Maszyna do powlekania plazmowego ceramiką: wybór procesu, dane techniczne i przewodnik zakupów

Sprzęt do powlekania

Maszyny do powlekania plazmowego ceramiką: dopasowanie procesu do części

Za jednym wyszukiwanym hasłem kryją się dwie różne maszyny, a wybranie niewłaściwej rodziny kosztuje znacznie więcej niż wybranie drogiej.

Narzędziownia, która potrzebuje trzech mikrometrów azotku aluminium i tytanu na frezach walcowo-czołowych o średnicy 8 mm, nigdy nie będzie w stanie tego osiągnąć za pomocą palnika natryskowego plazmowego. Odlewnia pokrywająca dwumetrowe elementy układu wydechowego 250 mikrometrami tlenku cyrkonu również nie osiągnie tego celu w komorze odparowania łukowego. Obydwa procesy to powlekanie plazmowo-ceramiczne, oba są sprzedawane pod tą nazwą i dlatego tak wiele pierwszych ofert jest technicznie poprawnych i nieprzydatnych komercyjnie.

Na pierwszym miejscu jest zasada decyzyjna: przed przeczytaniem jakiejkolwiek wyceny ustal grubość powłoki, granicę temperatury podłoża i geometrię części. Te trzy zmienne niemal natychmiast eliminują jedną rodzinę procesów. Rozmiar komory, liczba katod, stos pomp i cena to szczegóły, które można później negocjować.

Co właściwie plazma robi w komorze

W próżniowym osadzaniu plazmowym plazma nie jest powłoką. Jest środkiem transportu. Katoda jest uderzana przez niskonapięciowy, wysokoprądowy łuk w procesie wielołukowego powlekania jonowego lub bombardowana magnetycznie związanymi jonami gazu podczas rozpylania katodowego, a para opuszcza źródło już zjonizowane. W źródłach łuku katodowego frakcja jonizacji jest na tyle wysoka, że ​​większość tego, co dociera do części, dociera w postaci naładowanych cząstek, a nie obojętnych atomów.

Naładowane cząstki powodują, że film jest gęsty. Ujemne napięcie na uchwycie podłoża, zwykle od 50 do 200 woltów, przyspiesza te jony na powierzchnię energią od kilkudziesięciu do kilkuset elektronowoltów. Uderzenie to spakuje rosnącą warstwę, zamyka porowatość i zakotwicza ją w podłożu. Dodaj reaktywny gaz, a plazma metalu stanie się na powierzchni związkiem ceramicznym: azot dla TiN, CrN i AlTiN, acetylen dla DLC i TiCN, tlen dla tlenku glinu i tlenku cyrkonu.

Ta sama plazma czyści części. Przed rozpoczęciem osadzania etap bombardowania jonami argonu powoduje rozpylenie warstw tlenków i pozostałości na poziomie atomowym. Błędy przyczepności są przypisywane temu etapowi znacznie częściej niż samej powłoce, szczególnie w przypadku stali nierdzewnej i hartowanej stali narzędziowej.

Cytat mówiący tylko o „maszynie do powlekania PVD” kryje w sobie dziesięciokrotną różnicę w grubości folii i kilkusetstopniową różnicę w temperaturze podłoża.

W przypadku ceramiki azotkowej na narzędziach, formach i częściach eksploatacyjnych, wielołukowe powlekanie jonowe pozostaje najważniejszym narzędziem, ponieważ szybkość osadzania jest duża, a energia jonów jest wbudowywana w proces, a nie dodawana później.

Porównanie natryskiwania plazmowego i próżniowego osadzania plazmowego

Obie rodziny są często przedstawiane jako alternatywy. To nie tyle konkurenci, co różne odpowiedzi na różne pytania dotyczące grubości, temperatury i wykończenia.

Obie kolumny, trzecia i czwarta, to procesy próżniowe, ale nie można ich stosować zamiennie. Źródła łuku osadzają się szybciej i utrzymują przyczepność na złożonej geometrii. Źródła rozpylania osadzają się wolniej, ale dają gładsze warstwy i znacznie lepszą kontrolę nad stechiometrią tlenku. Jeśli część wymaga lustrzanego wykończenia lub folia musi być optycznie przezroczysta, wygrywa rozpylanie. Jeśli jest to wiertło lub wkładka formy, łuk zwykle wygrywa pod względem kosztu części.

Specyfikacje do porównania przed podpisaniem

Po ustaleniu rodziny procesów arkusz specyfikacji staje się krótką listą elementów, które naprawdę zmieniają to, co maszyna może zrobić z twoimi częściami.

1. Objętość użytkowa komory, a nie wymiary zewnętrzne. Zapytaj o wysokość stojaka i średnicę obrotu, a następnie sprawdź, jak największa część jest osadzona na uchwycie.
2. Stos pomp i ciśnienie podstawowe. Typowym układem jest obrotowa pompa łopatkowa z dmuchawą korzeniową i pompą dyfuzyjną oleju lub pompą turbomolekularną; osiągalne ciśnienie bazowe wyznacza pułap czystości filmu.
3. Liczba katod, rozmiar celu i materiał celu. Maszyna z trzema katodami i maszyna z dwunastoma katodami kosztują inaczej i mają inną powłokę.
4. Konfiguracja zasilania. Zasilanie łuku dla katod, polaryzacja DC lub impulsowa dla uchwytu podłoża oraz zasilanie średniej częstotliwości lub RF, gdy w grę wchodzą izolujące cele tlenkowe.
5. Rotacja podłoża. Obrót w jednej osi jest tańszy, obrót planet w trzech osiach zapewnia zauważalnie lepszą jednolitość grubości przy mieszanym obciążeniu.
6. Kontrola gazu reaktywnego. Same regulatory przepływu masowego nie wystarczą do pracy z azotkami i tlenkami; kontrola ciśnienia cząstkowego lub monitorowanie emisji plazmy utrzymuje proces poza docelową strefą zatrucia.
7. Rozmiar ładunku i czas cyklu. Części na godzinę mają większe znaczenie niż cena podstawowa, ponieważ robocizna i media skalują się wraz z godzinami, a nie komorami.
8. Dokumentacja i pomiary. Dane dotyczące grubości, twardości, przyczepności i koloru powinny być częścią pakietu akceptacyjnego, a nie przysługą.

W przypadku ceramiki tlenkowej, takiej jak Al2O3, ZrO2 i przezroczyste tlenki przewodzące, specyfikacja odchodzi od twardości w stronę stechiometrii, ponieważ folia musi być poprawna elektrycznie lub optycznie, a nie po prostu odporna na zużycie.

Gdzie gęste folie ceramiczne się zwracają

Ceramiczne folie PVD zarabiają na swojej cenie, gdy nakładają się trzy warunki: zużycie lub korozja skraca żywotność części, wykończenie powierzchni ma znaczenie, a część nie jest w stanie przetrwać temperatur natryskiwania lub linii galwanicznej.

Narzędzia skrawające i formy

Warstwa AlTiN lub TiCN o grubości od 2 do 4 mikrometrów wydłuża żywotność frezów walcowo-czołowych, wierteł i matryc formujących znacznie poza to, co zapewnia stal niepowlekana lub niehartowana, i jest nakładana w temperaturach, które pozostawiają nienaruszoną obróbkę cieplną narzędzia. Arytmetyka jest prosta: jedna maszyna może obrobić tysiące narzędzi miesięcznie za ułamek kosztów nowej celi szlifierskiej.

Części przekładni i maszyn

Łożyska, koła zębate, wrzeciona i wirniki sprężarek śrubowych korzystają z DLC o niskim tarciu lub odpornego na zużycie CrN. Tutaj czynnikiem ograniczającym jest zwykle odpuszczanie. Jeśli część była hartowana w temperaturze 200 stopni Celsjusza, cykl powlekania musi pozostać poniżej tej wartości, co przesuwa specyfikację w stronę łuku lub rozpylania przy ściśle kontrolowanym nagrzewaniu polaryzacyjnym.

Instrumenty medyczne i części dekoracyjne

Ostrza chirurgiczne wymagają powłoki, która nie tępi krawędzi, dlatego praktycznym oknem jest od 1 do 3 mikrometrów. Od strony dekoracyjnej, odporne na odciski palców i kolorowe warstwy ceramiczne na wyrobach sanitarnych, zastawie stołowej, paskach do zegarków i sprzęcie architektonicznym zależą w znacznie większym stopniu od spójności kolorów w poszczególnych partiach niż od maksymalnej twardości.

Koszt, ryzyko i test akceptacji

Próżniowy system plazmowy jest aktywem produkcyjnym, dlatego liczy się koszt za powlekaną część, a nie faktura. Dwie oferty z 40-procentową różnicą cenową mogą się całkowicie odwrócić, jeśli w tych samych obliczeniach uwzględni się wielkość ładunku, czas cyklu i trwałość materiałów eksploatacyjnych.

Umieść test akceptacyjny w umowie i przeprowadź go na własnych częściach, a nie na kuponach demonstracyjnych dostawcy. Działający pakiet obejmuje:

• Grubość folii mierzona na rzeczywistej części za pomocą krateru kulowego lub XRF, z określoną tolerancją, np. plus minus 10 procent.
• Mikrotwardość pod obciążeniem, zwykle HV 0,05 lub HV 0,1, na polerowanym przekroju.
• Przyczepność według wcięcia Rockwella C w skali od HF1 do HF4 lub w teście zarysowania przy określonym obciążeniu krytycznym.
• Różnica koloru mierzona spektrofotometrem, przy Delta E poniżej 1,5 pomiędzy partiami do produkcji dekoracyjnej.
• Właściwości korozyjne, np. godziny pracy w mgle solnej, gdy część będzie obsługiwana lub używana na zewnątrz.
• Trzy kolejne partie produkcyjne na maszynie produkcyjnej, z zarejestrowanymi danymi procesu dla każdej serii.

Jednocześnie potwierdź łańcuch dostaw części zużywalnych. Katody, źródła zasilania łuku, źródła polaryzacji, pompy dyfuzyjne lub turbomolekularne, olej do pomp, tarcze i przewody parujące mają ograniczoną żywotność, a maszyna czekająca trzy miesiące na cel to maszyna, która nie zarabia. Przeglądanie pełen asortyment wyposażenia i materiałów eksploatacyjnych w jednym miejscu, tak aby komora i jej części zamienne uczestniczyły w tych samych negocjacjach.

Nic z tego nie wymaga fizyki głębokiej próżni. Wymaga to podjęcia decyzji, zanim nadejdzie pierwsza wycena, czy część wymaga cienkiej, gęstej folii ceramicznej, czy grubej porowatej warstwy ceramicznej. Każdy inny wybór dotyczący maszyny do powlekania plazmowo-ceramicznego wynika z tej jednej odpowiedzi: geometria komory, liczba katod, stos pomp, kontrola gazu i ostatecznie cena.

Jeśli następnym krokiem będzie zrozumienie, jak proces zachowuje się na rzeczywistych powierzchniach produkcyjnych, ten przegląd jak powlekanie plazmowe zmienia obróbkę powierzchni to praktyczny punkt wyjścia przed rozpoczęciem porównywania ofert.