Урок 11.8ПокрыватьГлава 11 · Покрытия и отделка поверхности

PVD-покрытие (тонкие плёнки в вакууме)

Атомы, выбитые из мишени, покрывают детали в вакууме

PVD (физическое осаждение из паровой фазы) покрывает детали металлической или керамической плёнкой толщиной в несколько микрон, наращиваемой атом за атомом в вакууме. Золотистый слой на многих свёрлах — это PVD-покрытие из нитрида титана. Оно увеличивает срок службы инструмента в несколько раз и придаёт часам и кранам твёрдый, долговечный цвет.

Фото: Cetko, CC0, через Wikimedia Commons

PVD-покрытие · распыление в вакуумной камере и крупный план плёнкиНомера в кружках соответствуют шагам ниже; рамка справа показывает крупным планом одну покрытую поверхность.

Как это работает

Очистите и загрузите. Детали очищают до идеальной чистоты, часто в ультразвуковых ваннах, затем закрепляют на оснастке, вращающейся при нанесении. Любой след масла или пыли помешает плёнке удержаться.
Откачайте и прогрейте. Насосы удаляют воздух, пока давление не станет примерно миллионной долей нормального. Нагреватели доводят детали до обычно 200–500 °C, а короткий поток ионов аргона очищает их поверхности.
Выбейте атомы из мишени. Газ аргон превращается в плазму (светящийся электрически заряженный газ). Его ионы ударяют в мишень — пластину из металла покрытия — и выбивают атомы: это распыление. Другие машины освобождают атомы электрической дугой или простым испарением.
Летите и реагируйте. Освобождённые атомы летят по прямым линиям и садятся на всё, что видят. Азот, подаваемый в камеру, реагирует с ними, поэтому титан оседает в виде твёрдого золотистого нитрида титана (TiN).
Вращайте и наращивайте. Оснастка вращается, чтобы каждая грань получила свою долю. Плёнка обычно вырастает толщиной 1–5 мкм, затем камера остывает и в неё впускают воздух.

Ключевые факты

Материалы: Покрытия: TiN, TiAlN, CrN, DLC (алмазоподобный углерод), алюминий, хром. Детали: инструментальная сталь, твёрдый сплав, нержавеющая сталь, стекло, некоторые пластики
Типичные детали: Свёрла, концевые фрезы и пластины, формы, корпуса часов, краны, линзы, чипы
Размер детали: От крошечных пластин до деталей длиной десятки сантиметров; ограничено камерой
Точность: Плёнка обычно 1–5 мкм, вплоть до долей микрона; размер детали почти не меняется
Качество поверхности: Копирует поверхность под собой (полированная остаётся полированной); цвета от золотого (TiN) до чёрного (DLC)
Подходящая партия: От сотен до тысяч мелких деталей за загрузку; сервисы нанесения принимают малые партии
Стоимость оснастки и оборудования: Высокая: промышленная установка обычно стоит от сотен тысяч до более миллиона долларов; стоимость детали низкая при полных загрузках
Скорость: Партия обычно занимает несколько часов от загрузки до выгрузки

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Очень твёрдая тонкая плёнка, сохраняющая острые кромки острыми
Много твёрдых и декоративных цветов, таких как золотой, чёрный или бронзовый
Умеренный нагрев: большинство инструментальных сталей сохраняют твёрдость
Чистый сухой процесс без жидких отходов

Ограничения

Прямая видимость: глубокие отверстия и скрытые поверхности покрываются слабо или совсем не покрываются
Нужна вакуумная камера: высокая стоимость машины и партионная работа
Деталь должна быть идеально чистой, иначе плёнка отслоится
Слишком тонкая, чтобы закрыть царапины или восстановить изношенные детали

Где применяется

Режущий инструментЗолотистые свёрла с TiN, тёмные концевые фрезы с TiAlN, твердосплавные пластины
Формы и штампыИзносостойкие плёнки на формах для литья под давлением и формообразующих инструментах
Часы и украшенияЧёрная, золотая или розово-золотая отделка стальных корпусов и браслетов
Дом и ваннаяКраны и дверные ручки под шлифованный никель или латунь
Оптика и электроникаПросветляющие слои на линзах, металлические плёнки на чипах и дисплеях
АвтомобилестроениеПоршневые кольца и детали двигателей с покрытиями CrN или DLC

Как узнать процесс

Тонкий ровный цвет на металле: золотой на свёрлах, фиолетово-чёрный или бронзовый на режущих инструментах.
Цвет идеально покрывает внешние грани и режущие кромки, но тускнеет внутри глубоких отверстий и канавок.
Нет потёков, подтёков или толстых краёв: кажется, будто сам металл поменял цвет.
Очень трудно поцарапать, в отличие от краски того же цвета.