Вакуумное напыление. Установки вакуумного напыления

Существует много способов поверхностей, и к одним из основных относится вакуумная металлизация. Предметов с таким покрытием вокруг множество. Даже предметы из обычного пластика можно сделать похожими на металлические – с помощью этой технологии напыления металла они приобретут красивую серебристую или золотистую поверхность.

Понятие о вакуумной металлизации

С помощью такой технологии происходит обработка поверхностей изделий путём переноса мелких металлических частиц в вакууме. Они покрывают изделия плотным слоем. Для этого используется специальное оборудование, довольно дорогостоящее, для которого необходимо подходящее производственное помещение. В небольшой мастерской такой процесс работы не выполнить.

Вакуумная металлизация широкое применение получила сравнительно недавно, но уже показала, что этот способ, несмотря на использование дорогого оборудования, намного дешевле гальванического нанесения, а по сравнению с лакокрасочными покрытиями слой значительно насыщенней и поверхность получается более красивая.

На какие поверхности можно наносить

Способом вакуумного напыления металла можно покрывать предметы из металлов, керамики, стекла, пластмасс. При этом, в отличие от гальванического нанесения, для создания эффекта глянцевого хромирования, меднения, золочения, поверхностей не требуется предварительная полировка деталей.

Вообще, металлизировать таким способом можно любые материалы, которые устойчивы к нагреву до +80 и воздействию специальных лаков. А также материалы не должны быть пористыми, чтобы в процессе металлизации в вакуумной камере не выделялся атмосферный или другой газ, что приведёт к некачественному покрытию. К ним относится плохо обработанная керамика, древесина, бетон. Но даже на них можно нанести таким способом декоративные покрытия, если предварительно загрунтовать специальными составами.

Чаще всего сегодня обрабатываются таким способом предметы из пластмасс и металлов. Этот процесс только усиливает их положительные свойства. Напыление наносится на металлические поверхности изделий, состоящие из различных сплавов. При этом создаётся , изменяются электропроводные свойства металла в сторону повышения, улучшается внешний вид предметов.

Металлизация пластмасс позволяет изготавливать красивые, практичные изделия из дешёвого сырья. В автомобилестроении пластмассовые детали устанавливают для снижения веса. Решётки радиаторов, корпуса, колпаки колёс и другие детали, к которым не требуется обладание повышенной прочностью, изготавливаются из прочных марок пластмасс и обрабатываются под металл.

Оборудование для вакуумной металлизации

У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:

Аппарат для нанесения покрытий - схема

необходимость использования дорогостоящего оборудования;
большие расходы электроэнергии;
потребность в просторном производственном помещении для размещения всех приспособлений и для полного технологического цикла изготовления.

Дополнительные расходы средств требуются при этом на технический процесс нанесения дополнительного слоя – защитного лака.

Установки вакуумного напыления представляют собой совокупность устройств, которые последовательно и самостоятельно выполняют ряд функций, необходимых для технологического процесса металлизации.

Основные функции:

откачка воздуха для получения условий разрежения;
распыление в определённых условиях металлических частиц на поверхность предметов;
транспортировка обрабатываемых деталей;
контроль режимов происходящих процессов вакуумного напыления;
электропитание и другие вспомогательные приспособления.

Составляющие узлы вакуумной установки:

Рабочая камера. В ней происходит сам процесс металлизации.
Источник испаряемых металлов вместе с управляющими и энергообеспечивающими устройствами.
Системы контроля и управления для регулировки температуры, скорости напыления, толщины плёнки, её физических свойств.
Откачивающая и газораспределительная система, обеспечивающая получение вакуума и регулировку газовых потоков.
Системы блокировки рабочих узлов, блоки электропитания.
Транспортирующее устройство, определяющее подачу-извлечение из вакуумной камеры, смену положений деталей при нанесении металлопокрытия.
Вспомогательные устройства – заслонки, внутрикамерные манипуляторы, газовые фильтры и др.

Особенности оборудования

Установки для вакуумного процесса нанесения металлического слоя бывают магнетронные и ионно-плазменные. В любых из них необходимо достигать испарения вещества с поверхности металлических болванок, минуя стадию расплава металла.

При сублимационном способе процесс нагрева происходит быстро до температуры испарения, не допуская расплава. Для этого используются нагреватели, способные повышать кинетическую энергию вплоть до разрушения кристаллической решётки. Но некоторые металлы не сублимируют в вакууме, и поэтому с ними стадии расплава не избежать. Поэтому в таких случаях применяются дополнительные системы фильтров.

Способом вакуумного напыления металлического слоя покрываются изделия разных размеров: крупные (до 1 м) и совсем мелкие. Существуют технологии металлопокрытия многометровых тканей и плёнок – они перематываются из одного рулона в другой в процессе напыления в вакуумной камере. Поэтому бывают установки с рабочими камерами разных размеров:

небольшие – несколько литров;
крупные – несколько кубометров.

Технологический процесс

Вакуумная металлизация, основанная на испарении и выпадении частиц металла на подложку, представляет собой ряд последовательно происходящих процессов. Они довольно сложные.

Металл при нагревании перед тем, как стать покрытием, претерпевает целый ряд изменений. Вначале он испаряется, затем адсорбируется, после этого выпадает конденсатом и кристаллизуется на поверхности, с образованием металлической плёнки. Каждый процесс довольно сложный.

На качество готового изделия влияют многие факторы. Главные из них – физико-технические характеристики материалов заготовок и выдерживаемые условия процесса металлизации. Образование слоя покрытия происходит в два основных этапа. Это перенос массы и энергии от источника и их равномерное распределение по поверхности обрабатываемого изделия.

Этапы выполнения вакуумной металлизации

Напыление металла на поверхности изделий методом вакуумной металлизации производится по технологии, состоящей из нескольких этапов:

Деталь подготавливается к процессу нанесения покрытия. Для этой цели подходят только заготовки несложных форм, которые не имеют острых углов или участков, труднодоступных для прямолинейного попадания конденсата.
Процесс нанесения защитного слоя. На полимеры с содержанием низкомолекулярных наполнителей предварительно наносятся слои антидиффузионных лаковых покрытий.
Сушка и обезжиривание. Заготовки проходят этап сушки адсорбированной влаги в течение трех часов при температуре +80 .
Процесс обезжиривания происходит уже на подготовительном этапе в вакуумной камере путём воздействия тлеющего разряда.
Проведение отжига на этой стадии особенно благоприятно для полимерных материалов – положительно сказывается на их структуре, снижается при этом внутреннее напряжение.
Проводится активационная обработка перед нанесением металлического слоя на поверхность для повышения её адгезии. Используемые методы зависят от материала заготовки.
Нанесение металлического покрытия. При этом слой покрытия формируется путём конденсации пересыщенных паров металлов на холодную поверхность заготовки.
Затем проводится контрольная проверка качества металлического слоя. Для декоративных изделий она заключается в осмотре поверхности с определением прочности и равномерности слоя. Для технических деталей используются дополнительные испытания. На практике применяются методы отслаивания липкой лентой, истирание, разрушение УЗ колебаниями и др.

Сферы применения

Технология обработки поверхностей методом вакуумной металлизации применяется в производстве многих товаров:

Сантехнической фурнитуры – сильфонов, кнопок смыва и др. Самая распространённая металлизация - алюминием, придающая изделиям хромированный вид.
Мебельная фурнитура – ручки для мебельных дверок и ящиков, декоративные отделочные детали, вешалки для одежды и др.
Зеркальные покрытия. Небьющиеся зеркала изготавливаются способом металлизации полимерных плёнок, натянутых на рамки.
Кожгалантерея – пряжки для ремней, пуговицы, люверсы.
Упаковочные материалы – крышки для флаконов с парфюмерией, дозаторы косметических средств, декоративные коробочки для бижутерии и др.
В производстве бижутерии, декоративных сувениров и подобных изделий.
При изготовлении предметов геральдики – гербов и других предметов.
Радиоэлектроника – приборные панели телевизоров, крышки мониторов, кнопки и др.
Микроэлектроника – изготовление интегральных микросхем, полупроводников и других деталей. Обычно применяется напыление меди.
Автомобильная промышленность – внутренняя светоотражающая часть фар и многие декоративные детали снаружи и внутри машины.
Светотехнические изделия – для декорации деталей светильников.

Визуально можно сделать имитацию под любой драгоценный или полудрагоценный металл. Вакуумная металлизация придаёт изделиям не только красивые декоративные свойства, но и создаёт защитный слой от коррозии для металлов, износа для других материалов. Металлизация пластмасс позволяет из дешёвых материалов создавать практичные и красивые изделия. Стойкое покрытие обеспечивает долгий срок эксплуатации изделий.

Выводы

По времени использования наибольший срок сохранения декоративного слоя у предметов, находящихся в закрытых помещениях. Те, что часто подвергаются атмосферным воздействиям, могут со временем повреждаться. Но для их защиты обычно используются специальные лаковые слои, которые продлевают срок службы таких изделий. К преимуществам покрытий вакуумным способом относится их экологичность, по сравнению с другими аналогичными технологиями.

Напыление вакуумное является переносом вещества (его частиц), которое напыляют, на твердую поверхность. Оно осуществляется способом конвективного перемещения с давлением около 1 Па. При напылении каждая частица ведет себя совершенно по-разному. Некоторые способны отразиться от напыляемой поверхности, другие - приспособиться, но через какое-то время вовсе покинуть поверхность. И только небольшая часть сможет прижиться в теле опыляемого вещества, поэтому установка вакуумного напыления представляет собой достаточно сложное оборудование. Если использовать большую энергию вместе с высокой температурой, но при этом иметь маленькое химсродство материала, то большинство частиц будет отражено поверхностью.

Особенности установки вакуумного напыления

Температура, выше которой отражается весь объем частиц напыления, а также частицы, не способные взаимодействовать с веществом, именуется критической температурной точкой напыления вакуумом. Нужно внимательно следить во время осуществления напыления, чтобы отметка температуры не достигла максимально недопустимой величины.

Данная величина полностью зависима от происхождения материала, характеристики рабочей поверхности, ее состояния. Поэтому, чтобы было возможно использовать наибольшую величину температуры, когда происходит установка вакуумного напыления, необходимо хорошее состояние рабочей плоскости, тогда пленка вещества будет сделана достаточно профессионально и прочно.

Использование пленок в установке вакуумного напыления

Также существует понятие критической плотности давления. Критическая плотность давления - это минимальная величина плотности, при которой пленка адсорбируется и становится не способной принимать частицы напыления. Главная задача напыления - не достигнуть величины такой плотности, при какой вещество на которое наносят опыляемые частицы, не принимает их из-за своих плохих технических свойств.

Пленки по своей структуре разделяют по качеству напыления, техническим характеристикам и происхождению материала. Пленки бывают:

Аморфными;
- монокристаллическими;
- поликристаллическими.

Аморфные - это те пленки, которые имеют стеклообразное напыление. Монокристаллические пленки имеют более твердую поверхность и по своим функциям практически являются полупроводниками. К поликристаллическим пленкам относят сплавы, металлы и Si. Когда происходит установка вакуумного напыления, то преимущественно используются монокристаллические пленки, так как они имеют наилучшие технические характеристики и способны переносить достаточно большие нагрузки при эксплуатации.

Принцип работы установок вакуумного напыления

Для сохранения технических свойств, характеристик напыления вакуумом, после процедуры напыления используют отжиг (не нарушая вакуум) при воздействии высокой температуры, потому как такая процедура достаточно хорошо помогает сохранить полезные свойства напыляемых материалов. Температура данного отжига в несколько раз превышает температуру, при какой происходило напыление вакуумом.

Когда происходит установка вакуумного напыления, специалисты пытаются создать поверхностную структуру из одного или нескольких материалов, которые способны сделать ее гораздо лучше и эффективнее. При вакуумном напылении, в зависимости от способа нанесении пленки, используют способы периодического, полунепрерывного и непрерывного воздействия. Наиболее удобным и эффективным является непрерывный способ воздействия.

Установки вакуумного напыления включают в себя много функций. Сначала создается вакуум, затем - распыляется и испаряется пленочный материал, осуществляется транспортировка деталей, подача электропитания и осуществление контроля режима вакуумного напыления, равно как и режима свойств пленок.

Устройство установки вакуумного напыления

Как правило, все оборудование этого типа имеет схожую конструкцию, состоящую из ряда элементов. Основным рабочим органом можно назвать горизонтальную камеру, в которой и происходит напыление, благодаря размещенному в ней технологическому устройству. Обеспечить требуемый вакуум призваны газораспределительная и откачная системы. К важным рабочим узлам оборудования относятся, в том числе, источники, обеспечивающие испарение или распыление обрабатываемых материалов.

Любая установка вакуумного напыления имеет систему электропитания и блокировки рабочих элементов, отвечающих за включение/отключение оборудования. Шкаф питания располагают в стороне от оборудования. Необходимую скорость нанесения напыления на пленки, их толщину, температуру деталей и рабочую температуру, и прочие показатели регулирует предустановленная система контроля и управления. Все датчики, относящиеся к этой системе, связаны между собой единым микропроцессором.

Установки снабжаются и специальными элементами транспортировки, с помощью которых осуществляется доставка деталей в камеру или вывод из неё. Различные вспомогательные устройства установок вакуумного напыления, включающие в себя экраны, манипуляторы, заслонки, установленные внутри рабочей камеры, устройства очистки газов и прочие элементы также являются неотъемлемой частью оборудования. Обрабатываемые материалы расположены на подложках, которые вращаются вокруг барабана на специальных держателях. За один оборот барабана каждая подложка проходит зону испарения разными сторонами.

Для приобретения товарного вида и определенных технических свойств на современном производстве все готовые изделия покрываются различными материалами. Особенно актуальным этот вопрос является для металлических деталей, где покрытие играет не столько декоративную роль, сколько защищает металл от коррозии и прочих вредных факторов окружающей среды.

Вакуумное напыление

В современном производстве самой продвинутой технологией нанесения покрытий на детали является вакуумное напыление. Технология заключается в прямой конденсации пара наносимого покрытия на поверхность детали. Определяется три основных стадии такого напыления:

Испарение вещества, из которого будет создаваться покрытие;

Перенос созданного пара к поверхности, на которую вещество будет наноситься;

Конденсация пара на поверхность детали и создание покрытия из него.

Установка для хромирования литых дисков

Методы вакуумного напыления

Помимо вакуума, в напылении могут учувствовать и другие физические процессы. Нижеприведенная классификация также будет касаться и веществ, которые будут напыляться на поверхность.

Вакуумно-плазменное напыление

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий проводится по следующему механизму. Катодом выступает поверхность, на которую необходимо нанесение пленки, анодом выступает подложка газоразряда. Когда дуга накаляет атмосферу до предельной температуры, происходит переход напылительного материала в газообразную фазу и перенос его к катоду. Затем молекулы напылителя конденсируются на поверхности изделия, образуя однородный слой. Однородность в установках вакуумно-дугового напыления может быть отрегулирована вплоть до получения исходного изделия с разводами напылителя.

Такая сложная технология применяется для нанесения сверхтвердых покрытий на режущие и сверлящие инструменты. Крепкие износостойкие буры для перфораторов создаются с помощью вакуумно-плазменного напыления.

Высокопрочные буры для перфоратора

Ионно-вакуумное напыление

Считается самым экологически чистым способом нанести покрытие на любую металлическую поверхность. Минус заключается в дорогостоящем оборудовании, далеко не каждое предприятие может себе позволить его покупку и установку.

Жесткие требования также предъявляются к чистоте поверхности, однако конечный результат превосходит все ожидания. Нанесенное покрытие отличается высокой однородностью, прочностью и износоустойчивостью, поэтому таким способом напыляют покрытия на детали и механизмы, которые будут эксплуатироваться в жестких климатических условиях. Является последней операцией, после которой дальнейшая обработка деталей не допускается – ни сварки, ни резки быть не должно.

Вакуумное напыление алюминия

Нанесение алюминия считается самым популярным способом металлизации практически любой поверхности. Универсальность алюминия позволяет наносить его на такие необычные поверхности, как пластик и стекло, причем, в отличие от остальных металлов, здесь не нужно дополнительное лаковое покрытие для прочности. Алюминий обычно используется в декоративных целях – им обрабатываются автомобильные аксессуары и отражатели для фар, косметические элементы, ручки шкафов и дверей, швейные принадлежности. Этот металл хоть и не отличается высокой прочностью, однако отработка технологии позволила сильно уменьшить стоимость такого напыления, делав его самым распространенным в мире.

Отражатель автомобильной фары с алюминиевым покрытием

Вакуумное напыление металлов

Помимо алюминия, имеется ряд не менее распространенных металлов для напыления. Благодаря различным физическим и химическим свойствам они нашли применение абсолютно во всех отраслях промышленности. Основные назначения напыленных металлов:

улучшение проводимости;

повышение изоляции;

придание износоустойчивых и антикоррозийных свойств.

Регулирование температуры при нанесении слоя покрытия позволяет придать конечному изделию практически любой оттенок, этим часто пользуются для нанесения покрытий «под золото» (используются никеле-титановые сплавы).

Широкое распространение напыление титана и серебра нашли в медицине. Эти уникальные металлы очень хорошо взаимодействуют с организмом человека и имеют антибактериальные свойства. Имплантаты и хирургические инструменты (а также стоматологические и прочие) практически везде имеют напыление серебра – высокая гарантия прочности и стерильности инструмента.

Вакуумное ионно-плазменное напыление

Под воздействием высоких температур покрытие не просто конденсируется на поверхности детали, оно буквально запекается на нем, что придает конечному изделию очень высокие технические характеристики – износоустойчивость при механическом воздействии и хорошую сопротивляемость жестким погодным условиям.

Установка вакуумного напыления УВН

Приборы типа УВН – современные высокотехнологические установки вакуумного напыления. В зависимости от назначения, может оборудоваться любыми устройствами для испарения вещества и его переноса на поверхность детали. Строение:

Технологическая камера закрытого типа – область, где размещается деталь, которая обрабатывается в процессе вакуумного напыления.

Блок управления – панель с кнопками и регуляторами, которые позволяют задавать все необходимые параметры перед началом работы. Современные варианты установок вакуумного напыления оборудованы цифровыми дисплеями для отображения параметров процесса в реальном времени.

Корпус установки скрывает под собой все важные механические и электронные узлы агрегата, защищая их от случайного и несанкционированного вмешательства, а также обеспечивая безопасность оператору станка. В зависимости от размера машины, комплектуется колесиками (с тормозными колодками, для маленьких моделей), либо устанавливается стационарно (для мощных и производительных камер).

Классическая УВН

Навигация:

Процесс вакуумного напыления состоит из группы методов напыления покрытий (тончайших плёнок) в вакуумной сфере, при каких компенсация выходит действием непосредственного конденсирования пара, причиняемого элемента.

Существуют следующие этапы вакуумного напыления:

Выработка газов (пара) с компонентов, производящих возмещение;
Транспортировка паров к подложке;
Накопление паров в подложке и создание напыления;

К перечню методов напыления вакуумным способом относятся приведенные ниже научно-технические движения, а помимо этого быстрые типы этих операций.

Перечень методов термо-напыления:

Испарение при помощи гальванического луча;
Испарение при помощи лазерного луча.

Испарение вакуумной дугой:

Сырье выпаривается в катодном пятнышке, за это отвечает электрическая дуга;
Эпитаксия при помощи молекулярного луча.

Ионное рассеивание:

Первоначальные сырьевые материалы распыляются бомбардировкой ионным потоком и воздействуют на подложку.

Применение

Вакуумное возмещение применяют с целью развития в плоскости компонентов, устройств и механизмов эксплуатационных покрытий - проводников, изолянтов, износостойких, коррозионно-стабильных, эрозийно-устойчивых, антифрикционных, антизадирных, барьерных и прочих. Данные манипуляции используются с целью нанесения украшающих покрытий, к примеру, при сборке часовых механизмов с позолоченной поверхностью и покрытие оправы для очков. Единый из основных операций микроэлектроники, где применяется с целью нанесения проводящих слоев (металлизации). Вакуумное возмещение используется с целью извлечения оптических покрытий: просветляющих, отражающих, фильтрующих.

В научно-техническую область способен быть внедрён химико активный газ, к примеру, ацетилен (с целью покрытий, вводящих углерод), неметалл, воздушное пространство. Хим. отклик в плоскости подложек запускается нагреванием, либо ионизацией и диссоциацией газов одной из конфигураций газового строя.

Благодаря использованию методов вакуум напылений обретают покрытие толщина которого может составлять несколько ангстрем либо достигать многих микрон, как правило в следствии нанесения напыления поверхность не требует дополнительного обрабатывания.

Методы вакуумного напыления

Судьба каждой из крупиц напыляемого компонента при соударении с поверхностью, составляющие пребывает в зависимости от ее энергии, температуры плоскости и хим. сродства элементов пленки и составляющих. Атомы или молекулы, достигнувшие плоскости, имеют все возможности либо отразиться с нее, либо адсорбироваться и через конкретный период времени, покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и создавать в плоскости конденсат (уплотнитель). При высоких энергиях крупиц, высокой температуре плоскости и незначительном хим. сродстве, элемент отражается поверхностью. Температура плоскости детали, больше которой все частицы отражаются с нее и слой не сформируется, называется серьезной температурой напыления вакуумного, её значимость пребывает в зависимости от естества элементов пленки и плоскости составляющих, и от состояния плоскости. При крайне небольших потоках испаримых элементов, в том числе и в случае если данные частицы в плоскости адсорбируются, однако редко встречаются с другими аналогичными частицами, они десорбируются и не могут создавать зародышей, то есть слой совершенно не возрастает. Серьезной частотой потока испаримых компонентов с целью данной температуры плоскости называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и образовывают покров.