Хромирование и напыление покрытий из паровой фазы с использованием алюминиевой мишени на полимерные подложки

Эмад Бехдад, Мохаммад Джанатян, Джавад Сахебан, Мохсен Дарзи
07.06.2021 485

Декоративные электроосажденные хромовые покрытия на пластиковых подложках производятся десятилетиями. По экологическим соображениям произошел переход с шестивалентного хрома (Cr6) на трехвалентный (Cr3). Резко возрастает интерес к альтернативным вариантам для электроосажденного хрома.

Технологические этапы нанесения хромовых и других металлических покрытий на пластмассы существенно отличаются при сравнении электроосаждения и напыления конденсацией из паровой фазы (PVD). При электроосаждении для получения надежного хромового покрытия требуется несколько гальванических ванн и промывок для осаждения 15-30 микрон металла.

Стадии этого процесса хорошо известны и могут включать регулирование состава, нейтрализацию, кислотное травление, катализирование, ускорение, затяжка никелем, меднение, никелирование, хромирование, обработку и утилизацию отходов.

Поэтому происходит увеличение капиталовложений в хромовые покрытия, напыленные из паровой фазы, которые позволяют получить истинный вид хрома.

Автомобильная, косметическая отрасли и рынок бытовой техники находятся в активном поиске альтернативных вариантов, которые обеспечили бы внешний вид и надежность гальванических покрытий, но без побочных воздействий на окружающую среду, функциональных и внешних ограничений и связанных с этим затрат. Отделочники уделяют основное внимание более безопасным, экологичным и экономически выгодным вариантам без ущерба для внешнего вида и технических характеристик.

Традиционное хромирование ограничивается определенными подложками, например, акрилонитрил бутадиен стирол (АБС-пластик) и поликарбонат/АБС-пластик. Некоторые термопласты, например, полиамид/полифениловый эфир, не могут подвергаться хромированию из-за химического воздействия или продолжительной высокотемпературной обработки (до 140 °F в течение 11 мин), что вызывает деформацию подложки.

АБС-пластик широко применяется в качестве подложки при вакуумном напылении и электроосаждении покрытий с 1960-х годов.

Это сравнительно недорогой материал, пригодный для литья под давлением, однако в большинстве областей применения, когда деталь открыта или находится под прозрачным стеклом, необходим грунтовочный слой (краски) для выравнивания поверхности перед вакуумным напылением.

Для гальванического покрытия компонентов используется более дорогой АБС-пластик. Процесс вакуумного напыления позволил использовать материалы, которые могут быть непосредственно покрыты, например: сочетание АБС с поликарбонатом, полиамид, полиэфиримид, полибутилентетрафталат, полистирол и др.

В данной статье особое внимание уделяется технологии вакуумного напыления и ее применению для полимерных материалов в отрасли автомобилестроения и производства бытовой техники, а также освещается снижение затрат и повышение качества при модификации поверхности деталей.

МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Технология PVD нашла широкий диапазон областей применения, от декоративных до высокотемпературных сверхпроводящих пленок.

Большое количество неорганических материалов (металлы, сплавы, компаунды и смеси), а также некоторые органические материалы, такие как полимеры, можно осаждать методом вакуумного напыления. В настоящее время PVD используется для получения многослойных, излучающих и очень толстых покрытий.

Технология PVD – это осаждение металла на подложку за счет изменения физического состояния металла (твердое тело — газ — твердое тело). При использовании совместно с УФ-покрытиями на подложку наносят базовый слой, очень тонкий (700-1000 Ангстрем) слой металла осаждается, а затем покрывается верхним слоем УФ-покрытия для герметизации и защиты нижних слоев (рисунок 1).

Рисунок 1. Процесс напыления покрытия из паровой фазы.

Для понимания, насколько тонкий слой PVD-покрытия на самом деле, обычно толщина УФ-покрытия для нанесения в сочетании с PVD составляет 25 микрон или 0,98 мил.  1,0 мил равен 25400 нанометров. Ангстрем – это стомиллионная часть метра или 10-10, или 0,1 нанометр.

Вакуумное напыление позволяет осаждать широкое разнообразие металлов, в том числе алюминий, хром, титан, нержавеющую сталь, хром-никель, олово и др. Слой PVD можно нанести разными способами, включая термическое напыление, катодно-дуговое осаждение, распыление, импульсное лазерное напыление и электронно-лучевое напыление. Мы остановимся на осаждении методом напыления, который выполняется в вакууме.

Это процесс осаждения, при котором атомы на твердой металлической мишени выбрасываются в газовую фазу посредством бомбардировки материала высокоэнергетическими ионами.

В процессе бомбардировки из металлической мишени высвобождаются атомы, которые осаждаются непосредственно на деталь внутри вакуумной камеры. Толщина металла варьируется в зависимости от продолжительности процесса и мощности, приложенной к мишени.

ИСПЫТАНИЯ

Для оценки PVD и гальванических покрытий применялись различные методы испытаний на разных этапах и при разных типах подложек из АБС-пластика. Методы испытаний приведены в таблице 1.

КИСЛОТЫ И ЩЕЛОЧИ

При визуальном осмотре PVD или гальванически покрытого образца необходимо отметить некоторые аспекты, связанные с испытанием с помощью кислот и щелочей.

  • Образец, покрытый PVD-системой с алюминиевой мишенью можно испытывать с помощью кислоты, при этом на покрытии не должно быть дефектов, однако при проведении данного испытания с растворимыми щелочами возникают некоторые дефекты и повреждения, как видно на рисунке 2.
  • Когда образец с традиционным гальваническим покрытием обрабатывают кислотой, хромовое покрытие исчезает и быстро проявляется желтый цвет никеля. Этот процесс показан на рисунке 3.

Рисунок 2. PVD-покрытие, удаленное растворимыми щелочами.

Рисунок 3. Гальваническое покрытие, удаленное кислотой.

ИСПЫТАНИЕ НА АДГЕЗИЮ И ТВЕРДОСТЬ

Для испытания на адгезию и твердость PVD-покрытых образцов из АБС-пластика использовался метод решетчатого надреза (рисунок 4a). Адгезию и твердость образца можно оценить, исходя из схемы на рисунке 4b.

Рисунок 4а. Решетчатые надрезы на АБС-пластике с PVD-покрытием.

Рисунок 4b. Испытание на адгезию и твердость образца с PVD-покрытием.

Адгезия покрытия на подложке из АБС-пластика составляла 5H. Твердость PVD-покрытия составляла HB-1,5N, а хромированного образца — 2B-0.5N.

Адгезию также оценивали с помощью тепловых циклов при разной температуре в диапазоне от 80 °C до -30 °C. Испытание показало, что, согласно стандартам, PVD-покрытие с алюминиевой мишенью не может достигнуть положительных результатов в различных категориях адгезионных испытаний.

Образец помещали в горячую и холодную камеры при различных термоциклах в течение 1 часа при 20 ±3 °C и в течение 30 мин при 20 ±3 °C. В ходе испытания оценивали образование пузырей, коррозионных язв и деформацию. На рисунке 5 представлен хромированный образец с радужной расцветкой.

Рисунок 5. Радужное окрашивание в ходе испытания тепловыми циклами.

На образце с PVD-покрытием в процессе испытания были обнаружены такие дефекты, как деформация, растрескивание под напряжением, образование пузырей и почернение (см. рисунки 6-8).

Рисунок 6. Растрескивание PVD-покрытия.

Рисунок 7. Образование пузырей на PVD-покрытии.

Рисунок 8. Черная сторона PVD-покрытия.

ВЛАГОСТОЙКОСТЬ

Образец с PVD-покрытием выдерживали в камере для климатических испытаний в течение 30 дней при влажности 95%-100% и температуре 35 °C. Результаты представлены на рисунке 9.

Рисунок 9. PVD-покрытие с дефектами в виде разъедания, растрескивания и почернения

ИСПЫТАНИЕ В СОЛЕВОМ ТУМАНЕ

Испытание в солевом тумане выполняется для оценки коррозионной стойкости покрытия. Все детали из АБС-пластика подвергались стандартному испытанию в медносолевом тумане в течение 120 часов (рисунок 10).

Рисунок 10. Детали из АБС-пластика после стандартного испытания в медносолевом тумане (CASS) в течение 120 часов.

ВЫВОДЫ

Согласно результатам испытаний, покрытие, напыленное из паровой фазы с использованием алюминиевой мишени, без УФ-отверждаемой системы в сравнении с хромовым покрытием обладает как преимуществами, так и недостатками, как отмечается ниже:

  • PVD-покрытие продемонстрировало минимальную термостойкость в процессе испытания тепловыми циклами;
  • во влажной среде покрытие проявило дефект в виде почернения;
  • наблюдалось снижение адгезии, что делает поверхность восприимчивой к царапинам;
  • PVD-покрытие не обладает стойкостью к растворимым щелочам, содержащимся в моющих средствах. В ходе данного испытания покрытие было полностью удалено, однако хромовое покрытие обладало высокой стойкостью в щелочной среде.

Эмад Бехдад, магистр в области материаловедения, Мохаммад Джанатян, представитель технического отдела, Джавад Сахебан, руководитель отдела поставок и разработок, Мохсен Дарзи, менеджер по оценке нового бизнеса. Компания Entekhab Industrial Group (EIG), Тегеран, Иран

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Проблема не всегда в уплотнении
Проблема не всегда в уплотнении
Ненадлежащие условия анодирования могут привести к получению некачественных покрытий и несоответствию стандарту AAMA 611.
Джордж О, Натан Шеффилд
30.06.2020
525
Окончательная отделка поверхностей в аэрокосмической промышленности
Окончательная отделка поверхностей в аэрокосмической промышленности
Спустя 80 лет, мы вспоминаем, какой вклад внесла окончательная отделка в космические проекты NASA.
Кит Эйдшун
11.06.2019
598
Процесс химического никелирования в производстве печатных плат
Процесс химического никелирования в производстве печатных плат
В статье описан способ усовершенствования технологии ENIG покрытия, широко используемого в производстве печатных плат, но…
Гаврилин Г.О
03.11.2020
528
Коррозионностойкие покрытия нового поколения для электроники
Коррозионностойкие покрытия нового поколения для электроники
Необходимость в повышении надежности привела к введению более жестких требований
Роб Скетти
14.09.2021
294
Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности
Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности
В настоящем исследовании была предпринята попытка добиться сверхгидрофобности медной подложки путем травления поверхности при различных…
Кушик Н., Джеймсон Кейшам, Авинаш Пуджары, Латеш, Шанкараппа Калгуди, Павитра Г.П., Сатья Нараян
26.07.2021
256
Исключение шестивалентного хрома из процесса предварительной обработки алюминиевых прутков и листов
Исключение шестивалентного хрома из процесса предварительной обработки алюминиевых прутков и листов
Успешная замена традиционного хроматного конверсионного покрытия на цикл обработки на основе трехвалентного хрома
28.11.2022
48
Как фильтрация и регенерация сказываются на уровне расходов?
Как фильтрация и регенерация сказываются на уровне расходов?
Нестабильная экономическая ситуация и жесткие экологические требования заставляют гальванические производства тщательно следить за расходом химикатов
Ч. Шультц
07.08.2018
928
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Предположим, вы обрабатываете детали в ванне блестящего никелирования Уоттса для автомобильной промышленности, но она, по-видимому,…
Адам Г. Блейкли
07.02.2022
145
Золочение: твердое или мягкое
Золочение: твердое или мягкое
Чтобы правильно определить, какой тип золотого гальванопокрытия лучше подойдет для конкретного применения, необходимо рассмотреть пять…
Мэтт Линдстедт
08.10.2019
1712