PVD コーティング(真空中の薄膜)

ターゲットからたたき出された原子が、真空中で部品をコーティングする

PVD(物理蒸着)は、真空の中で原子ひとつずつ積み上げて、厚さ数ミクロンの金属やセラミックの膜で部品をコーティングする工程です。多くのドリルの金色の層は、窒化チタンの PVD コーティングです。工具の寿命を数倍に延ばし、腕時計や蛇口に、硬くて長持ちする色を与えます。

写真：Cetko, CC0, 提供： Wikimedia Commons

PVD コーティング・真空チャンバー内のスパッタリングと、膜の拡大丸数字は下のステップに対応しています。右の枠は、コーティングされた表面の 1 か所を拡大したものです。

しくみ

洗浄してセットする。 部品を、多くは超音波洗浄槽で、完全にきれいに洗い、コーティング中に回転する治具に取り付けます。油やほこりがわずかでも残ると、膜が付きません。
排気して加熱する。 ポンプが空気を抜き、圧力が通常のおよそ 100 万分の 1 になるまで下げます。ヒーターが部品を、通常 200〜500 °C にし、短時間のアルゴンイオンの照射で、表面を洗浄します。
ターゲットから原子をたたき出す。 アルゴンガスをプラズマ(光を放つ、電気を帯びたガス)にします。そのイオンが、コーティングする金属の板であるターゲットに衝突し、原子をたたき出します。これがスパッタリングです。ほかの装置では、電気アークや単純な蒸発で原子を放ちます。
飛んで反応する。 放たれた原子はまっすぐ飛び、見える範囲のあらゆるものに付着します。チャンバーに送り込んだ窒素がそれと反応するので、チタンは硬い金色の窒化チタン(TiN)として付着します。
回転させて積み上げる。 治具が回転し、どの面にも均等に付きます。膜は通常 1〜5 µm の厚さまで成長し、そのあとチャンバーは冷却され、大気開放されます。

材料: コーティング:TiN、TiAlN、CrN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、アルミニウム、クロム。部品:工具鋼、超硬、ステンレス鋼、ガラス、一部のプラスチック
代表的な部品: ドリル、エンドミル、インサート、金型、時計ケース、蛇口、レンズ、チップ
部品サイズ: 小さなインサートから、長さ数十センチの部品まで。チャンバーの大きさで制限される
精度: 膜は通常 1〜5 µm、数分の 1 ミクロンまで薄くもできる。部品の寸法はほとんど変わらない
表面仕上げ: 下の表面を写し取る(磨けば磨いたまま)。色は金色(TiN)から黒(DLC)まで
向いているロット数: 1 回の装填で小さな部品を数百から数千個。コーティングの受託サービスでは少量にも対応
金型・設備コスト: 高い:産業用装置は通常、数十万から 100 万ドル超。満載のバッチなら、1 個あたりのコストは低い
速度: 1 バッチは、装填から取り出しまで通常数時間