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
