Ali vakuumsko nanašanje vpliva na trdoto materiala?

Vakuumsko nanašanje premazov se pogosto uporablja v avtomobilskih komponentah, rezalnih orodjih, kalupih, elektroniki, dekorativnem strojni opremi in drugih industrijah za izboljšanje površinske učinkovitosti in funkcionalnih lastnosti. Med postopkom nanašanja premazov se na površino substrata v vakuumskih pogojih nanese tanek film, ki tvori funkcionalni premaz s specifičnimi lastnostmi, kot so visoka trdota, odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji, nizko trenje ali dekorativni videz.

Pogosto vprašanje je, ali bo vakuumsko nanašanje premaza samo po sebi vplivalo na trdoto materiala substrata. Odgovor ni nujno. V večini aplikacij je glavni namen vakuumskega nanašanja premaza spreminjanje površinskih lastnosti obdelovanca in ne spreminjanje mehanskih lastnosti substrata v razsutem stanju. Vendar pa je dejanski učinek odvisen od tehnologije nanašanja premaza, temperature postopka, materiala substrata, arhitekture premaza in parametrov postopka.

1. Vakuumsko nanašanje v glavnem spremeni lastnosti površine

Tehnologije vakuumskega nanašanja premazov, kot so PVD (fizično nanašanje iz pare), PECVD (plazemsko izboljšano kemično nanašanje iz pare) in drugi postopki vakuumskega nanašanja, tvorijo tanek funkcionalni film na površini substrata.

Za razliko od toplotne obdelave v razsutem stanju, ki lahko znatno spremeni metalurško strukturo in mehanske lastnosti materiala po celotni debelini, vakuumsko nanašanje prevleke običajno vpliva le na površinsko plast. Debelina prevleke je običajno v mikrometrskem ali submikrometrskem območju, odvisno od uporabe in postopka nanašanja.

Na primer, trdi PVD premazi, kot so TiN, TiCN, CrN, TiAlN in AlTiN, lahko zagotovijo bistveno večjo površinsko trdoto in odpornost proti obrabi kot osnovni substrat. Vendar to ne pomeni, da se je trdota celotnega substrata spremenila v enaki meri.

Zato je pri ocenjevanju vpliva vakuumskega nanašanja na trdoto pomembno razlikovati med trdoto substrata in trdoto prevleke.

2. Ali lahko PVD prevleka poveča trdoto površine?

V mnogih aplikacijah se PVD prevleka uporablja posebej za povečanje površinske trdote.

Trde prevleke, nanesene s postopki, kot sta katodno obločno izparevanje in magnetronsko razprševanje, lahko tvorijo goste, močno oprijemljive sisteme prevlek z visoko trdoto in odlično odpornostjo proti obrabi.

Pri rezalnih orodjih lahko na primer trda PVD prevleka zmanjša abrazivno obrabo, adhezijsko obrabo in trenje na stiku med orodjem in obdelovancem. Prevleka deluje kot zaščitna površinska plast, medtem ko substrat zagotavlja potrebno žilavost in mehansko oporo.

Končna zmogljivost torej ni odvisna le od trdote same prevleke, temveč tudi od kombinacije:

Trdota prevleke + oprijem prevleke + debelina prevleke + trdota substrata + stik med prevleko in substratom + arhitektura prevleke.

Zelo trd premaz ne zagotavlja samodejno vrhunske učinkovitosti, če je podlaga premehka ali če oprijem premaza ni zadosten.

3. Ali bo temperatura premaza vplivala na trdoto podlage?

To je eden najpomembnejših dejavnikov pri ocenjevanju, ali lahko vakuumsko nanašanje vpliva na trdoto substrata.

Različni postopki PVD in PECVD delujejo v različnih temperaturnih območjih. Med nanašanjem je substrat izpostavljen toplotni energiji, ki jo ustvarja plazma, ionsko bombardiranje, viri izhlapevanja ali drugi procesni pogoji.

Pri materialih, ki so občutljivi na toplotno izpostavljenost, lahko previsoka temperatura podlage ali dolgotrajna toplotna izpostavljenost vplivata na prvotno mikrostrukturo in mehanske lastnosti.

Na primer, nekatera kaljena orodna jekla pridobijo svoje mehanske lastnosti s posebnimi postopki kaljenja in popuščanja. Če temperatura prevleke znatno preseže ustrezno temperaturo popuščanja, obstaja možnost učinkov popuščanja, ki lahko zmanjšajo trdoto substrata.

Zato je treba pri kaljenih jeklih in drugih toplotno občutljivih substratih postopek nanašanja prevleke zasnovati glede na pogoje toplotne obdelave materiala in dovoljeno temperaturo postopka.

4. Ionsko bombardiranje in modifikacija površine

V mnogih PVD postopkih je substrat pred in med nanašanjem podvržen ionskemu bombardiranju.

Ionsko jedkanje ali plazemsko čiščenje lahko odstrani površinske onesnaževalce in aktivira površino substrata, s čimer izboljša oprijem premaza. Med nanašanjem lahko nadzorovano ionsko bombardiranje vpliva tudi na zgoščevanje filma, preostale napetosti, mikrostrukturo in oprijem premaza.

Vendar pa lahko prekomerna ionska energija ali neustrezni procesni parametri povzročijo neželene učinke, kot so prekomerno segrevanje substrata, poškodbe površine ali povečana preostala napetost.

Zato je treba parametre, kot so prednapetost, obločni tok, moč praznjenja, delovni tlak, temperatura substrata in hitrost nanašanja, ustrezno nadzorovati glede na material substrata in sistem prevleke.

5. Trdota premaza se razlikuje od trdote podlage

Pogosto zmotno prepričanje je, da obdelovanec postane "trši" preprosto zato, ker je na njegovo površino nanesen trdi premaz.

V resnici vakuumsko nanašanje običajno ustvari trdo površinsko plast, medtem ko trdota substrata v razsutem stanju v veliki meri ostaja odvisna od prvotnega stanja materiala in toplotne obdelave.

Na primer, karbidno rezalno orodje ima lahko relativno trdo podlago in še tršo PVD prevleko. Prevleka izboljša odpornost površine proti obrabi in tribološke lastnosti, medtem ko karbidna podlaga zagotavlja strukturno trdnost in žilavost.

Podobno lahko PVD prevleka pri kaljenih jeklenih komponentah zagotovi tršo in bolj odporno površino, ne da bi bistveno spremenila trdoto osnovnega jekla, pod pogojem, da temperatura nanašanja ostane znotraj ustreznega procesnega okna.

6. Kako preprečiti vpliv vakuumskega nanosa na trdoto podlage

Za ohranitev prvotnih mehanskih lastnosti podlage je treba postopek nanašanja premaza optimizirati glede na material in uporabo.

Najprej je treba pred nanosom premaza preveriti material podlage in pogoje toplotne obdelave. Različne vrste orodnega jekla, nerjavečega jekla, karbida, aluminijevih zlitin in drugih materialov imajo različne toplotne omejitve.

Drugič, temperaturo prevleke je treba nadzorovati v ustreznem območju. Za toplotno občutljive materiale se lahko izbere nizkotemperaturni PVD ali drug primeren postopek nanašanja.

Tretjič, procesne parametre, kot so napetost prednapetosti, energija ionov, gostota plazme, hitrost nanašanja, delovni tlak in čas postopka, je treba optimizirati, da se doseže zahtevana zmogljivost prevleke brez prekomernih učinkov toplotnega ali ionskega bombardiranja.

Nazadnje je treba prevlečene dele oceniti z ustreznimi testi, vključno s testi mikrotrdote, testi oprijema prevleke, testi obrabe, meritvami hrapavosti površine in metalografsko analizo, odvisno od uporabe.

7. Zaključek

Torej, ali vakuumsko nanašanje vpliva na trdoto materiala?

Na splošno je vakuumsko nanašanje premazov predvsem postopek površinskega inženiringa in je zasnovan tako, da spreminja površinske lastnosti materiala in ne bistveno spreminja njegovo trdoto v razsutem stanju. Trdi PVD premazi lahko bistveno izboljšajo površinsko trdoto, odpornost proti obrabi, trenje, odpornost proti koroziji in življenjsko dobo, hkrati pa ohranijo mehanske lastnosti substrata.

Vendar pa lahko na prvotno trdoto substrata vpliva prekomerna izpostavljenost toploti ali neustrezno ionsko bombardiranje med postopkom nanašanja, zlasti pri toplotno obdelanih jeklih in drugih temperaturno občutljivih materialih.

Zato je bistvenega pomena izbira ustrezne tehnologije vakuumskega nanašanja, materiala prevleke, temperature substrata, pogojev ionskega bombardiranja in procesnih parametrov.

Z ustreznim procesnim oknom in konfiguracijo opreme lahko vakuumsko nanašanje premazov doseže želeno kombinacijo visoke površinske trdote, močnega oprijema premaza, odlične odpornosti proti obrabi in stabilnih lastnosti substrata, kar zagotavlja učinkovito rešitev za površinsko inženirstvo za zahtevne industrijske aplikacije.

-Ta članek je objavil proizvajalec opreme za vakuumsko lakiranjeVakuum Zhenhua