно 500-600 HV. Даже после термообработки твердость может увеличиться лишь примерно до 1000 HV. Более высокая твердость означает лучшую износостойкость. Таким образом, слои покрытия PVD очень подходят для случаев, когда требуется высокоскоростное трение и износ, например, режущие инструменты, формы и прецизионные компоненты. Например, после обработки твердосплавных режущих инструментов PVD-покрытием AlTiN их износостойкость может быть увеличена в 3-5 раз, а срок службы — в 2-4 раза, что эффективно снижает затраты на производство.
Традиционное химическое покрытие имеет относительно низкую твердость и плохую износостойкость, что делает его более подходящим для сценариев с низкими требованиями к износостойкости, таких как отделка и защита от коррозии. Например, ювелирные изделия с гальваническим покрытием из золота и серебра в основном ориентированы на эстетику и определенный уровень антикоррозионных характеристик при относительно низких требованиях к износостойкости; цинкование стальных деталей в основном служит защите от коррозии, а износостойкость является лишь вспомогательным требованием.
Особенности защиты окружающей среды:
С точки зрения природоохранных характеристик различия между ними особенно значительны. Это также одна из причин, почему в последние годы вакуумное покрытие PVD постепенно вытеснило традиционное химическое покрытие. Вакуумное нанесение PVD осуществляется полностью в вакуумной среде, без использования электролитов, восстановителей или каких-либо химических реагентов и без образования отходов.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
