Vai vakuuma pārklāšana ietekmē materiāla cietību?

Vakuuma pārklāšana tiek plaši izmantota automobiļu detaļās, griezējinstrumentos, veidnēs, elektronikā, dekoratīvajā furnitūrā un citās nozarēs, lai uzlabotu virsmas veiktspēju un funkcionālās īpašības. Pārklāšanas procesā uz pamatnes virsmas vakuuma apstākļos tiek uzklāta plāna plēve, veidojot funkcionālu pārklājumu ar specifiskām īpašībām, piemēram, augstu cietību, nodilumizturību, izturību pret koroziju, zemu berzi vai dekoratīvu izskatu.

Bieži uzdots jautājums ir, vai vakuuma pārklāšana pati par sevi ietekmēs substrāta materiāla cietību. Atbilde nav obligāti. Vairumā pielietojumu vakuuma pārklāšanas galvenais mērķis ir modificēt sagataves virsmas īpašības, nevis mainīt substrāta kopējās mehāniskās īpašības. Tomēr faktiskā ietekme ir atkarīga no pārklāšanas tehnoloģijas, procesa temperatūras, substrāta materiāla, pārklājuma arhitektūras un procesa parametriem.

1. Vakuuma pārklāšana galvenokārt maina virsmas īpašības

Vakuuma pārklāšanas tehnoloģijas, piemēram, PVD (fizikālā tvaiku pārklāšana), PECVD (plazmas pastiprināta ķīmiskā tvaiku pārklāšana) un citi vakuuma pārklāšanas procesi veido plānu funkcionālu plēvi uz substrāta virsmas.

Atšķirībā no masas termiskās apstrādes, kas var būtiski mainīt materiāla metalurģisko struktūru un mehāniskās īpašības visā tā biezumā, vakuuma pārklāšana parasti ietekmē tikai virsmas slāni. Pārklājuma biezums parasti ir mikrometru vai submikrometru diapazonā atkarībā no pielietojuma un uzklāšanas procesa.

Piemēram, cietie PVD pārklājumi, piemēram, TiN, TiCN, CrN, TiAlN un AlTiN, var nodrošināt ievērojami augstāku virsmas cietību un nodilumizturību nekā pamatā esošais substrāts. Tomēr tas nenozīmē, ka visa substrāta cietība ir mainījusies tādā pašā mērā.

Tāpēc, novērtējot vakuuma pārklāšanas ietekmi uz cietību, ir svarīgi nošķirt substrāta cietību no pārklājuma cietības.

2. Vai PVD pārklājums var palielināt virsmas cietību?

Daudzos pielietojumos PVD pārklājums tiek īpaši izmantots, lai uzlabotu virsmas cietību.

Cieti pārklājumi, kas nogulsnēti tādos procesos kā katodiskā loka iztvaikošana un magnetrona izsmidzināšana, var veidot blīvas, stingri pielipušas pārklājumu sistēmas ar augstu cietību un izcilu nodilumizturību.

Piemēram, griezējinstrumentiem ciets PVD pārklājums var samazināt abrazīvo nodilumu, līmes nodilumu un berzi instrumenta un sagataves saskarnē. Pārklājums darbojas kā aizsargvirsmas slānis, savukārt substrāts nodrošina nepieciešamo izturību un mehānisko atbalstu.

Tāpēc galīgo veiktspēju nosaka ne tikai paša pārklājuma cietība, bet arī šādu faktoru kombinācija:

Pārklājuma cietība + pārklājuma adhēzija + pārklājuma biezums + substrāta cietība + pārklājuma/substrāta saskarne + pārklājuma arhitektūra.

Ļoti ciets pārklājums negarantē automātiski labāku veiktspēju, ja pamatne ir pārāk mīksta vai ja pārklājuma saķere ir nepietiekama.

3. Vai pārklājuma temperatūra ietekmēs pamatnes cietību?

Šis ir viens no svarīgākajiem faktoriem, novērtējot, vai vakuuma pārklāšana var ietekmēt substrāta cietību.

Dažādi PVD un PECVD procesi darbojas dažādos temperatūras diapazonos. Nogulsnēšanas laikā substrāts tiek pakļauts plazmas, jonu bombardēšanas, iztvaikošanas avotu vai citu procesa apstākļu radītajai termiskajai enerģijai.

Materiāliem, kas ir jutīgi pret termisko iedarbību, pārmērīga substrāta temperatūra vai ilgstoša termiskā iedarbība var potenciāli ietekmēt sākotnējo mikrostruktūru un mehāniskās īpašības.

Piemēram, daži rūdīti instrumentu tēraudi iegūst savas mehāniskās īpašības, izmantojot īpašus rūdīšanas un atlaidināšanas procesus. Ja pārklājuma temperatūra ievērojami pārsniedz atbilstošo atlaidināšanas temperatūru, pastāv atlaidināšanas efektu iespējamība, kas var samazināt substrāta cietību.

Tāpēc rūdītiem tēraudiem un citiem karstumjutīgiem substrātiem pārklāšanas process jāprojektē atbilstoši materiāla termiskās apstrādes stāvoklim un pieļaujamajai procesa temperatūrai.

4. Jonu bombardēšana un virsmas modifikācija

Daudzos PVD procesos substrāts tiek pakļauts jonu bombardēšanai pirms un nogulsnēšanas laikā.

Jonu kodināšana vai plazmas tīrīšana var noņemt virsmas piesārņotājus un aktivizēt substrāta virsmu, uzlabojot pārklājuma saķeri. Nogulsnēšanas laikā kontrolēta jonu bombardēšana var ietekmēt arī plēves blīvēšanu, atlikušo spriegumu, mikrostruktūru un pārklājuma saķeri.

Tomēr pārmērīga jonu enerģija vai nepiemēroti procesa parametri var izraisīt nevēlamas sekas, piemēram, pārmērīgu substrāta sakaršanu, virsmas bojājumus vai palielinātu atlikušo spriegumu.

Tāpēc tādi parametri kā slīpo spriegumu, loka strāvu, izlādes jaudu, darba spiedienu, substrāta temperatūru un nogulsnēšanās ātrumu ir pareizi jākontrolē atbilstoši substrāta materiālam un pārklājuma sistēmai.

5. Pārklājuma cietība atšķiras no pamatnes cietības

Bieži sastopams nepareizs priekšstats ir tāds, ka sagatave kļūst “cietāka” tikai tāpēc, ka uz tās virsmas ir uzklāts ciets pārklājums.

Patiesībā vakuuma pārklāšana parasti rada cietu virsmas slāni, savukārt substrāta tilpuma cietību lielā mērā nosaka tā sākotnējais materiāla stāvoklis un termiskā apstrāde.

Piemēram, karbīda griezējinstrumentam var būt relatīvi ciets substrāts un vēl cietāks PVD pārklājums. Pārklājums uzlabo virsmas nodilumizturību un triboloģisko veiktspēju, savukārt karbīda substrāts nodrošina konstrukcijas izturību un sīkstumu.

Līdzīgi, rūdīta tērauda detaļām PVD pārklājums var nodrošināt cietāku un nodilumizturīgāku virsmu, būtiski nemainot pamatā esošā tērauda cietību, ar nosacījumu, ka nogulsnēšanas temperatūra paliek atbilstošajā procesa logā.

6. Kā novērst vakuuma pārklājuma ietekmi uz pamatnes cietību

Lai saglabātu substrāta sākotnējās mehāniskās īpašības, pārklāšanas process jāoptimizē atbilstoši materiālam un pielietojumam.

Vispirms pirms pārklāšanas jāapstiprina substrāta materiāls un termiskās apstrādes apstākļi. Dažādām instrumentu tērauda, ​​nerūsējošā tērauda, ​​karbīda, alumīnija sakausējumu un citu materiālu kategorijām ir atšķirīgas termiskās robežas.

Otrkārt, pārklājuma temperatūra jākontrolē atbilstošā diapazonā. Karstumjutīgiem materiāliem var izvēlēties zemas temperatūras PVD vai citu piemērotu nogulsnēšanas procesu.

Treškārt, procesa parametri, piemēram, slīpo spriegums, jonu enerģija, plazmas blīvums, nogulsnēšanās ātrums, darba spiediens un procesa laiks, jāoptimizē, lai sasniegtu nepieciešamo pārklājuma veiktspēju bez pārmērīgas termiskās vai jonu bombardēšanas ietekmes.

Visbeidzot, pārklātās detaļas jānovērtē, veicot atbilstošus testus, tostarp mikrocietības testu, pārklājuma adhēzijas testu, nodiluma testu, virsmas raupjuma mērījumus un metalogrāfisko analīzi atkarībā no pielietojuma.

7. Secinājums

Tātad, vai vakuuma pārklāšana ietekmē materiāla cietību?

Kopumā vakuuma pārklāšana galvenokārt ir virsmas inženierijas process, un tā ir paredzēta, lai modificētu materiāla virsmas īpašības, nevis būtiski mainītu tā tilpuma cietību. Cietie PVD pārklājumi var būtiski uzlabot virsmas cietību, nodilumizturību, berzes uzvedību, izturību pret koroziju un kalpošanas laiku, vienlaikus saglabājot substrāta mehāniskās īpašības.

Tomēr substrāta sākotnējo cietību var ietekmēt, ja pārklāšanas process rada pārmērīgu termisko iedarbību vai nepiemērotu jonu bombardēšanu, īpaši termiski apstrādāta tērauda un citu temperatūras jutīgu materiālu gadījumā.

Tāpēc ir svarīgi izvēlēties atbilstošu vakuuma uzklāšanas tehnoloģiju, pārklājuma materiālu, substrāta temperatūru, jonu bombardēšanas apstākļus un procesa parametrus.

Ar pareizu procesa logu un iekārtu konfigurāciju vakuuma pārklāšana var sasniegt vēlamo augstas virsmas cietības, spēcīgas pārklājuma saķeres, izcilas nodilumizturības un stabilu substrāta īpašību kombināciju, nodrošinot efektīvu virsmas inženierijas risinājumu prasīgiem rūpnieciskiem pielietojumiem.

— Šo rakstu publicēja vakuuma pārklāšanas iekārtu ražotājsZhenhua vakuums