PVD-pinnoitus (fysikaalinen höyrypinnoitus), joka tunnetaan myös ohutkalvopinnoitteena, on tekniikka, jossa kiinteä materiaali höyrystetään tyhjiössä ja kerrostetaan tuotteen pinnalle. Nämä pinnoitteet eivät kuitenkaan ole vain metallikerroksia. Sen sijaan monimutkaisia materiaaleja kerrostetaan atomi atomilta, jolloin syntyy ohut, toisiinsa sitoutunut metalli- tai metallikeraaminen pintakerros, joka parantaa merkittävästi tuotteen ulkonäköä, kestävyyttä ja/tai toimintaa.
Tätä menetelmää käytetään laajasti muun muassa ilmailu-, auto- ja lääketieteen teollisuudessa, jotta saavutetaan pitkäikäinen, korumaisen ulkonäön, parempi pitkäaikainen suorituskyky ja helpompi puhdistaa.
Mutta millainen PVD-pinnoitteiden valmistusprosessi oikein on? Miten pinnoite kerrostetaan tuotteen pinnalle? Tässä blogikirjoituksessa käsitellään tätä asiaa yksityiskohtaisesti. Aloitetaan siis.
PVD-pinnoitusprosessi
PVD-menetelmiä voidaan käyttää yksi-, moni- ja moniporrastettujen pinnoitejärjestelmien sekä metalliseosten ja -rakenteiden kerrostamiseen. Nämä strategiat muuttuvat jatkuvasti, ja ne toimivat edelleen inspiraation lähteenä lukuisille tutkimuksille.
PVD-ohutkalvoteknologia sisältää laajan valikoiman laskeumatekniikat kuten elektronisuihku- tai kuumalaivahöyrystys, reaktiivinen haihdutus ja ionipinnoitus. Myös sputterointiin perustuvat prosessit, joko plasmalla tai ionisuihkulla, sisältyvät PVD-tekniikoihin.
PVD:tä käytetään myös kuvaamaan valokaarilähteen laskeutumista, joka voidaan suodattaa tai jättää suodattamatta. Yleisin PVD-prosessit Ohutkalvopinnoitusmenetelmiä ovat sputterointi (tai katodinen ruiskutus) ja haihdutus. Haihdutus on prosessi, jossa kerrostetaan ohut atomikerros lämmön avulla. Atomit tai molekyylit irtoavat kiinteästä kohteesta sputterointitilassa (plasmassa) kaasumaisten ionien vaikutuksesta. Molemmat strategiat on jalostettu useiksi erillisiksi tekniikoiksi.
Terminen haihdutus
Terminen haihdutus on tunnettu menetelmä ohuen kerroksen pinnoittamiseen, jossa lähtöaine haihtuu tyhjiökammiossa alle 1 × 10−6 torrin (1.3 × 10−4 Pa) paineessa korkean lämpötilan lämmityksen ansiosta, jolloin höyryhiukkaset pääsevät helpommin ja suoremmin alustalle, jossa ne jähmettyvät uudelleen. Tyhjiökerrostus on perinteinen nimitys termiselle haihdutusprosessille.
Tässä menetelmässä käytetään jauheen tai kiinteän tangon muodossa olevaa varauksenpitovenettä tai resistiivistä kelaa. Resistiivinen vene/kela altistetaan suurelle tasavirralle (DC), jotta saavutetaan metallien vaatimat korkeat sulamislämpötilat, joissa korkea tyhjiö (alle 10-4 Pa) auttaa metallin haihtumisessa ja sitä seuraavassa kulkeutumisessa substraattiin. Tämä lähestymistapa on erityisen hyödyllinen alhaisen sulamispisteen omaaville materiaaleille. Alla oleva kuva esittää kahdenlaisia lämpöhaihdutusprosesseja.
Terminen haihdutusprosessi
Ohuiden kalvojen pinnoittamiseen käytetään tyypillisimmin resistiivistä kuumennusta. Resistiivisesti kuumennettu filamentti tai vene, joka on yleensä muodostettu tulenkestävistä metalleista, kuten W, Mo tai Ta, keraamisilla pinnoitteilla tai ilman, höyrystää lähdemateriaalit. Elektronisuihkupinnoitusta käytetään tulenkestävien metallien haihduttamiseen, koska yksinkertainen resistiivinen kuumennus ei pysty höyrystämään korkean sulamispisteen omaavia materiaaleja.
Sputterointilaskeuma
Sputterointi on PVD-prosessi, jossa puhaltavat, energiset ja atomikokoiset hiukkaset aiheuttavat atomien fyysisen höyrystymisen pinnalta. Sputterointi mahdollistaa monielementtisten kalvojen koostumuksen paremman hallinnan sekä laajemman valikoiman kerrostettavia materiaaleja.
Sputter-pinnoite on menetelmä, jolla substraatti päällystetään erittäin ohuella, toiminnallisella pinnoitteella. Toimenpide alkaa sputterointikatodille kohdistetulla sähkövarauksella, joka luo plasman ja irrottaa materiaalin kohteen pinnalta. Prosessin perustana on lähdemateriaalin eli kohteen ionipommitus.
Mutta miten sputterointikasvatus tapahtuu? Sputterointikasvatusta voidaan käyttää sekä alkuainemateriaalien kalvojen että seoskalvojen kerrostamiseen säilyttäen kohdemateriaalin koostumus. Tämä on mahdollista, koska materiaali poistetaan kerros kerrokselta kohteesta, mikä on yksi prosessin keskeisistä eduista. Tämä mahdollistaa monimutkaisempien seosten, kuten Al-Si-Cu:n, kerrostamisen puolijohdemetallisointiin ja metalli-Cr-A-LY-seosten, kerrostamisen lentokoneiden turbiinien lapojen pinnoitteisiin.
PVD-pinnoitteen vaiheet
PVD (fysikaalinen höyrypinnoitus) on höyrystyspinnoitusprosessi, jossa materiaalia siirretään atomitasolla. seuraava järjestys Vaiheiden määrää voidaan käyttää prosessin kuvaamiseen.
(1) Kerrostettava materiaali muutetaan höyryksi fysikaalisilla menetelmillä (korkean lämpötilan tyhjiö tai kaasuplasma),
(2) höyry siirretään lähteestään matalapaineiseen paikkaan, ja
(3) höyry tiivistyy alustalle muodostaen ohuen kalvon.
PVD-menetelmiä käytetään tyypillisesti ohuiden kalvojen kerrostamiseen, joiden paksuus vaihtelee muutamasta nanometristä tuhansiin nanometreihin. Niillä voidaan valmistaa monikerrospinnoitteita, porrastettuja koostumuspinnoitteita, erittäin paksuja pinnoitteita ja irrallisia rakenteita.
PVD-pinnoitteen alusta
Tärkeintä on, minkä tyyppistä alustaa PVD-pinnoitukseen voidaan käyttää? No, useimmat metallit voidaan pinnoittaa PVD-pinnoituksella, kun taas jotkut materiaalit vaativat nikkeli-kromipohjaisen kerroksen korroosionkestävyyden parantamiseksi. PVD-pinnoitus on monipuolinen menetelmä, jota voidaan soveltaa monenlaisille materiaaleille, mukaan lukien kestomuovit. Näissä materiaaleissa käytetään LTAVD-tekniikkaa (matalalämpötilainen kaarihöyrypinnoitus), jossa metallipinnoitteet kerrostetaan alhaisemmassa lämpötilassa kuin PVD-pinnoitteessa.
Jotkut pohjamateriaalit tarttuvat metallipinnoitteeseen paremmin kuin toiset. On erittäin tärkeää valita oikea prosessi, jotta saavutetaan kestävin ja näyttävin metallipinta. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi voidaan tarvita nikkeli- tai kromipinnoitusta materiaalista riippuen. Jotkut materiaalit imevät PVD-pinnoitteita helpommin kuin toiset.
- Titaani, grafiitti ja ruostumaton teräs ovat esimerkkejä materiaaleista, jotka voidaan pinnoittaa ilman pohjakerrosta.
- Teräs, messinki ja kupari – Tyypillisesti nikkeli/kromi galvanoidaan ennen PVD-käsittelyä korroosionkestävyyden parantamiseksi, mutta se voidaan levittää suoraan.
- Muovi-, alumiini- ja sinkkivalut – Yleensä käytetään matalan lämpötilan kaarihöyrypinnoitusmenetelmää (LTAVD) erinomaisen korroosionkestävyyden saavuttamiseksi.
Suurin osa substraateista oli kiinnitetty tyhjiökammioon keskelle pystysuoraan asentoon, kun taas jotkut sijoitettiin vaihteleville korkeuksille. Suurin osa substraateista asetettiin pystysuoran asennon keskelle, ja muutama substraattipitimen ala- ja yläosaan.
PVD-pinnoitteet ovat yhä suositumpia metallin viimeistelyssä, koska niitä voidaan levittää monenlaisille alustoille tai perusmateriaaleille. Eri värejä voidaan saavuttaa PVD-prosessin aikana käytettävistä kaasuista riippuen. Kun käytät PVD-pinnoitteita metallin kiillotukseen, sinun ei tarvitse pitäytyä metalliväreissä, jotka ovat suosittuja monilla teollisuudenaloilla.
Näytteet rasvattiin ja puhdistettiin teollisuuskokoisessa automaattisessa ultraäänipuhdistuslinjassa ennen laskeutumista.
Näytteen valmistelu PVD-pinnoitusta varten
Näytteen valmistelu PVD-pinnoitusta varten on erittäin tärkeää. Mutta miten näyte tulisi valmistaa PVD-pinnoitusta varten? Mitä vaiheita tulisi tehdä?
Massatuotantolaitoksissa alusta puhdistetaan ultraäänellä ennen PVD-pinnoitteen levittämistä. Puhdistus on monivaiheinen prosessi, jota seuraa huuhtelu ja kuivaus.
PVD-pinnoitusta varten poratut terät valmisteltiin ultraäänipuhdistustekniikalla. Öljyt, voiteluaineet, jäähdytysemulsio ja hiukkaset on poistettava osista mahdollisimman hyvin ennen pinnoitusta.
Ensimmäinen vaihe oli ultraäänirasvanpoisto rasvanpoistoaineella (pH-arvo ~11) deionisoidussa vedessä pintakontaminaattien poistamiseksi (puhdistuksen kesto 15 minuuttia), minkä jälkeen ultraäänihuuhtelu deionisoidussa vedessä ja kuivaus puhtaassa kuumassa ilmassa.
PVD-pinnoitteen edut
PVD-pinnoitetta käytetään sen useiden ominaisuuksien vuoksi etuja, Mukaan lukien:
(i) PVD-menetelmällä muodostetuilla pinnoitteilla voi olla paremmat ominaisuudet kuin pohjamateriaalilla;
(ii) kaikkia epäorgaanisia ja joitakin orgaanisia materiaaleja voidaan käyttää;
(iii) prosessi on ympäristöystävällisempi kuin monet muut prosessit, kuten galvanointi.
Mutta miten PVD-pinnoite parantaa tuotteen mekaanisia ominaisuuksia? Tarkastellaan tätä tarkemmin.
Parannettu kestävyys
PVD-pinnoitettu lääketieteellinen tai kirurginen työkalu kestää 10 kertaa pidempään kuin pinnoittamaton. PVD-pinnoitus lisää ohuen mutta kestävän materiaalikerroksen, jonka korrodoituminen kestää kauemmin.
Suorituskyky ja voima
Lisäpinnoitus tekee materiaalista lujempaa, joten PVD-pinnoite lääketieteellisissä tuotteissa parantaa kestävyyttä. Koska lommoutumisen tai lohkeamisen vaara on pienempi, kestävämpi kirurginen instrumentti parantaa laitteen toimintaa.
PVD-pinnoitetut lääkinnälliset laitteet parantavat voitelua ja tekevät niistä vedenkestävämpiä. PVD-pinnoitetut lääkinnälliset työkalut luovat bioyhteensopivamman työkalun, joka ei reagoi luuhun, biologisiin nesteisiin tai kudokseen pinnoitetusta materiaalista riippuen.
teroitus
PVD-pinnoite voi auttaa kirurgista työkalua pitämään terän tai reunan terävämpänä pidempään parantamalla reunan pysyvyyttä.
Vaihtelu
Lääketieteellisten työkalujen pinnoittamiseen voidaan käyttää erivärisiä PVD-pinnoitemateriaaleja. Tätä voidaan käyttää erottamaan samanlaiset työkalut toisistaan tai luokittelemaan tiettyjä tarvikkeita.
Liikkuvat mekaaniset komponentit ja niiden voitelu on autoteollisuuden huolenaihe. Vaihteet, männät, nokat ja laakerit ovat esimerkkejä näistä osista. PVD-pinnoitteet ovat tarjonneet loistavan ratkaisun tähän haasteeseen. Ne muuttavat käsiteltyjen osien pintaominaisuuksia, alentaen kitkakertoimia ja parantaen kulutuskestävyyttä.
.
PVD:llä on kuitenkin joitakin haittoja, kuten
(i) monimutkaisten muotojen pinnoittamiseen liittyvät ongelmat;
(ii) korkeat prosessikustannukset ja alhainen tuotos; ja
(iii) prosessin monimutkaisuus.
PVD-pinnoitteen teolliset sovellukset
PVD-menetelmiä käytetään materiaalien pinnoittamiseen useilla eri teollisuudenaloilla, mukaan lukien
- Leikkaustyökalut, jyrsintätyökalut, poraustyökalut, muovaustyökalut, moottorin osat ja laakerit.
- Ajoneuvoteollisuudessa, kodinkoneissa, kirjoitusvälineissä, elektroniikkasektorilla ja leluteollisuudessa,
- Koristeellinen pinnoite luo metallisen vaikutelman muoveihin.
- Linssit, optiikka, lasit, kosketusnäytöt ja peilit on kaikki päällystetty optisella pinnoitteella.
- Lääkinnälliset laitteet, kuten implantit, sydämentahdistimet ja kirurgiset laitteet, päällystetään kulutusta kestävällä pinnoitteella.
- Aurinkokennojen lasin kulutusta kestävä pinnoite ja metallointipinnoite kiteisille piiaurinkokennoille.
- Pakkausmateriaali, jossa on metallisointikerros.
Ohuet PVD-pinnoitteet (Physical Vapour Deposition) ovat yleistyneet kaikenlaisissa leikkausinstrumenteissa viime vuosina. Näitä tekniikoita käytetään tällä hetkellä laajalti muun muassa poranterien, jyrsinterien ja avarrusterien valmistuksessa.
TiN PVD -pinnoitteet tunnustettiin parannukseksi metallintyöstössä, jossa käytetään suurlujuusteräksiä ja hioma-aineita sekä ei-rautametalleja, kymmenen vuoden menestyksekkään käytön jälkeen leikkauksessa, lävistyksessä, kylmämuovauksessa, muovien ruiskuvaluun ja joidenkin metalliseosten painevalussa. TiAlN-pinnoitteen korkea lämmönkestävyys (jopa 700 ° C) näytti olevan ratkaiseva tekijä, mikä viittaa siihen, että tätä pinnoitetta tulisi käyttää silloin, kun vaaditaan erinomaista hapettumisenkestävyyttä.
Kuva Chris Yates on Unsplash
CrN (PVD) -pinnoitteet ovat löytämässä tiensä yhä laajempaan, mutta edelleen valikoivaan massatuotettujen tuotteiden valikoimaan. Niitä voidaan valmistaa yksittäisinä CrN-pinnoitteina kohtuullisissa ja korkeissa lämpötiloissa sekä kaksois-TiN+CrN-pinnoitteina. Korkeissa lämpötiloissa matalajännitteinen termioninen valokaari BAI 730M CrN:n kerrostamiseen käytettiin -laitetta, kun taas matalissa lämpötiloissa (alle 250 °C) käytettiin plasmasuihkutusmenetelmää SPUTRON-laitteessa.
Onnistuneen tekonivelleikkauksen edellytykset ovat erittäin tiukat; vaaditaan tasapainoinen yhdistelmä mekaanisia ominaisuuksia ja hyvää bioyhteensopivuutta. Suhteellisen inerttiytensä, erinomaisen kuormituksenkantokykynsä ja erinomaisen kulutuskestävyytensä ansiosta Co-Cr-pohjaisia seoksia on käytetty jo vuosia.
On kuitenkin olemassa riski, että metalli-ionien, kuten koboltin ja kromin, hidas kertyminen voi johtaa negatiivisiin kliinisiin tuloksiin. Siksi herää kysymys: mikä olisi tähän mahdollinen ratkaisu?
Jälkeenpäin ohut TiN-kerros asetettiin fysikaalisella höyrypinnoitusmenetelmällä (PVD) potentiaalisesti vaarallisten metalli-ionien purkautumisen vähentämiseksi Co-Cr-Mo-pohjaisista kirurgisista implanteista (PVD). Sähkökemiallisia tekniikoita ja atomiabsorptioanalyysia käytettiin in vitro -korroosionkestävyyden tutkimiseen.
Yhteenveto
PVD-pinnoitusta kutsutaan myös ohutkalvopinnoitteeksi. Tämä on tekniikka, jolla näytteille voidaan levittää yksi- ja monikerroksisia pinnoitteita. PVD-pinnoitteen levittämiseen on monia tekniikoita, mutta yleisimmin käytetyt menetelmät ovat haihdutus ja sputterointi. Näissä menetelmissä voidaan käyttää sekä matalan että korkean sulamispisteen omaavia materiaaleja. PVD-pinnoitetta voidaan levittää monenlaisille materiaaleille, mukaan lukien kestomuovit. Näyte tulee valmistella ja puhdistaa ultraäänirasvanpoistolaitteessa ennen PVD-pinnoitusta. Teollisia sovelluksia on laaja valikoima, kuten autoteollisuus, lääketieteelliset implantit, ilmailu- ja avaruusteollisuus. Onko sinulla vielä kysyttävää PVD-pinnoitteesta? Ota meihin yhteyttä kommentoimalla alla.
