En la producción industrial moderna y en la vida cotidiana, la tecnología de revestimiento de superficies es omnipresente, desde la decoración resistente al desgaste de las carcasas de los teléfonos móviles, la protección del brillo de las joyas,a la mejora del rendimiento de los moldes de herramientasEn la actualidad, la tecnología de revestimiento es la base para la fabricación de la mayor parte de las piezas de automóviles, el tratamiento anticorrosivo de piezas de automóviles e incluso la fabricación precisa de chips de semiconductores.los dos tipos de tecnología de recubrimiento más utilizados en el mercado son el recubrimiento al vacío PVD y el recubrimiento químico tradicionalAunque ambos tienen como objetivo final formar una película funcional especial en la superficie de la pieza de trabajo, existen diferencias fundamentales en sus principios técnicos, procedimientos de proceso, propiedades de la película,y escenarios de aplicaciónEste artículo adoptará una perspectiva de ciencia popular y explicará las diferencias fundamentales entre los dos de una manera simple y comprensible,ayudar a todos a comprender claramente las características y los escenarios de aplicación de estas dos tecnologías de recubrimiento comúnmente utilizadas.
En primer lugar, es necesario definir claramente las definiciones básicas de dos conceptos básicos: el revestimiento al vacío PVD, también conocido como deposición física de vapor (PVD), que, como su nombre indica,es una tecnología que realiza la deposición de películas mediante métodos físicos en un ambiente de vacío; el revestimiento químico tradicional se basa en reacciones químicas y se lleva a cabo bajo presión normal o en entornos ordinarios,donde las sustancias de recubrimiento se adhieren a la superficie de la pieza mediante acciones químicas para formar una capa de películaLos procesos comunes como el galvanizado, el revestimiento químico y el anodizado entran en esta categoría.La diferencia más fundamental entre los dos radica en la distinción esencial entre "dominio del proceso físico" y "dominio de la reacción química", y esta diferencia se extiende a través de todos los aspectos del proceso, el rendimiento y la aplicación.
I. Principio básico: deposición física frente a la reacción química
El principio básico del revestimiento al vacío PVD es que "en un entorno de vacío, los materiales de revestimiento sólidos (denominados objetivos) se transforman en partículas gaseosas,y luego estas partículas se unen uniformemente a la superficie de la pieza de trabajoDespués de enfriarse, se forma una película densa". Todo el proceso no implica reacciones químicas complejas; sólo se producen una pequeña cantidad de efectos físicos de superficie (como adsorción y difusión).Es equivalente a "transformar materiales sólidos en 'polvos gaseosos' y luego rociarlos uniformemente y condensarlos en la pieza de trabajo."
Las tecnologías PVD actuales pueden clasificarse en tres tipos, cada uno adecuado para diferentes requisitos de aplicación.que consiste en calentar el material objetivo por encima de su punto de ebullición mediante métodos como el calentamiento por resistencia o el bombardeo de haz de electronesEsto hace que el material objetivo se evapore directamente en átomos gaseosos, que se mueven libremente en el vacío y se condensan rápidamente cuando se encuentran con una superficie de la pieza más fría.formando una películaEsta tecnología es relativamente sencilla de utilizar y es adecuada para la preparación de películas metálicas, películas ópticas, etc.Las películas antirreflectantes para lentes de gafas y las películas metálicas para algunas partes decorativas se producen a menudo utilizando este métodoEl segundo tipo es el recubrimiento por pulverización, que es actualmente la tecnología PVD más utilizada.Su principio es bombardear la superficie del objetivo con iones de alta energía (como los iones de argón) y utilizar el efecto de colisión para expulsar los átomos del material objetivoEstos átomos pulverizados tienen cierta energía y se depositarán uniformemente en la superficie de la pieza de trabajo para formar una capa de película.La ventaja del recubrimiento por pulverización es su buena uniformidad de la capa de película y su fuerte adhesiónEl tercer tipo es el revestimiento iónico, que se utiliza para la preparación de capas de película de alta dureza y de alto mantenimiento, como revestimientos resistentes al desgaste en las superficies de herramientas y moldes.Introduce un campo eléctrico a través de la evaporación o el rocío., causando que las partículas gaseosas se ionicen en iones, acelerados por el campo eléctrico, que bombardean la superficie de la pieza.que no solo permite una unión más estrecha entre la capa de película y la pieza de trabajo, sino que también mejora la densidad de la capa de películaSe utiliza a menudo en componentes de precisión, dispositivos médicos, etc., donde el rendimiento de la capa de película es muy exigente.
A diferencia del revestimiento al vacío PVD, el núcleo del revestimiento químico tradicional es "a través de reacciones químicas,permitiendo que el material de recubrimiento se forme espontáneamente o se reduzca y deposite en la superficie de la pieza de trabajo".Todo el proceso se basa en estrictas condiciones químicas termodinámicas y cinéticas, equivalentes a "hacer que la superficie de la pieza de trabajo se convierta en el "estadio" de las reacciones químicas,y generando una nueva sustancia en forma de película a través de las reacciones".
Las principales tecnologías de revestimiento químico tradicional también tienen tres tipos, y sus principios de reacción y escenarios de aplicación son diferentes.que es la tecnología de recubrimiento químico más familiarPor ejemplo, el cromo para piezas de hardware, el zinc para piezas de acero y el oro para joyas adoptan el proceso de galvanoplastia.,y el metal de recubrimiento (como cromo, zinc, oro) como ánodo, junto con el electrolito que contiene los iones de metal de recubrimiento, y luego aplicar un campo eléctrico de corriente continua.Bajo la acción del campo eléctrico, los iones metálicos en el electrolito se moverán hacia el cátodo (la pieza de trabajo), ganarán electrones y se reducirán a átomos metálicos.Estos átomos se acumularán continuamente en la superficie de la pieza de trabajoLa clave para la galvanoplastia es controlar la concentración del electrolito, el tamaño de la corriente y la temperatura.para garantizar la reacción estable y obtener una capa de película uniforme y brillanteEl segundo es el revestimiento químico, que no requiere un campo eléctrico externo, sino que sólo se basa en el agente reductor en el electrolito para reducir los iones metálicos de revestimiento a átomos metálicos.Estos átomos se depositarán espontáneamente en la superficie catalíticamente activa de la pieza de trabajoPor ejemplo, el revestimiento químico de aleación de níquel-fósforo comúnmente utilizado en la industria consiste en utilizar hipofosfato de sodio como agente reductor para reducir los iones de níquel a átomos de níquel,su deposición en la superficie de aceroLa ventaja del revestimiento químico es que no requiere una corriente eléctrica, adecuado para la fabricación dede una longitud superior a 30 mm, pero no superior a 50 mmLa tercera es la oxidación anódica, principalmente para el aluminio, el magnesio y el aluminio.,Titanio y otras piezas de trabajo de metal de color. Su principio es utilizar la pieza de trabajo como ánodo, ponerla en un electrolito específico (como el ácido sulfúrico, ácido oxálico), y después de aplicar una corriente eléctrica,la superficie de la pieza de trabajo experimentará una reacción de oxidaciónEsta película de óxido no sólo mejora la resistencia a la corrosión de la pieza de trabajo, sino que también se puede obtener con diferentes colores mediante tratamiento de color,a menudo utilizado en puertas y ventanas de aleación de aluminio, carcasas de teléfonos móviles, componentes de aviación, etc. Por ejemplo, la capa protectora de colores en la superficie del marco del teléfono móvil de aleación de aluminio,que se prepara principalmente mediante tecnología de oxidación anódica.
II. Condiciones del proceso: precisión en vacío frente a simplicidad a presión normal
Debido a los diferentes principios, las condiciones de proceso del recubrimiento al vacío PVD y el recubrimiento químico tradicional también presentan diferencias significativas.requisitos medioambientalesLas diferencias también determinan los costes de producción y las escalas aplicables de los dos métodos.
Requisitos medioambientales:
En cuanto a los requisitos medioambientales, el recubrimiento al vacío PVD tiene requisitos medioambientales extremadamente estrictos.con el grado de vacío que normalmente necesita alcanzar 10−2 a 10−6 PaLa necesidad de un entorno de alto vacío es, por una parte, para aislar el aire y las impurezas, evitando que las partículas de gas choquen con las moléculas de aire durante su movimiento,que podrían causar poros e impurezas en la capa de película y afectar a la calidad de la capa de películaPor otra parte, se trata de evitar que el material objetivo y la pieza de trabajo se oxiden a altas temperaturas, garantizando así el flujo del proceso de recubrimiento.Para lograr un entorno de alto vacío, los equipos PVD deben estar equipados con conjuntos de bombas de vacío precisos, incluidas bombas mecánicas y bombas moleculares, etc. El coste de todo el sistema de vacío es elevado,y se requiere mantenimiento regular para garantizar la estabilidad del grado de vacío.
Los requisitos medioambientales para los procesos de recubrimiento químico tradicionales son mucho más suaves.La mayoría de estos procesos pueden llevarse a cabo en condiciones de presión normal sin necesidad de equipos de vacíoLos principales procesos, como el galvanizado y el revestimiento químico, se llevan a cabo en ambientes líquidos, y sólo requieren la preparación de células electrolíticas y tanques de reacción adecuados.y el control de la concentración y la temperatura de la solución de electrolitosIncluso para algunos procesos de recubrimiento químico en fase gaseosa (como la deposición de vapor químico CVD), el proceso de recubrimiento se puede utilizar para la obtención de una solución de acero.solo deben llevarse a cabo en ambientes normales o de baja presión sin necesidad de cámaras de alto vacío.La ventaja de esta operación a presión normal es su simplicidad en el proceso y su baja inversión en equipos, lo que la hace adecuada para la producción a gran escala.especialmente para las pequeñas y medianas empresas.
Condiciones de temperatura:
En términos de condiciones de temperatura, el revestimiento al vacío PVD tiene una mayor capacidad de control de la temperatura y un rango de aplicación más amplio.que es adecuado para piezas sensibles a la temperaturaEsto evita la deformación y el envejecimiento de la pieza debido a la alta temperatura.El proceso de PVD a alta temperatura suele funcionar a temperaturas que oscilan entre 300 y 600 grados centígrados, que es adecuado para metales y cerámicas, y puede mejorar aún más la adhesión entre la capa de película y el sustrato.Esta capacidad de control de temperatura permite adaptar el revestimiento PVD a piezas de trabajo de diferentes materiales, haciendo más flexibles los escenarios de aplicación.
La temperatura en el revestimiento químico tradicional es relativamente fija y generalmente baja.La temperatura excesiva puede hacer que el electrolito se descomponga y la reacción se salga de controlLa temperatura para la anodización suele estar comprendida entre la temperatura ambiente y los 25°C. La temperatura excesiva puede dar lugar a una película de óxido suelta y desprendida,Mientras que una temperatura demasiado baja puede resultar en una velocidad de reacción lenta y un grosor de película insuficienteAdemás, en el recubrimiento químico tradicional, algunos procesos de alta temperatura (como el CVD tradicional) pueden alcanzar temperaturas de 800-1200°C,pero estos procesos tienen un rango de aplicación estrecho y pueden tener ciertos impactos en el rendimiento de la pieza de trabajo (como causar deformación y crecimiento de grano de la pieza de trabajo).
Proceso de pretratamiento:
En el proceso de pretratamiento, ambos métodos requieren un tratamiento estricto de la superficie de la pieza de trabajo, pero con enfoques diferentes.El núcleo del pretratamiento para el revestimiento al vacío PVD es la "limpieza y desgasificación", porque en un ambiente de vacío, las impurezas como las manchas de aceite, los óxidos y la humedad en la superficie de la pieza de trabajo pueden afectar seriamente la adhesión y la densidad de la capa de película.El proceso específico incluye:: en primer lugar, con solventes orgánicos (como la acetona y el alcohol) para eliminar las manchas de aceite en la superficie de la pieza de trabajo, luego mediante lavado ácido y lavado alcalino para eliminar los óxidos en la superficie,y finalmente colocar la pieza en una cámara de vacío para hornear para eliminar la humedad y los gases adsorbidos dentro de la pieza, asegurando que no se generen burbujas de impurezas durante el proceso de recubrimiento.
El núcleo del proceso de pretratamiento para el revestimiento químico tradicional es "activar la superficie y mejorar la actividad de reacción",porque las reacciones químicas deben ocurrir sin problemas en la superficie de la pieza de trabajoSi hay aceite u óxido en la superficie, esto obstaculizará la reacción e impedirá la formación del revestimiento o hará que el revestimiento no se adhiera firmemente.Desengrasamiento (eliminación del aceite superficial), eliminación de óxido (para piezas de acero, eliminación de óxido superficial), activación (mediante tratamiento ácido débil,eliminación de la película delgada de óxido en la superficie para que la superficie de la pieza tenga actividad catalítica)En comparación con el pretratamiento PVD, el tratamiento de la materia prima se realiza mediante un proceso de recubrimiento de la materia prima.el proceso de pretratamiento del revestimiento químico tradicional es más complicado y producirá una cierta cantidad de líquido residual.
Complejidad del equipo:
En cuanto a la complejidad del equipo, el equipo de recubrimiento al vacío PVD tiene altos costos y una estructura compleja.sistemas de material objetivoEl sistema de calefacción, de refrigeración, etc. no sólo es una inversión inicial importante, sino que también requiere profesionales para su funcionamiento y mantenimiento.Los materiales seleccionados deben ser reemplazados regularmente.Por el contrario, los equipos tradicionales de revestimiento químico son relativamente sencillos.El electroplacado sólo requiere una célula electrolítica, una fuente de alimentación de corriente continua y un dispositivo de agitación de electrolitos, mientras que el revestimiento químico sólo requiere una célula de reacción, un dispositivo de calefacción y un dispositivo de agitación.La operación es sencilla.El coste de mantenimiento es también menor, lo que lo hace adecuado para la producción industrial a gran escala.
III. Rendimiento de la capa de película: densa y resistente al desgaste frente a rentable y práctica
Las diferencias en los principios y condiciones del proceso condujeron en última instancia a diferencias significativas en las propiedades de la película entre el revestimiento al vacío PVD y el revestimiento químico tradicional.Esta es la base fundamental para la división de sus escenarios de aplicaciónLas diferencias en las propiedades de las películas se manifiestan principalmente en cuatro aspectos: adhesión, densidad y pureza, dureza y resistencia al desgaste y respetuosidad con el medio ambiente.
Adhesión:
En términos de la resistencia de unión entre la capa de película y el sustrato, el recubrimiento al vacío PVD tiene una ventaja absoluta.Las partículas gaseosas (especialmente los iones en el revestimiento iónico) llevan cierta energíaCuando se depositan en la superficie de la pieza de trabajo, sufren difusión, penetración e incluso forman enlaces metalúrgicos o de difusión con los átomos del sustrato.Este método de unión es extremadamente fuerte, con una fuerza de unión que generalmente oscila entre 50 y 100 N. Esto significa que la capa de película PVD no es propensa a descascarse o descamación, y puede soportar altos niveles de fricción, impacto y flexión.Incluso en condiciones de trabajo complejas (como el corte a alta velocidad con herramientas de corte o el movimiento repetido de componentes)Por ejemplo, las herramientas de corte de acero de alta velocidad que usamos diariamente, después del tratamiento de revestimiento PVD,No se desgastarán ni descolorirán fácilmente, incluso después de un corte de metal de alta velocidad a largo plazo, extendiendo significativamente la vida útil de la herramienta.
La fuerza de unión de los recubrimientos químicos tradicionales es relativamente débil.con una fuerza de adhesión generalmente de 10 a 30 NTomando como ejemplo el galvanizado, la capa de recubrimiento se forma por la deposición de reducción de iones metálicos, y no hay enlace a nivel atómico entre la capa de recubrimiento y el sustrato.Sólo se fija por la fuerza de adsorción superficial y la fuerza de bloqueo mecánicoEn condiciones de alta temperatura, fricción, impacto o flexión, son propensos a ocurrir problemas tales como ampollas, descamación y grietas.después de un uso o impacto prolongado, la capa de cromo en la superficie se desprenderá, exponiendo el metal básico subyacente, lo que afecta el aspecto y el rendimiento anticorrosivo;aunque la resistencia a la unión del revestimiento químico es ligeramente mejor que la del galvanizado, también es propenso al desgaste y desprendimiento en condiciones de alta carga.
Densidad y pureza:
En términos de densidad y pureza de la capa de película, el recubrimiento al vacío PVD también tiene un rendimiento excepcional.las impurezas y la humedad en el aire se aislan eficazmenteDurante la deposición de las partículas gaseosas, no son perturbadas por impurezas, por lo que la estructura de la capa de película formada es extremadamente densa con una porosidad muy baja (cerca de cero porosidad).Esta capa de película densa puede prevenir eficazmente los medios externos corrosivos (como el aire, la humedad, las soluciones ácidas y alcalinas) de penetrar y evitar la corrosión del sustrato.También puede evitar que las impurezas entren en la capa de película y afecten el rendimiento de la capa de película.Además, la pureza de la capa de película PVD es extremadamente alta.y la proporción de composición de la capa de película se puede ajustar con precisión mediante el control de la proporción del material objetivo para preparar capas de película compuesta con propiedades especiales (como TiNEl sistema de control de la calidad de los productos de la industria de la construcción, de la fabricación y de la fabricación de productos de la industria de la construcción, de la fabricación y de la fabricación de productos de la industria de la fabricación, de la fabricación y de la fabricación de productos de la industria de la fabricación, de la fabricación y de la fabricación de productos de la industria de la fabricación, de la fabricación y de la fabricación de productos de la industria.
La densidad y la pureza de la capa de película en el recubrimiento químico tradicional son relativamente pobres.El electrolito contiene inevitablemente aditivos, iones de impurezas, etc. Estas impurezas se encapsularán dentro de la capa de película durante el proceso de deposición, lo que dará lugar a defectos como microporos y agujeros en la capa de película,con una porosidad elevadaPor ejemplo, la tasa de porosidad de las capas electropladas suele estar entre el 1% y el 5%. Estos microporos se convertirán en "canales" para los medios corrosivos, causando la corrosión del sustrato.Muchas piezas galvanizadas deben someterse a un tratamiento de sellado posterior (por ejemplo, recubrimiento con un agente de sellado) para mejorar su resistencia a la corrosiónAl mismo tiempo, la composición de la capa de película en el recubrimiento químico tradicional no es lo suficientemente pura, ya que contiene iones de impurezas del electrolito y agentes reductores residuales.que afecta a la estabilidad del rendimiento de la capa de películaPor ejemplo, la capa de revestimiento químico con níquel contendrá una pequeña cantidad de fósforo, lo que puede aumentar la dureza de la capa de película, pero también reducirá su dureza.
Dureza y resistencia al desgaste:
En términos de dureza y resistencia al desgaste de la capa de recubrimiento, las ventajas del recubrimiento al vacío PVD son más obvias.El proceso PVD puede producir recubrimientos cerámicos y recubrimientos cerámicos metálicos de alta durezaLa dureza de estas capas de recubrimiento es mucho mayor que la de los recubrimientos químicos tradicionales.el recubrimiento comúnmente utilizado de TiN (nitruro de titanio) tiene una dureza de 2000-2500 HV (dureza de Vickers)La dureza del revestimiento cromado tradicional es de sólo 800-1200 HV, y la dureza del revestimiento químico de aleación de níquel-fósforo es de aproximadamente 500-600 HV.la dureza solo puede aumentar hasta alrededor de 1000 HVPor lo tanto, las capas de revestimiento PVD son muy adecuadas para escenarios que requieren fricción y desgaste de alta velocidad, como herramientas de corte, moldes,y componentes de precisiónPor ejemplo, después de que las herramientas de corte de aleaciones duras se tratan con un revestimiento PVD AlTiN, su resistencia al desgaste se puede aumentar en 3-5 veces y su vida útil se puede extender en 2-4 veces.reducción efectiva de los costes de producción.
El revestimiento químico tradicional tiene una dureza relativamente baja y una baja resistencia al desgaste, por lo que es más adecuado para escenarios con bajos requisitos de resistencia al desgaste.como decoración y anticorrosiónPor ejemplo, las joyas galvanizadas de oro y plata tienen como objetivo principal la estética y un cierto nivel de resistencia a la corrosión, con requisitos relativamente bajos de resistencia al desgaste.la galvanización de piezas de acero tiene principalmente por objeto la anticorrosión, y la resistencia al desgaste es sólo un requisito auxiliar.
Características de protección ambiental:
En cuanto a las características de protección del medio ambiente, las diferencias entre los dos son particularmente significativas.Esta es también una de las razones por las que el revestimiento al vacío PVD ha reemplazado gradualmente el revestimiento químico tradicional en los últimos añosEl revestimiento al vacío PVD se realiza enteramente en un ambiente al vacío, sin utilizar electrolitos, agentes reductores o reactivos químicos, y no produce líquido residual.
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