Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

Вакуумное напыление

Методы вакуумного напыления

Помимо вакуума, в напылении могут учувствовать и другие физические процессы. Нижеприведенная классификация также будет касаться и веществ, которые будут напыляться на поверхность.

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий проводится по следующему механизму. Катодом выступает поверхность, на которую необходимо нанесение пленки, анодом выступает подложка газоразряда. Когда дуга накаляет атмосферу до предельной температуры, происходит переход напылительного материала в газообразную фазу и перенос его к катоду. Затем молекулы напылителя конденсируются на поверхности изделия, образуя однородный слой. Однородность в установках вакуумно-дугового напыления может быть отрегулирована вплоть до получения исходного изделия с разводами напылителя.

Такая сложная технология применяется для нанесения сверхтвердых покрытий на режущие и сверлящие инструменты. Крепкие износостойкие буры для перфораторов создаются с помощью вакуумно-плазменного напыления.

Высокопрочные буры для перфоратора

Ионно-вакуумное напыление

Считается самым экологически чистым способом нанести покрытие на любую металлическую поверхность. Минус заключается в дорогостоящем оборудовании, далеко не каждое предприятие может себе позволить его покупку и установку.

Жесткие требования также предъявляются к чистоте поверхности, однако конечный результат превосходит все ожидания. Нанесенное покрытие отличается высокой однородностью, прочностью и износоустойчивостью, поэтому таким способом напыляют покрытия на детали и механизмы, которые будут эксплуатироваться в жестких климатических условиях. Является последней операцией, после которой дальнейшая обработка деталей не допускается – ни сварки, ни резки быть не должно.

Вакуумное напыление алюминия

Нанесение алюминия считается самым популярным способом металлизации практически любой поверхности. Универсальность алюминия позволяет наносить его на такие необычные поверхности, как пластик и стекло, причем, в отличие от остальных металлов, здесь не нужно дополнительное лаковое покрытие для прочности. Алюминий обычно используется в декоративных целях – им обрабатываются автомобильные аксессуары и отражатели для фар, косметические элементы, ручки шкафов и дверей, швейные принадлежности. Этот металл хоть и не отличается высокой прочностью, однако отработка технологии позволила сильно уменьшить стоимость такого напыления, делав его самым распространенным в мире.

Отражатель автомобильной фары с алюминиевым покрытием

Вакуумное напыление металлов

Помимо алюминия, имеется ряд не менее распространенных металлов для напыления. Благодаря различным физическим и химическим свойствам они нашли применение абсолютно во всех отраслях промышленности. Основные назначения напыленных металлов:

  • улучшение проводимости;
  • повышение изоляции;
  • придание износоустойчивых и антикоррозийных свойств.

Регулирование температуры при нанесении слоя покрытия позволяет придать конечному изделию практически любой оттенок, этим часто пользуются для нанесения покрытий «под золото» (используются никеле-титановые сплавы).

Широкое распространение напыление титана и серебра нашли в медицине. Эти уникальные металлы очень хорошо взаимодействуют с организмом человека и имеют антибактериальные свойства. Имплантаты и хирургические инструменты (а также стоматологические и прочие) практически везде имеют напыление серебра – высокая гарантия прочности и стерильности инструмента.

Вакуумное ионно-плазменное напыление

Под воздействием высоких температур покрытие не просто конденсируется на поверхности детали, оно буквально запекается на нем, что придает конечному изделию очень высокие технические характеристики – износоустойчивость при механическом воздействии и хорошую сопротивляемость жестким погодным условиям.

Оксид титана – TiO. Радужное напыление «Хамелеон».

Особенностью покрытий из оксида титана TiO является цветовой эффект «хамелеона». Поэтому такие покрытия в основном применяются в качестве декоративных и защитно-декоративных для изделий из различных материалов — сталей, алюминиевых сплавов, меди, пластмасс, стекла, керамики и т.д.

Покрытия TiO имеют небольшую толщину, обладая при этом достаточно высокой износостойкостью. При обработке поверхности твердосплавных инструментов диоксидом титана можно повысить их стойкость. Кроме того, покрытия на основе оксида титана известны как обладающие высокой фотокаталитической активностью: они эффективно используют свет для ускорения химических реакций.

Процесс

Вакуумно-дуговой процесс испарения начинается с зажигания вакуумной дуги (характеризующейся высоким током и низким напряжением), которая формирует на поверхности катода (мишени) одну или несколько точечных (размерами от единиц микрон до десятков микрон) эмиссионных зон (так называемые «катодные пятна»), в которых концентрируется вся мощность разряда. Локальная температура катодного пятна чрезвычайно высока (около 15000 °C), что вызывает интенсивное испарение и ионизацию в них материала катода и образование высокоскоростных (до 10 км/с) потоков плазмы, распространяющихся из катодного пятна в окружающее пространство. Отдельное катодное пятно существует только в течение очень короткого промежутка времени (микросекунды), оставляя на поверхности катода характерный микрократер, затем происходит его самопогасание и самоинициация нового катодного пятна в новой области на катоде, близкой к предыдущему кратеру. Визуально это воспринимается как перемещение дуги по поверхности катода.

Так как дуга, по существу, является проводником с током, на неё можно воздействовать наложением электромагнитного поля, что используется на практике для управления перемещением дуги по поверхности катода, для обеспечения его равномерной эрозии.

В вакуумной дуге в катодных пятнах концентрируется крайне высокая плотность мощности, результатом чего является высокий уровень ионизации (30—100 %) образующихся плазменных потоков, состоящих из многократно заряженных ионов, нейтральных частиц, кластеров (макрочастиц, капель). Если в процессе испарения в вакуумную камеру вводится химически активный газ, при взаимодействии с потоком плазмы может происходить его диссоциация, ионизация и возбуждение с последующим протеканием плазмохимических реакций с образованием новых химических соединений и осаждением их в виде плёнки (покрытия).

Заметная трудность в процессе вакуумно-дугового испарения заключается в том, что если катодное пятно остаётся в точке испарения слишком долго, оно эмитирует большое количество макрочастиц или капельной фазы. Эти макровключения снижают характеристики покрытий, так как они имеют плохое сцепление с подложкой и могут по размерам превосходить толщину покрытия (проступать сквозь покрытие). Ещё хуже, если материал катода-мишени имеет низкую температуру плавления (например, алюминий): в этом случае мишень под катодным пятном может проплавиться насквозь, в результате чего или начнёт испаряться материал опорного держателя катода, или охлаждающая катод вода начнёт поступать в вакуумную камеру, приводя к возникновению аварийной ситуации.

Для решения данной проблемы производят тем или иным способом непрерывное перемещение катодного пятна по большому и массивному катоду, имеющему достаточно большие линейные размеры. В основном, как уже упоминалось выше, для управляемого перемещения катодных пятен по поверхности катода используются магнитные поля. С этой же целью, при применении цилиндрических катодов, во время работы (испарения) им можно сообщать вращательное движение. Не позволяя катодному пятну оставаться на одном месте слишком долго, можно использовать катоды из легкоплавких металлов, и при этом уменьшить количество нежелательной капельной фазы.

Некоторые компании также используют так называемые фильтрованные дуги (англ. filtered arcs), в которых макровключения отделяются от потока плазмы с помощью магнитных полей (см. ниже).

Понятие о вакуумной металлизации

С помощью такой технологии происходит обработка поверхностей изделий путём переноса мелких металлических частиц в вакууме. Они покрывают изделия плотным слоем. Для этого используется специальное оборудование, довольно дорогостоящее, для которого необходимо подходящее производственное помещение. В небольшой мастерской такой процесс работы не выполнить.

Вакуумная металлизация широкое применение получила сравнительно недавно, но уже показала, что этот способ, несмотря на использование дорогого оборудования, намного дешевле гальванического нанесения, а по сравнению с лакокрасочными покрытиями слой значительно насыщенней и поверхность получается более красивая.

Поверхности, пригодные для напыления

Для напыления пригодны любые предметы, способные выдерживать нагрев до 80 °С и воздействие специализированных лаков. Достоинством технологии является то, что для придания изделиям эффекта медных покрытий, зеркального хромирования, золочения, никелирования не нужно предварительно полировать поверхности. Чаще путем вакуумной металлизации покрывают детали из пластика, стекла, металлических сплавов, различные полимерные и керамические изделия. Реже, но все же технология используется для более мягких материалов, таких как древесина, текстиль, мех.

Обработка металлических заготовок и изделий из металлосплавов благодаря хорошей совместимости основания и покрытий не требует использования дополнительных расходных материалов. В то время как полимеры необходимо грунтовать предварительно защитными и адгезионными составами. Для предотвращения деформации полимерных заготовок и снижения напряжения в рабочей среде во время вакуумной металлизации используют специальные модифицирующие компоненты и режимы диффузии материала.

История

Промышленное использование современных вакуумно-дуговых технологий берёт своё начало в СССР. Впервые систематические исследования и разработки вакуумно-дугового метода и оборудования с целью их адаптации к условиям индустриального производства были начаты одним из научных коллективов Харьковского физико-технического института (ХФТИ) еще в конце 60-х годов XX века (и продолжаются по настоящее время).

В 1976—1980 годы началась разработка техники и технологии нанесения различных упрочняющих и защитных покрытий вакуумно-дуговым методом. Разработанные в ХФТИ установки для нанесения таких покрытий, и давшие начало широкому промышленному применению метода, получили название «Булат». Установка была защищена пятью зарубежными патентами в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, Италии в связи с ведущимися в тот период переговорами с целью продажи лицензии.

В конце 70-х годов XX века Советское правительство решило открыть данную технологию для Запада. В 1979 г. Джозеф Фильнер (H. Joseph Filner), глава американской фирмы «Noblemet International», случайно узнал об этой технологии во время своей деловой поездки в СССР, увидев там её эффективное и успешное применение в промышленности для упрочнения металлорежущего инструмента. В результате данной фирмой с правительством СССР было подписано лицензионное соглашение, и вместе с другими инвесторами для промышленного внедрения на Западе ей была специально создана фирма «Multi-Arc Vacuum Systems» (или «MAVS»), годовой доход которой за два года вырос с нуля до 5 млн долларов США. Фирме «Multi-Arc» была продана исключительная лицензия на оборудование и технологию осаждения покрытий TiN на режущий инструмент из быстрорежущих сталей. Территория действия соглашения составила более 40 стран Северной Америки, Европы и Азии.

В 1981 году было подписано лицензионное соглашение с ВТП «Политехна» (ЧССР) на продажу технологии упрочнения режущего инструмента методом КИБ.

В 1980—1985 годы осуществлялось патентование усовершенствований установки «Булат», переданной по лицензии. Были получены охранные грамоты на 36 патентов в 15 странах мира.

Из нескольких конструкций катодно-дуговых источников плазмы — основное устройство, осуществляющее испарение и ионизацию материала катода в вакуумной дуге, — существовавших в СССР в то время, для использования за пределами СССР была разрешена конструкция Л. П. Саблева (с соавторами).

Анодное оксидирование

Такой вид называется – электрохимическое оксидирование стали. Иногда его называют и анодное оксидирование стали. Также применяют термин анодирование. В его основу заложен химический процесс электролиза. Его можно проводить как в твёрдых, так и в жидких электролитах. Подготовленную заготовку помещают в ёмкость с оксидным раствором.

Поверхность окисляемого изделия характеризуется положительным потенциалом. Из раствора выделяют химически активные элементы с отрицательным потенциалом. Взаимодействие разнополярных элементов и называется реакцией электролиза (в нашем случае анодирования).

Анодное оксидирование

Протекание реакции анодирования можно выполнить в домашних условиях. Требуется чётко выполнять условия техники безопасности. В реакции участвуют вредные реактивные жидкости и небезопасное напряжение.

Тонкие плёнки получают в растворах борной или ортофосфорной кислоты. С помощью анодирования можно придать поверхностному слою металла красивые декоративные оттенки. С этой целью процесс проводят в органических кислотах. В качестве таких растворов применяют щавелевую, малеиновую, сульфосалициловую

Специальным процессом анодирования считается микродуговое оксидирование. Оно позволяет получать покрытия, обладающие высокими физическими и механическими характеристиками. К ним относятся: защитные, изоляционные, декоративные, теплостойкие и антикоррозийные свойства. В этом случае оксидирование производится под действием переменного или импульсного тока в специальных ваннах заполненных электролитом. Такими электролитами являются слабощелочные составы.

Анодное оксидирование в домашних условиях

Анодирование позволяет получить поверхностный слой, обладающий следующими свойствами:

  • надёжное антикоррозионное покрытие;
  • хорошие электрические изоляторы;
  • тонкий, но стойкий поверхностный слой;
  • оригинальную цветовую гамму.

На первом этапе анодирование нержавеющей стали производят совместно с другим, более подходящим для этого процесса металлом. Это может быть никель, медь, другой металл или сплав.

На втором этапе производят оксидирование непосредственно самой нержавеющей стали. Для упрощения процесса оксидирования сегодня ведутся разработки специальных добавок, так называемых пассивирующих паст. Эти составы ускоряют процесс реакции нержавеющей стали.

https://youtube.com/watch?v=LjfORdSVjJk

Оборудование для вакуумной металлизации

У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:

Аппарат для нанесения покрытий — схема

  • необходимость использования дорогостоящего оборудования;
  • большие расходы электроэнергии;
  • потребность в просторном производственном помещении для размещения всех приспособлений и для полного технологического цикла изготовления.

Дополнительные расходы средств требуются при этом на технический процесс нанесения дополнительного слоя – защитного лака.

Установки вакуумного напыления представляют собой совокупность устройств, которые последовательно и самостоятельно выполняют ряд функций, необходимых для технологического процесса металлизации.

Основные функции:

  • откачка воздуха для получения условий разрежения;
  • распыление в определённых условиях металлических частиц на поверхность предметов;
  • транспортировка обрабатываемых деталей;
  • контроль режимов происходящих процессов вакуумного напыления;
  • электропитание и другие вспомогательные приспособления.

Составляющие узлы вакуумной установки:

Устройства вакуумной транспортировки

  • Рабочая камера. В ней происходит сам процесс металлизации.
  • Источник испаряемых металлов вместе с управляющими и энергообеспечивающими устройствами.
  • Системы контроля и управления для регулировки температуры, скорости напыления, толщины плёнки, её физических свойств.
  • Откачивающая и газораспределительная система, обеспечивающая получение вакуума и регулировку газовых потоков.
  • Системы блокировки рабочих узлов, блоки электропитания.
  • Транспортирующее устройство, определяющее подачу-извлечение из вакуумной камеры, смену положений деталей при нанесении металлопокрытия.
  • Вспомогательные устройства – заслонки, внутрикамерные манипуляторы, газовые фильтры и др.

Особенности оборудования

Процесс магнетронного напыления

Установки для вакуумного процесса нанесения металлического слоя бывают магнетронные и ионно-плазменные. В любых из них необходимо достигать испарения вещества с поверхности металлических болванок, минуя стадию расплава металла.

При сублимационном способе процесс нагрева происходит быстро до температуры испарения, не допуская расплава. Для этого используются нагреватели, способные повышать кинетическую энергию вплоть до разрушения кристаллической решётки. Но некоторые металлы не сублимируют в вакууме, и поэтому с ними стадии расплава не избежать. Поэтому в таких случаях применяются дополнительные системы фильтров.

Способом вакуумного напыления металлического слоя покрываются изделия разных размеров: крупные (до 1 м) и совсем мелкие. Существуют технологии металлопокрытия многометровых тканей и плёнок – они перематываются из одного рулона в другой в процессе напыления в вакуумной камере. Поэтому бывают установки с рабочими камерами разных размеров:

  • небольшие – несколько литров;
  • крупные – несколько кубометров.

Область применения вакуумной металлизации

При рассмотрении области применения данной технологии отметим, что она может применяться для покрытия следующих материалов:

  1. пластика;
  2. алюминия;
  3. различных полимеров;
  4. стекла;
  5. керамики;
  6. металлов.

Вакуумная металлизация изделий из стекла

Наибольшее распространение получила металлизация пластмассовых изделий. Это связано с тем, что подобным образом изделие из дешевого пластика приобретает более привлекательный вид.

Примером назовем изготовление деталей автомобилей, которые используются при отделке салона. Китайские и японские автопроизводители давно начали применять рассматриваемую технологию для удешевления своих автомобилей. При этом применение вакуумной металлизации проводится не только в декоративных целях, за счет более высокой прочности поверхностного слоя детали служат дольше, снижается степень трения. Однако металлизация не позволяет повысить прочность всего полимерного изделия.

Данная технология применяется и при производстве различных вещей, применяемых в быту, недорогих украшений. Большое распространение связано с тем, что поверхностный слой не истирается на протяжении длительного периода эксплуатации. Ранее применяемые технологии напыления не предусматривали создание высокой адгезии между подложкой и декоративным покрытием.

Устройство установки вакуумного напыления

Как правило, все оборудование этого типа имеет схожую конструкцию, состоящую из ряда элементов. Основным рабочим органом можно назвать горизонтальную камеру, в которой и происходит напыление, благодаря размещенному в ней технологическому устройству. Обеспечить требуемый вакуум призваны газораспределительная и откачная системы. К важным рабочим узлам оборудования относятся, в том числе, источники, обеспечивающие испарение или распыление обрабатываемых материалов.

Любая установка вакуумного напыления имеет систему электропитания и блокировки рабочих элементов, отвечающих за включение/отключение оборудования. Шкаф питания располагают в стороне от оборудования. Необходимую скорость нанесения напыления на пленки, их толщину, температуру деталей и рабочую температуру, и прочие показатели регулирует предустановленная система контроля и управления. Все датчики, относящиеся к этой системе, связаны между собой единым микропроцессором.

Установки снабжаются и специальными элементами транспортировки, с помощью которых осуществляется доставка деталей в камеру или вывод из неё. Различные вспомогательные устройства установок вакуумного напыления, включающие в себя экраны, манипуляторы, заслонки, установленные внутри рабочей камеры, устройства очистки газов и прочие элементы также являются неотъемлемой частью оборудования. Обрабатываемые материалы расположены на подложках, которые вращаются вокруг барабана на специальных держателях. За один оборот барабана каждая подложка проходит зону испарения разными сторонами.

Нитрид циркония — ZrN.

Нитрид циркония ZrN представляет собой бинарное соединение неорганического типа, полученное в результате симбиоза азота и металла циркония. Имеет цвет белого золота.

Покрытие не заменимо в стоматологии – напыление нитрида циркония на элементы имплантов – абатменты, зубные коронки, зубные протезы.

Нитрид циркония успешно используется для обработки крепежных элементов. В результате значительно повышается износостойкость изделия (в 3-5 раз), а также его декоративные свойства. Состав хорошо защищает металл от коррозии, повышает эксплуатационный ресурс.

Для чего еще используют нитрид циркония:

  • керамика высокотемпературного типа;
  • покрытия антифракционные, декоративные или защитные;
  • обработка цветных металлов;
  • обработка пластика.

Состав обладает высокой химической стойкостью, а также оптимальным уровнем микротвердости. Нитрид циркония активно используют в качестве декоративного покрытия для аксессуаров — бижутерия и наручные часы.

В заключение

Изменение технико-физических и декоративных свойств тех или иных материалов расширяет возможности их дальнейшего применения. Развитие метода вакуумной металлизации обусловило появление специальных направлений обработки с ориентацией на конкретные эксплуатационные качества. Технологи также работают и над упрощением самого процесса напыления, что уже сегодня проявляется в виде уменьшения габаритов оборудования и сокращения процедур пост-обработки. Что касается применения методики в домашних условиях, то это наиболее проблемный способ покрытия, так как требует от исполнителя наличия специальных навыков, не говоря о технических средствах. С другой стороны, более доступные методы напыления не позволяют получать покрытия того же качества — будь то защитный слой или декоративная стилизация.

Обработка поверхностей методом вакуумного напыления металлами позволяет усилить положительные характеристики изделий из различных материалов. Металлические детали защищаются от коррозии, лучше проводят электричество, становятся более эстетичными внешне. Металлизация пластиковых изделий позволяет получить качественные и красивые детали из более легких и дешевых материалов. Это особенно актуально для автопромышленности, потому как металлизация пластиковых комплектующих позволяет значительно снизить вес автомобилей. А металлизированный мех
придает шубе эксклюзивность, неповторимость и является новым трендом сезона.

В компании «Альфа-К» можно заказать вакуумное металлическое напыление для изделий из различных материалов, в том числе и меха.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации