Il rivestimento PVD (deposizione fisica da vapore), noto anche come rivestimento a film sottile, è una tecnica che prevede la vaporizzazione di un materiale solido nel vuoto e il suo deposito sulla superficie di un prodotto. Questi rivestimenti, tuttavia, non sono solo strati metallici. Invece, materiali complessi vengono depositati atomo per atomo, dando luogo a uno strato superficiale sottile e legato di metallo o metallo-ceramica che migliora notevolmente l'aspetto, la durata e/o la funzione di un prodotto.
Questo metodo è ampiamente utilizzato nell'industria aerospaziale, automobilistica e medica, tra gli altri, per fornire un aspetto simile a un gioiello di lunga durata, migliori prestazioni a lungo termine e comodità di pulizia.
Ma qual è il processo dei rivestimenti PVD? Come vengono depositati sulla superficie del prodotto? Questo blog sarà sufficiente per esplorarlo in dettaglio. Quindi, iniziamo.
Processo di rivestimento PVD
I metodi PVD possono essere utilizzati per depositare sistemi di rivestimento monostrato, multistrato e multigradazione, nonché composizioni e strutture di leghe. Queste strategie cambiano continuamente e continuano a essere fonte di ispirazione per numerose indagini.
La tecnologia a film sottile PVD comprende un'ampia gamma di tecniche di deposizione come l'evaporazione con fascio di elettroni o hot boat, l'evaporazione reattiva e la placcatura ionica. Nelle tecniche PVD rientrano anche i processi basati sullo sputtering, sia mediante plasma che con fascio ionico.
Il PVD viene utilizzato anche per descrivere la deposizione della sorgente dell'arco, che può essere filtrata o meno. Il più diffuso Processi PVD per la deposizione di film sottili sono lo sputtering (o spruzzatura catodica) e l'evaporazione. L'evaporazione è il processo di deposito di un sottile strato di atomi utilizzando il calore nel processo. Gli atomi o le molecole vengono invece rimossi dal bersaglio solido mediante l'impatto di ioni gassosi nella modalità sputtering (plasma). Entrambe le strategie sono state perfezionate in una serie di tecniche distinte.
Evaporazione termica
L'evaporazione termica è un metodo ben noto per rivestire uno strato sottile in cui il materiale sorgente evapora in una camera a vuoto inferiore a 1 × 10−6 torr (1.3 × 10−4 Pa) a causa del riscaldamento ad alta temperatura, consentendo alle particelle di vapore di raggiungono più facilmente e direttamente un substrato, dove si solidificano nuovamente. La deposizione sotto vuoto è il nome tradizionale del processo di evaporazione termica.
In questa procedura viene utilizzata una barchetta portacarica o una bobina resistiva sotto forma di polvere o barra solida. La barca/bobina resistiva è esposta a un'enorme corrente continua (CC) per raggiungere le elevate temperature di fusione richieste per i metalli, dove l'alto vuoto (sotto 10-4 Pa) favorisce l'evaporazione del metallo e il successivo trasporto al substrato. Questo approccio è particolarmente utile per i materiali a basso punto di fusione. La figura seguente mostra due tipi di processi di evaporazione termica.
Processo di evaporazione termica
Per la deposizione di film sottili, viene tipicamente utilizzato il riscaldamento resistivo. Un filamento o una barca riscaldata resistivamente, solitamente formata da metalli refrattari come W, Mo o Ta con o senza rivestimenti ceramici, fa evaporare i materiali di partenza. Una deposizione a fascio di elettroni viene utilizzata per evaporare i metalli refrattari perché il semplice riscaldamento resistivo non è in grado di evaporare materiali ad alto punto di fusione.
Deposizione sputtering
Lo sputtering è un processo PVD in cui particelle esplosive, energetiche e di dimensioni atomiche provocano la vaporizzazione fisica degli atomi da una superficie. La deposizione tramite polverizzazione catodica consente un maggiore controllo sulla composizione dei film multielemento nonché una gamma più ampia di materiali da depositare.
Rivestimento a spruzzo è una procedura utilizzata per rivestire un substrato con un rivestimento molto sottile e funzionale. La procedura inizia con una carica elettrica applicata a un catodo sputtering, che crea un plasma, che provoca l'espulsione del materiale dalla superficie bersaglio. Il bombardamento ionico del materiale sorgente, o bersaglio, è la base del processo.
Illustrazione del processo di sputtering
Ma come avviene la deposizione mediante sputtering? Bene, la deposizione mediante sputtering può essere utilizzata per depositare film di materiali elementari e film di leghe, mantenendo la composizione del materiale target. Ciò è possibile perché il materiale viene rimosso strato per strato dal target, il che è uno dei principali vantaggi del processo. Ciò consente la deposizione di leghe più complicate come Al-Si-Cu per la metallizzazione dei semiconduttori e leghe metalliche Cr-A-lY per i rivestimenti delle pale delle turbine degli aeromobili.
Fasi del rivestimento PVD
Il PVD (deposizione fisica da vapore) è un processo di rivestimento tramite vaporizzazione che comporta il trasferimento di materiale a livello atomico. IL sequenza seguente di passaggi possono essere utilizzati per descrivere il processo.
(1) Il materiale da depositare viene trasformato in vapore mediante metodi fisici (vuoto ad alta temperatura o plasma gassoso),
(2) il vapore viene trasferito dalla sua fonte a un luogo a bassa pressione e
(3) il vapore si condensa sul substrato per produrre una pellicola sottile.
I metodi PVD vengono generalmente utilizzati per depositare film sottili con spessori che vanno da pochi nanometri a migliaia di nanometri. Usandoli è possibile realizzare rivestimenti multistrato, depositi di composizione graduata, depositi molto spessi e strutture autoportanti.
Substrato per rivestimento PVD
La cosa più importante è quale tipo di substrato può essere utilizzato per il rivestimento PVD? Bene, la maggior parte dei metalli può essere rivestita con PVD, mentre alcuni materiali richiedono uno strato di base di nichel e cromo per migliorare la resistenza alla corrosione. Il rivestimento PVD è un metodo versatile che può essere applicato a un'ampia gamma di materiali, compresi i materiali termoplastici. In questi materiali viene utilizzata la tecnica LTAVD (deposizione di vapori ad arco a bassa temperatura), che deposita rivestimenti metallici a una temperatura inferiore rispetto al PVD.
Alcuni materiali di base aderiscono meglio di altri alla deposizione del metallo. È fondamentale selezionare il processo appropriato per ottenere la finitura metallica più durevole e accattivante. Per ottenere i migliori risultati, potrebbe essere necessaria la galvanizzazione con nichel o cromo, a seconda del materiale. Alcuni materiali assorbono i rivestimenti PVD più facilmente di altri.
- Titanio, grafite e acciaio inossidabile sono esempi di materiali che possono essere rivestiti senza l'uso di uno strato di base.
- Acciaio, ottone e rame: in genere il nichel/cromo viene galvanizzato prima della lavorazione PVD per una migliore resistenza alla corrosione, ma può essere applicato direttamente
- Getti di plastica, alluminio e zinco: in genere utilizza il metodo LTAVD (Deposizione ad arco in vapore a bassa temperatura) per una resistenza alla corrosione superiore.
La maggior parte dei substrati sono stati fissati nella camera a vuoto in posizione verticale centrale, mentre alcuni sono stati posizionati ad altezze variabili. La maggior parte dei substrati è stata posizionata al centro della posizione verticale, con alcuni nella parte inferiore e superiore del supporto del substrato.
I rivestimenti PVD stanno diventando sempre più popolari per la finitura dei metalli perché possono essere applicati a un'ampia gamma di substrati o materiali di base. Si possono ottenere colori diversi a seconda dei gas introdotti durante il processo PVD. Quando si utilizzano rivestimenti PVD per lucidare il metallo, non è necessario attenersi ai colori metallici, che sono popolari in molti settori.
I campioni sono stati sgrassati e puliti in una linea di pulizia ad ultrasuoni automatizzata di dimensioni industriali prima della deposizione.
Preparazione del campione per il rivestimento PVD
La preparazione del campione per il rivestimento PVD è molto essenziale. Ma come dovrebbe essere preparato un campione per il rivestimento PVD? Quali misure dovrebbero essere adottate?
Negli impianti di produzione di massa, il substrato viene pulito utilizzando gli ultrasuoni prima di posizionare il rivestimento PVD. La pulizia è una procedura in più fasi seguita dal risciacquo e dall'asciugatura.
Le bave sono state preparate per il PVD utilizzando la tecnica di pulizia ad ultrasuoni. Oli, lubrificanti, emulsioni di raffreddamento e particelle devono essere rimossi il più possibile dalle parti prima del rivestimento.
La prima fase è stata lo sgrassaggio ad ultrasuoni con uno sgrassatore (pH~11) in acqua deionizzata per eliminare i contaminanti superficiali (durata della pulizia 15 minuti), seguito da risciacquo ad ultrasuoni in acqua deionizzata e asciugatura in aria calda pura.
Vantaggi del rivestimento PVD
Il rivestimento PVD viene utilizzato per le sue numerose caratteristiche vantaggi, Compreso:
(i) i rivestimenti formati dal PVD possono avere proprietà migliori rispetto al materiale del substrato;
(ii) possono essere utilizzati tutti i tipi di materiali inorganici e alcuni tipi di materiali organici;
(iii) il processo è più rispettoso dell'ambiente rispetto a molti altri processi, come la galvanica.
Ma, in che modo il rivestimento PVD aumenta le proprietà meccaniche del prodotto? Discutiamone in dettaglio.
Maggiore durata
Uno strumento medico o chirurgico placcato PVD sopravviverà 10 volte più a lungo di uno che non lo è stato. La placcatura PVD aggiunge una copertura sottile ma robusta di materiale che impiega più tempo a corrodersi.
Prestazioni e forza
La placcatura aggiunta rende il materiale più resistente, quindi gli articoli medicali con rivestimento PVD contribuiscono alla durata. Poiché vi è un minor rischio di ammaccature o scheggiature, uno strumento chirurgico più robusto migliorerà la funzionalità del dispositivo.
I dispositivi medici con rivestimento PVD migliorano la lubrificazione e li rendono più resistenti all'acqua. Gli strumenti medici con rivestimento PVD creano uno strumento più biocompatibile che non è reattivo alle ossa, ai fluidi biologici o ai tessuti, a seconda del materiale rivestito sul dispositivo.
affilatura
Il rivestimento PVD può aiutare uno strumento chirurgico a mantenere la lama o il bordo più affilati più a lungo migliorando la ritenzione del bordo.
Variazione
Vari materiali di rivestimento PVD colorati possono essere utilizzati per rivestire uno strumento medico. Questo può essere utilizzato per distinguere tra strumenti simili o per classificare forniture specifiche.
La lubrificazione delle parti nei componenti meccanici in movimento è una preoccupazione nel settore automobilistico. Ingranaggi, pistoni, camme e cuscinetti sono esempi di queste parti. I rivestimenti PVD hanno fornito una fantastica soluzione a questa sfida. Modificano le proprietà superficiali delle parti trattate, abbassando i coefficienti di attrito e aumentando la resistenza all'usura
.
Il PVD, d'altra parte, presenta alcuni inconvenienti, tra cui
(i) problemi con il rivestimento di forme complesse;
(ii) costi di processo elevati e produzione ridotta; E
(iii) complessità del processo.
Applicazioni industriali del rivestimento PVD
I metodi PVD vengono utilizzati per rivestire materiali in una varietà di applicazioni industriali, tra cui
- Utensili da taglio, utensili per fresatura, utensili per perforazione, utensili per stampaggio, parti di motori e cuscinetti.
- Nel settore automobilistico, degli elettrodomestici, degli strumenti di scrittura, dell'elettronica e dei giocattoli,
- Il rivestimento decorativo crea un'impressione metallica sulla plastica.
- Lenti, ottica, occhiali, touch screen e specchi sono tutti rivestiti con un rivestimento ottico.
- I dispositivi medici, come impianti, pacemaker e apparecchiature chirurgiche, sono rivestiti con un rivestimento resistente all'usura.
- Rivestimento resistente all'usura del vetro delle celle solari e rivestimento di metallizzazione per celle solari in silicio cristallino.
- Materiale da imballaggio con uno strato di metallizzazione.
Negli ultimi anni i rivestimenti sottili PVD (Physical Vapor Deposition) sono diventati sempre più comuni per tutti i tipi di strumenti da taglio. Queste tecnologie sono attualmente ampiamente utilizzate, tra gli altri, nella produzione di punte da trapano, frese e punte per alesatura.
I rivestimenti TiN PVD sono stati riconosciuti come un miglioramento per la lavorazione dei metalli con acciai ad alta resistenza e abrasivi nonché metalli non ferrosi dopo dieci anni di applicazione di successo nel taglio, punzonatura, formatura a freddo, stampaggio a iniezione di materie plastiche e pressofusione di alcune leghe metalliche. L'elevata stabilità termica del rivestimento TiAlN (fino a 700 ° C) sembrava essere il fattore decisivo, indicando che questo rivestimento dovrebbe essere utilizzato quando è richiesta una resistenza all'ossidazione superiore.
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I rivestimenti CrN (PVD) si stanno facendo strada in una gamma sempre più ampia ma ancora selettiva di prodotti prodotti in serie. Possono essere realizzati come rivestimenti CrN singoli a temperature moderate e elevate, nonché rivestimenti doppi TiN+CrN. Ad alte temperature, un arco termoionico a bassa tensione in a BAI730M per depositare CrN è stato utilizzato un apparato, mentre, a basse temperature (sotto i 250 ° C), è stato utilizzato un metodo di sputtering con fascio di plasma in un apparato SPUTRON.
Le condizioni per un'artroplastica articolare di successo sono molto rigide; è richiesto un mix ben bilanciato di qualità meccaniche e buona biocompatibilità. A causa della loro relativa inerzia, delle eccezionali qualità di carico e dell'eccellente resistenza all'usura, le leghe a base di Co-Cr vengono utilizzate da molti anni.
Tuttavia, esiste il rischio che un lento accumulo di ioni metallici come cobalto e cromo possa portare a esiti clinici negativi. Pertanto, la domanda viene sollevata; quale dovrebbe essere la possibile soluzione a questo?
Successivamente, è stato posizionato uno strato sottile di TiN utilizzando la deposizione fisica in fase vapore per ridurre la scarica di ioni metallici potenzialmente pericolosi dagli impianti chirurgici a base di Co-Cr-Mo (PVD). Per esaminare le prestazioni di corrosione in vitro sono state utilizzate tecniche elettrochimiche e analisi di assorbimento atomico.
Conclusione
Il rivestimento PVD è noto anche come rivestimento a film sottile. Questa è una tecnica per depositare rivestimenti singoli e multistrato sui campioni. Esistono molte tecniche per depositare il rivestimento PVD, ma i metodi più comunemente applicati sono l'evaporazione e lo sputtering. In questi metodi, possiamo utilizzare materiali a basso e alto punto di fusione. Il rivestimento PVD può essere applicato a un'ampia gamma di materiali, compresi i materiali termoplastici. Il campione deve essere preparato e pulito in uno sgrassatore a ultrasuoni prima del rivestimento PVD. Esiste un'ampia gamma di applicazioni industriali che includono il settore automobilistico, gli impianti medici, l'aerospaziale, ecc. Hai ancora qualche domanda sul rivestimento PVD? Non esitate, fatecelo sapere commentando qui sotto.
