PVD (物理蒸着) コーティングは薄膜コーティングとも呼ばれ、真空中で固体材料を蒸発させて製品の表面に蒸着する技術です。ただし、これらのコーティングは単なる金属層ではありません。複雑な材料が原子ごとに蒸着され、薄い結合金属または金属セラミック表面層が形成され、製品の外観、耐久性、および/または機能が劇的に向上します。
この方法は、ジュエリーのような外観を長持ちさせ、長期にわたる優れた性能と洗浄の利便性を提供するために、航空宇宙、自動車、医療産業などで広く利用されています。
しかし、PVD コーティングのプロセスとは何でしょうか? どのように製品表面にコーティングが堆積されるのでしょうか? このブログでは、この点について詳しく調べるのに十分です。それでは、始めましょう。
PVDコーティングプロセス
PVD 法を使用すると、単層、多層、および多段階のコーティング システム、合金組成および構造を堆積できます。これらの戦略は常に変化しており、引き続き数多くの調査のインスピレーションの源となっています。
PVD 薄膜技術には幅広い範囲が含まれます。 蒸着技術 電子ビームまたはホットボート蒸着、反応性蒸着、イオンプレーティングなど。プラズマまたはイオンビームによるスパッタリングに基づくプロセスも同様に PVD 技術に含まれます。
PVD は、アーク ソースの堆積を説明するためにも使用されます。これはフィルタリングの有無にかかわらず可能です。最も普及しているのは PVDプロセス 薄膜の堆積には、スパッタリング (または陰極スプレー) と蒸着があります。蒸発は、プロセス中に熱を使用して原子の薄い層を堆積するプロセスです。一方、スパッタリング モード (プラズマ) では、原子または分子はガス状イオンの衝撃によって固体ターゲットからはじき出されます。どちらの戦略も、数多くの異なるテクニックに洗練されています。
熱蒸発
熱蒸着は、薄層をコーティングするためのよく知られた方法であり、ソース材料が 1 × 10-6 torr (1.3 × 10-4 Pa) 未満の真空チャンバー内で高温加熱により蒸発し、蒸気粒子が蒸発します。より簡単かつ直接基材に到達し、そこで再び固化します。真空蒸着は、熱蒸着プロセスの伝統的な名前です。
この手順では、粉末または固体棒の形の電荷保持ボートまたは抵抗コイルが使用されます。抵抗ボート/コイルは、金属に必要な高い溶解温度を達成するために巨大な直流 (DC) にさらされます。 10-4Pa) 金属の蒸発とその後の基板への輸送を助けます。このアプローチは、低融点材料に特に役立ちます。以下の図は、2 種類の熱蒸着プロセスを示しています。
熱蒸着プロセス
薄膜の堆積には、抵抗加熱が最も一般的に利用されます。抵抗加熱されたフィラメントまたはボートは、通常、セラミックコーティングの有無にかかわらず、W、Mo、または Ta などの高融点金属で形成され、原料物質を蒸発させます。単純な抵抗加熱では高融点材料を蒸発させることができないため、高融点金属を蒸発させるには電子ビーム蒸着が使用されます。
スパッタリング成膜
スパッタリングは、高エネルギーの原子サイズの粒子を噴射して表面から原子を物理的に蒸発させる PVD プロセスです。スパッタ堆積により、多元素膜の組成をより詳細に制御できるだけでなく、堆積する材料の範囲も広がります。
スパッタコーティング 基材を非常に薄い機能性コーティングでコーティングするために使用される手順です。この手順は、スパッタリングカソードに電荷を印加することで始まり、プラズマが生成され、ターゲット表面から材料が放出されます。ソース材料またはターゲットへのイオン衝撃がプロセスの基礎です。
しかし、スパッタリング堆積はどのように行われるのでしょうか。スパッタ堆積は、ターゲット材料の組成を維持しながら、元素材料フィルムや合金フィルムを堆積するために使用できます。これは、材料がターゲットから層ごとに除去されるため可能であり、これがプロセスの主な利点の 1 つです。これにより、半導体メタライゼーション用の Al-Si-Cu や、航空機タービンブレードコーティング用の金属 Cr-A-lY 合金など、より複雑な合金の堆積が可能になります。
PVDコーティングの手順
PVD (物理蒸着) は、原子レベルの材料転写を伴う蒸着コーティング プロセスです。の 次のシーケンス のステップを使用してプロセスを説明できます。
(1) 蒸着する材料を物理的方法 (高温真空またはガスプラズマ) を使用して蒸気に変換します。
(2) 蒸気はその発生源から低圧の場所に移送され、
(3) 蒸気が基板上で凝縮して薄膜が生成されます。
PVD 法は通常、数ナノメートルから数千ナノメートルの範囲の厚さの薄膜を堆積するために使用されます。多層コーティング、傾斜組成堆積物、非常に厚い堆積物、および自立構造はすべて、それらを使用して作成できます。
PVDコーティング用基材
最も重要なことは、PVD コーティングにどのタイプの基材を使用できるかということです。ほとんどの金属は PVD コーティングできますが、一部の材料では耐食性を向上させるためにニッケルとクロムのベース層が必要です。 PVD コーティングは、熱可塑性プラスチックを含む幅広い材料に適用できる多用途の方法です。これらの材料には、PVD よりも低い温度で金属コーティングを蒸着する LTAVD (低温アーク蒸着) 技術が使用されています。
ベース材料によっては、他の材料よりも金属蒸着によく密着するものがあります。最も耐久性があり魅力的な金属仕上げを得るには、適切なプロセスを選択することが重要です。材料によっては、最良の結果を得るためにニッケルまたはクロムの電気メッキが必要な場合があります。一部の材料は、他の材料よりも PVD コーティングを吸収しやすいです。
- チタン、グラファイト、ステンレス鋼は、ベース層を使用せずにコーティングできる材料の例です。
- スチール、真鍮、銅 – 通常、ニッケル/クロムは耐食性を向上させるために PVD 処理の前に電気めっきされますが、直接適用することもできます。
- プラスチック、アルミニウム、亜鉛の鋳物 – 通常、優れた耐食性を得るために低温アーク蒸着 (LTAVD) 法が使用されます。
大部分の基板は真空チャンバー内で中央の垂直位置に固定されましたが、一部の基板はさまざまな高さに配置されました。大部分の基板は垂直位置の中央に配置され、いくつかは基板ホルダーの底部と上部に配置されました。
PVD コーティングは、幅広い基材やベース材料に適用できるため、金属仕上げにますます人気が高まっています。PVD プロセス中に導入されるガスに応じて、さまざまな色を実現できます。PVD コーティングを使用して金属を研磨する場合、多くの業界で人気のあるメタリック カラーにこだわる必要はありません。
サンプルは、蒸着前に工業用サイズの自動超音波洗浄ラインで脱脂および洗浄されました。
PVD コーティング用のサンプル前処理
PVD コーティングのサンプル前処理は非常に重要です。しかし、PVD コーティング用のサンプルはどのように準備すればよいのでしょうか?どのような手順を踏む必要がありますか?
量産施設では、PVD コーティングを施す前に、超音波を使用して基板を洗浄します。洗浄は、すすぎと乾燥が続く多段階の手順です。
バリは、超音波洗浄技術を使用して PVD 用に準備されました。コーティング前に、部品からオイル、潤滑剤、冷却エマルジョン、および粒子をできるだけ除去する必要があります。
第一段階は脱脂剤による超音波脱脂です（pH~11) 表面の汚染物質を除去するために脱イオン水で洗浄し (洗浄時間 15 分)、続いて脱イオン水で超音波洗浄し、純粋な熱風で乾燥させます。
PVDコーティングのメリット
PVD コーティングが使用されている理由は、次のとおりです。 利点、を含みます：
(i) PVD によって形成されたコーティングは、基板材料よりも優れた特性を有する可能性があります。
(ii) あらゆる種類の無機材料および一部の種類の有機材料を使用できます。
(iii) このプロセスは、電気メッキなどの他の多くのプロセスよりも環境に優しいです。
しかし、PVD コーティングはどのようにして製品の機械的特性を向上させるのでしょうか? これについて詳しく説明しましょう。
強化された耐久性
PVD メッキが施された医療器具または外科用器具は、PVD メッキされていないものより 10 倍長く使用できます。 PVD メッキは、腐食に時間がかかる、薄くても丈夫な材料の被覆を追加します。
性能と強度
メッキを追加すると素材がより強固になるため、PVD コーティングされた医療用品は耐久性が向上します。へこみや欠けが発生する危険性が低いため、より頑丈な外科用器具は機器の機能を向上させます。
PVD コーティングの医療機器は潤滑性を向上させ、耐水性を高めます。 PVD コーティング医療ツールは、デバイスにコーティングされている材料に応じて、骨、体液、または組織に対して非反応性の、より生体適合性の高いツールを作成します。
研ぎ
PVD コーティングは、エッジの保持力を強化することで、外科用ツールのブレードやエッジをより長く鋭く保つのに役立ちます。
変動
医療ツールのメッキには、さまざまな色の PVD コーティング材料を使用できます。これは、類似のツールを区別したり、特定の消耗品を分類したりするために使用できます。
動いている機械部品の潤滑は自動車産業の課題です。ギア、ピストン、カム、ベアリングなどがその例です。PVDコーティングは、この課題に対する素晴らしい解決策を提供しました。コーティングにより、処理された部品の表面特性が変化し、摩擦係数が低下し、耐摩耗性が向上します。
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一方、PVD には次のようないくつかの欠点があります。
(i) 複合フォームのコーティングに関する問題。
(ii) プロセスコストが高く、生産量が低い。そして
(iii) プロセスの複雑さ。
PVD コーティングの産業用途
PVD 法は、次のようなさまざまな産業用途で材料をコーティングするために使用されます。
- 切削工具、フライス工具、穴あけ工具、成型工具、エンジン部品、ベアリング。
- 自動車事業、家電製品、筆記具、エレクトロニクス分野、玩具業界では、
- 装飾コーティングはプラスチックに金属的な印象を与えます。
- レンズ、光学部品、ガラス、タッチスクリーン、ミラーはすべて光学コーティングでコーティングされています。
- インプラント、ペースメーカー、外科用機器などの医療機器は、耐摩耗性コーティングでコーティングされています。
- 結晶シリコン太陽電池用の太陽電池ガラス耐摩耗コーティングおよびメタライゼーションコーティング。
- メタライズ層を備えた包装材料。
薄い PVD (物理蒸着) コーティングは、近年、あらゆる種類の切断器具でますます一般的になってきています。これらの技術は現在、特にドリルビット、フライス、ボーリングビットなどの製造に広く採用されています。
TiN PVD コーティングは、切断、打ち抜き、冷間成形、プラスチックの射出成形、および一部の金属合金のダイカストにおける 10 年間の適用に成功した後、高強度で摩耗性の高い鋼や非鉄金属の金属加工の改善として認識されました。 TiAlN コーティングの高い熱安定性 (最大 700°C）が決定要因であると考えられ、優れた耐酸化性が必要な場合にこのコーティングを使用する必要があることを示しています。
による写真 クリス・イエーツ on Unsplash
CrN (PVD) コーティングは、量産製品の範囲はますます広がっていますが、依然として選択的な範囲にあります。これらは、中温および高温で単一 CrN コーティングとして作成することも、二重 TiN+CrN コーティングとして作成することもできます。高温では、低電圧の熱電子アークが発生します。 BAI 730M ＣｒＮの堆積にはＳＰＵＴＲＯＮ装置が使用されたが、低温（２５０℃未満）ではＳＰＵＴＲＯＮ装置のプラズマビームスパッタリング法が使用された。
関節形成術が成功するための条件は非常に厳しいです。機械的品質と優れた生体適合性のバランスの取れた組み合わせが必要です。 Co-Cr 基合金は、比較的不活性であり、耐荷重性に優れ、耐摩耗性に優れているため、長年にわたって使用されてきました。
ただし、コバルトやクロムなどの金属イオンがゆっくりと蓄積すると、否定的な臨床転帰につながる可能性があります。したがって、次のような疑問が生じます。これに対する可能な解決策は何でしょうか？
その後、物理蒸着法を使用して TiN の薄層を配置し、Co-Cr-Mo ベースの外科用インプラント (PVD) からの潜在的に有害な金属イオンの放出を減少させました。電気化学技術と原子吸光分析を使用して、インビトロ腐食性能を検査しました。
結論
PVD コーティングは薄膜コーティングとしても知られています。これは、サンプル上に単層および多層のコーティングを堆積する技術です。 PVD コーティングを堆積するには多くの技術がありますが、最も一般的に適用される方法は蒸着とスパッタリングです。これらの方法では、低融点材料と高融点材料を利用できます。 PVD コーティングは、熱可塑性プラスチックを含む幅広い材料に適用できます。 PVD コーティングの前に、サンプルを準備し、超音波脱脂剤で洗浄する必要があります。自動車、医療用インプラント、航空宇宙などを含む幅広い産業用途があります。それでも、PVD コーティングについて何か質問はありますか?遠慮せずに、以下にコメントしてお知らせください。
