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 773

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

Покрытия PTFE для анодированного алюминия
Покрытия PTFE для анодированного алюминия
Анализируем различные способы обработки анодных оксидов
Ансельм Кун
17.07.2018
2967
Чистая платина и золото в аддитивном гальваническом процессе
Чистая платина и золото в аддитивном гальваническом процессе
По данным компании, чистое золото и платина превосходно проводят электричество и обладают другими эксплуатационными преимуществами…
05.09.2022
184
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
В работе рассмотрены электрохимичсекие методы модификации поверхности материалов, изделий, инструментов и устройств, применяемых в медицине…
Гольдин М.М., Евсеев А.К., Шапиро А.И., Иванова К.В., Одинокова И.В., Смирнов К.Н.
21.01.2020
1370
Скульптура из бронзы – традиции тысячелетий
Скульптура из бронзы – традиции тысячелетий
Ещё в 3-ем тысячелетии до нашей эры в Месопотамии лили сосуды и скульптуры из бронзы.…
Малков Д. Ю.
28.09.2020
942
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Если толщина покрытия больше заданной, это влияет на внешний вид и долговечность покрытия.
Джозеф Субда
16.11.2020
653
Декоративные особенности текстурированных металлолаковых покрытий
Декоративные особенности текстурированных металлолаковых покрытий
Рассмотрены декоративные особенности поверхности различных металлов после текстурирования и электрохимического тонирования.
Т.В. Ершова, Т.Ф. Юдина, Т. В. Щапова, М.С. Чайка, Ивановский ГХТУ
12.07.2018
881
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Сравнение процесса катодно-механического нанесения покрытий с процессом гальванохонингования демонстрирует существенное принципиальное различие между этими процессами…
Жеско Ю.Е.
09.07.2019
1310
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
284
Разработка и оптимизация технологических схем
Разработка и оптимизация технологических схем
Статья является одной из завершающих в цикле работ автора, посвящённых разработке и путям создания действительно…
Алексеев А.Н.
15.10.2020
645