Anwendungen der Vakuumbeschichtung

Einführung
Vakuum ist eine Umgebung, in der der Gasdruck geringer ist als der Umgebungsdruck. Ein Plasma ist eine gasförmige Umgebung, in der genügend Ionen und Elektronen vorhanden sind, um eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit zu haben. Die Vakuumbeschichtung ist die Abscheidung eines Films oder einer Beschichtung in einer Vakuum- (oder Niederdruckplasma-) Umgebung. Im Allgemeinen wird der Ausdruck auf Prozesse angewendet, bei denen Atome (oder Moleküle) einzeln abgeschieden werden, wie zum Beispiel physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LP-CVD) oder Plasma-verstärkte CVD (PECVD). Bei PVD-Prozessen kommt das abgeschiedene Material aus der Verdampfung einer festen oder flüssigen Oberfläche. Bei CVD-Prozessen stammt das abzuscheidende Material von einer chemischen Dampfvorläuferart, die durch Reduktion oder thermische Zersetzung - meist auf einer heißen Oberfläche - zersetzt wird.

In einigen Fällen reagiert das abgeschiedene Material mit der gasförmigen Umgebung oder einer gleichzeitig abgelagerten Spezies, um einen Film aus einem Verbundmaterial wie einem Oxid, einem Nitrid, Carbid oder einem Carbonitrid zu bilden. Bei der CVD-Verarbeitung ermöglicht die Verwendung eines Plasmas zur Fragmentierung des chemischen Dampfvorläufers in der Dampfphase, dass die Zersetzungs- oder Reduktionsprozesse bei niedrigeren Temperaturen ablaufen als bei einer thermischen Aktivierung allein. PECVD kann bei so niedrigen Drücken durchgeführt werden, wie sie bei der PVD-Verarbeitung (Niederdruck-PECVD, LP-PECVD) verwendet werden, wobei der Vorläuferdampf hauptsächlich im Plasma zersetzt wird. In einigen Fällen wird ein Hybridabscheidungsprozess von PVD und LP-PECVD verwendet, um Legierungen, Verbundstoffe oder Verbindungen abzuscheiden. Ein Beispiel sind Metallcarbonitride, bei denen der Kohlenstoff von einem chemischen Dampfvorläufer wie Acetylen stammt; der Stickstoff kommt von einem Gas; und das Metall aus der Verdampfung, Zerstäubung oder Lichtbogenverdampfung einer festen oder flüssigen Oberfläche.

Dekorative und dekorative / Wear Coatings
Metallisierung für rein dekorative Zwecke ist ein großer Markt. Die Anwendungen variieren von Beschichtungspolymerbahnen, die dann in dekorative Anwendungen wie Ballons und Etiketten umgewandelt werden, bis zur Metallisierung von dreidimensionalen Gegenständen, wie Sporttrophäen, Zinkdruckguss- und geformten Polymerdekorationsvorrichtungen und Kosmetikbehältern. Oft bestehen diese Beschichtungen aus einer reflektierenden Aluminiumbeschichtung, die auf einer glatten Grundschicht abgeschieden und dann mit einem gefärbten Lack überzogen wird, um der Beschichtung die gewünschte Farbe und Textur sowie Korrosions- und Verschleißfestigkeit zu verleihen.

In einigen Anwendungen muss die Beschichtung zusätzlich zu den dekorativen Aspekten der Beschichtung Verschleiß standhalten. Zum Beispiel ist Titannitrid (TiN) goldfarben und Titancarbonitrid (TiCxNy) kann abhängig von der Zusammensetzung in der Farbe von Gold zu Purpur bis Schwarz variieren. Zirkoniumnitrid (ZrN) hat die Farbe von Messing und ist viel verschleiß- und kratzfester als Messing. Dekor- / Verschleißbeschichtungen werden an Türbeschlägen, Armaturen, Modeartikeln, Schiffshardware und anderen derartigen Anwendungen verwendet.

Harte und verschleißfeste Beschichtungen
Hartbeschichtungen werden oft als metallurgische Beschichtungen bezeichnet und sind eine Art von tribologischer Beschichtung. Die harten Beschichtungen werden verwendet, um die Schneidleistung und die Betriebslebensdauer von Schneidwerkzeugen zu erhöhen und um die Maßtoleranzen von Komponenten zu erhalten, die in Anwendungen verwendet werden, in denen Verschleiß auftreten kann, wie zum Beispiel Spritzgussformen. Darüber hinaus können die Beschichtungen als Diffusionsbarriere wirken, wenn hohe Temperaturen durch Bewegungen zwischen Oberflächen oder Korrosionsschutz in aggressiven Umgebungen erzeugt werden. Es gibt verschiedene Klassen von harten Beschichtungsmaterialien. Dazu gehören: ionisch gebundene Metalloxide (Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ und TiO ₂ ), kovalent gebundene Materialien (SiC, Bor-Kohlenstoff [B4C], Diamant, diamantähnlicher Kohlenstoff [DLC], TiC, AlN, CrC, gemischte Karbid-, Nitrid- und Carbonitridverbindungslegierungen und kubisches Bornitrid) und einige Metalllegierungen (Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium [CoCrAlY], NiAl, NiCrBSi). In einigen Fällen können die Beschichtungen geschichtet sein, um Eigenschaften zu kombinieren.

Hartbeschichtungen werden auch verwendet, um Ermüdungsabnutzung, wie sie in Kugellagern auftritt, zu minimieren. Verschleißfeste Beschichtungen können auch auf Oberflächen aufgebracht werden, auf denen eine leichte oder periodische Belastung auftritt. Zum Beispiel werden harte Beschichtungen auf Kunststoffen abgeschieden, um die Kratzfestigkeit zu verbessern. Anwendungen sind auf geformten Kunststofflinsen und Kunststoff-Flugzeug-Überdachungen. In einigen Fällen können Verschleißbeschichtungen, wie SiO ₂ oder Al ₂ O ₃ , auf bereits harte Oberflächen, wie Glas, aufgebracht werden, um die Kratzfestigkeit zu erhöhen.

Korrosionsschutzbeschichtungen
Der Schutz vor einer aggressiven chemischen Umgebung kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Die Oberfläche kann mit einem inerten Material oder mit einem Material beschichtet sein, das eine schützende Oberfläche bildet, nachdem es mit der Umgebung reagiert hat oder mit einem Material, das zum Schutz des darunter liegenden Materials aufopferungsvoll entfernt wird. Tantal, Platin und Kohlenstoff sind in vielen chemischen Umgebungen inert. Zum Beispiel werden Kohlenstoffbeschichtungen auf Metallen verwendet, die in den menschlichen Körper implantiert werden, um Kompatibilität bereitzustellen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Teile mit dem PVD-Verfahren der Ionendampfabscheidung (IVD) mit Aluminium beschichtet, um die galvanische Korrosion ungleicher Materialien in Kontakt zu verhindern.

Chrom, Aluminium, Silizium und die MCrAlY (wobei M Ni, Co, Fe) ist, werden mit Sauerstoff reagieren, um eine kohärente schützende Oxidschicht auf der Oberfläche zu bilden. Wenn die Metallionen (Fe, Cu) schneller als der Sauerstoff durch das Oxid diffundieren, bildet sich ein dickes Oxid auf der Oberfläche. Wenn der Sauerstoff schneller durch das Oxid diffundiert als die Metallionen (Al, Si, Ti, Zr - die "Ventil" -Metalle), tritt Oxidation an der Grenzfläche auf und ein dünnes Oxid wird gebildet. Die MCrAlY-Legierungsbeschichtungen werden als Schutzbeschichtungen an Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken verwendet. Cadmium, Aluminium und Al: Zn-Legierungen werden als galvanische Opferschichten auf Stahl verwendet. Vakuum-Cadmium ("vac cad") - Plattierung hat den Vorteil gegenüber elektroplattiertem Cadmium, dass es keine Möglichkeit der Wasserstoffversprödung von hochfestem Stahl gibt, wenn Vakuumbedampfungsverfahren verwendet wird.