Модификация различных конструкций, деталей и функциональных элементов зачастую выполняется путем полного изменения структуры материалов. Для этого задействуются средства глубокой термической, плазменной и химической обработки. Но существует и широкий сегмент методов изменения эксплуатационных свойств за счет внешних покрытий. К таким способам относится вакуумная металлизация, благодаря которой можно улучшать декоративные, токопроводящие, отражающие и другие характеристики материалов.
Общие сведения о технологии
Суть метода заключается в напылении частиц металла на рабочую поверхность. Процесс формирования нового покрытия происходит за счет испарения донорских металлов в условиях вакуума. Технологический цикл подразумевает выполнение нескольких стадий структурного изменения целевой основы и элементов покрытия. В частности, выделяются процессы испарения, конденсации, абсорбции и кристаллизации. Ключевой процедурой можно назвать взаимодействие металлических частиц с поверхностью в условиях особой газовой среды. На этом этапе технология вакуумной металлизации обеспечивает процессы диффузии и присоединения частиц к структуре обрабатываемой детали. На выходе в зависимости от режимов напыления, характеристик покрытия и типа заготовки можно получать самые разные эффекты. Современные технические средства позволяют не просто улучшать отдельные эксплуатационные качества изделия, но и с высокой точностью дифференцировать свойства поверхности на отдельных участках.
Наш e-mail: [email protected]
В основе технологии по нанесению металлических покрытий на поверхность деталей и изделий с образованием металлического покрытия
требуемого свойства, реализуемой оборудованием ДИМЕТ, лежит процесс газодинамического напыления металлов на поверхность.
В 80-х годах 20-го века был открыт эффект закрепления твердых частиц при соударении с поверхностью, и образовании покрытия, если частицы разгоняются до сверхзвуковой скорости. Данный эффект послужил основой для разработки технологии газодинамического напыления металлов
, и в дальнейшем серийного выпуска «Обнинским центром порошкового напыления» аппаратов ДИМЕТ.
Оборудование ДИМЕТ сертифицировано по системе ГОСТ РФ. Сертификат соответствия N РОСС RU.ТН02.Н00580.
Базовые элементы технологии
Технология нанесения металлических покрытий
включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение этого материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия.
В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.
Особенности технологии
В наиболее распространенных газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала.
В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть «наращиванием» металла), это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ООО «ОЦПН» оригинальных установок серии ДИМЕТ, не имеющих аналогов в традиционных методах нанесения покрытий.
Сам способ формирования металлизации оборудованием ДИМЕТ заключается в газодинамическом методе, т.е. закрепление твердых металлических частиц, обладающих большой кинетической энергией, на поверхность подложки в процессе высокоскоростного удара.
Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность деталей и изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий
, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ.
Применяемое оборудование
Различают три основные группы машин, используемых для данной технологии. Это оборудование непрерывного, полунепрерывного и периодического действия. Соответственно, они различаются по признаку общей организации обрабатывающего процесса. Агрегаты с непрерывным действием часто используют на серийных производствах, где требуется поточная вакуумная металлизация. Оборудование этого типа может быть одно- и многокамерным. В первом случае агрегаты ориентируются на выполнение непосредственно металлизации. Многокамерные же модели предусматривают и возможность реализации дополнительных процедур – первичной подготовки изделия, контроля, термической обработки и т.д. Такой подход позволяет оптимизировать процесс изготовления. Машины для периодической и полунепрерывной металлизации, как правило, имеют одну основную камеру. Именно в силу нерегулярности производства они используются для конкретной процедуры, а подготовительные операции и тот же контроль качества осуществляются в отдельном порядке – иногда в ручном режиме без автоматизированных линий. Теперь стоит подробнее рассмотреть, из каких узлов состоят такие агрегаты.
Цель меднения металлов и сферы их применения
Медь обладает совокупностью свойств, которые определяют условия ее применения при меднении металлов и неметаллических материалов. Она пластична, легко поддается полировке, а гальванический слой после меднения практически не имеет пор. По этой причине медные покрытия очень часто используют в качестве подслоя при хромировании и никелировании изделий, которые эксплуатируются в условиях постоянных сжатий и растяжений. Пластичность меди является идеальным условием для ее применения в гальванопластике. Толстослойное меднение художественных изделий и сложных моделей позволяет создавать их абсолютно точные копии, которые не трескаются и не деформируются при снятии с оригинала.
Медь обладает лучшей среди недрагоценных металлов электропроводностью и хорошо паяется. Поэтому меднение стальных изделий широко используется в радиотехнике и электротехнике при изготовлении проводников, контактов, деталей антенн и волноводов. В условиях применения высокочастотных сигналов на медное покрытие приходится большая плотность тока (скин-эффект), что снижает общее сопротивление проводника.
Устройство машин для металлизации
Помимо основной камеры, где и происходят процессы напыления, оборудование включает множество вспомогательных систем и функциональных компонентов. В первую очередь стоит выделить непосредственно источники распыляемого материала, коммуникации которых связываются с газораспределительным комплексом. Чтобы установка вакуумной металлизации могла обеспечивать нужные для конкретной задачи обработки параметры, подающие каналы напыления с регуляторами позволяют, в частности, настраивать температурный уровень, скорость направления потоков и объемы. В частности эта инфраструктура формируется натекателями, насосами, клапанами, фланцевыми элементами и прочей арматурой.
В современных установках для той же регуляции рабочих параметров используются датчики, подключенные к микропроцессорному блоку. Учитывая заданные требования и фиксируя текущие фактические значения, аппаратура без участия оператора может корректировать режимы обработки. Также для облегчения процессов эксплуатации оборудование дополняется внутрикамерными системами очистки и калибровки. Благодаря такой оснастке упрощается ремонт вакуумной металлизации машины, поскольку постоянная и своевременная чистка минимизирует риски перегрузок пневмодвигателей, манипуляторов и коммуникационных контуров. Последние и вовсе рассматриваются как расходная часть, замена которой в агрегатах непрерывного действия выполняется в регулярном порядке техобслуживания.
Целевые материалы для металлизации
Прежде всего процедуре подвергаются металлические заготовки, которые могут быть выполнены в том числе из специальных сплавов. Дополнительное покрытие требуется для обеспечения антикоррозийного слоя, повышения качества электрической проводки или же изменения декоративных свойств. В последние годы вакуумная металлизация все чаще используется и применительно к полимерным изделиям. Данный процесс имеет свою специфику, обусловленную характеристиками структуры объектов такого рода. Реже технология применяется в отношении изделий, которые имеют низкие показатели твердости. Это касается древесины и некоторых синтетических материалов.
Сферы применения
Технология обработки поверхностей методом вакуумной металлизации применяется в производстве многих товаров:
- Сантехнической фурнитуры – сильфонов, кнопок смыва и др. Самая распространённая металлизация — алюминием, придающая изделиям хромированный вид.
- Мебельная фурнитура – ручки для мебельных дверок и ящиков, декоративные отделочные детали, вешалки для одежды и др.
- Зеркальные покрытия. Небьющиеся зеркала изготавливаются способом металлизации полимерных плёнок, натянутых на рамки.
- Кожгалантерея – пряжки для ремней, пуговицы, люверсы.
- Упаковочные материалы – крышки для флаконов с парфюмерией, дозаторы косметических средств, декоративные коробочки для бижутерии и др.
- В производстве бижутерии, декоративных сувениров и подобных изделий.
- При изготовлении предметов геральдики – гербов и других предметов.
- Радиоэлектроника – приборные панели телевизоров, крышки мониторов, кнопки и др.
- Микроэлектроника – изготовление интегральных микросхем, полупроводников и других деталей. Обычно применяется напыление меди.
- Автомобильная промышленность – внутренняя светоотражающая часть фар и многие декоративные детали снаружи и внутри машины.
- Светотехнические изделия – для декорации деталей светильников.
Визуально можно сделать имитацию под любой драгоценный или полудрагоценный металл. Вакуумная металлизация придаёт изделиям не только красивые декоративные свойства, но и создаёт защитный слой от коррозии для металлов, износа для других материалов. Металлизация пластмасс позволяет из дешёвых материалов создавать практичные и красивые изделия. Стойкое покрытие обеспечивает долгий срок эксплуатации изделий.
Особенности металлизации пластиков
Напыление на поверхности пластиковых деталей также способно изменить его электрические, физические и химические свойства. Нередко металлизацию используют и как средство повышения оптических качеств подобных заготовок. Главной же проблемой при выполнении таких операций является процесс интенсивного термического испарения, который неизбежно оказывает давление на потоки частиц, напыляющих поверхность элемента. Поэтому требуются специальные режимы регуляции диффузии основного материала и расходуемой массы.
Имеет свою специфику и вакуумная металлизация пластмасс, отличающихся жесткой структурой. В данном случае будет иметь значение присутствие защитных и грунтующих лаков. Для поддержания достаточного уровня адгезии с преодолением барьеров этих пленок может потребоваться повышение энергии термического воздействия. Но здесь же вновь возникает проблема с рисками разрушения пластиковой структуры под влиянием тепловых потоков. В итоге для снятия излишнего напряжения в рабочей среде вводятся модифицирующие компоненты наподобие пластификаторов и растворителей, позволяющих удерживать форму заготовки в оптимальном состоянии независимо от температурного режима.
Ионно-вакуумное напыление
Главным преимуществом данного метода считается отсутствие необходимости очень сильно нагревать испаритель. Металл распыляется под воздействием бомбардировки отрицательно заряженными ионами газа. Создание такой среды возможно благодаря особым разрядам внутри рабочей камеры. Для этого в оборудовании используется магнитная система с охлаждением. Тлеющий разряд для распыления напыляемого элемента создается между 2 электродами благодаря подаче высоковольтного напряжения до 4 кВ. В рабочей камере создается газовая среда с давлением до 0,6 Паскаль. По схожему принципу производится также ионно-плазменное напыление на специализированном оборудовании.
Особенности обработки пленочных материалов
Технологии изготовления упаковочных материалов предусматривают использование металлизации для ПЭТ-пленок. Данный процесс обеспечивает алюминирование поверхности, благодаря чему заготовка наделяется более высокой прочностью и стойкостью перед внешними воздействиями. В зависимости от параметров обработки и конечных требований к покрытию могут применяться разные способы теплоотвода. Поскольку пленка чувствительна к температуре, вводится дополнительная процедура осаждения. Как и в случае с пластиками, она позволяет регулировать термический баланс, сохраняя оптимальную для заготовки среду. Толщина пленок, которые обрабатываются по методу вакуумной рулонной металлизации, может составлять от 3 до 50 мкм. Постепенно внедряются и технологии, обеспечивающие подобные покрытия на поверхностях материалов толщиной 0,9 мкм, но по большей части это пока лишь экспериментальная практика.
Металлизация отражателей
Это тоже отдельное направление использования металлизации. Целевым объектом в данном случае выступают автомобильные фары. Их конструкция предусматривает наличие отражателей, которые со временем утрачивают свои эксплуатационные качества – тускнеют, ржавеют и, как следствие, становятся непригодными к использованию. Кроме того, даже новая фара может получить случайное повреждение, из-за чего потребуется ее ремонт и восстановление. Именно на эту задачу и ориентируется вакуумная металлизация отражателей, обеспечивающая износостойкое напыление на зеркальной поверхности. Заполнение внешней структуры металлизированными частицами с одной стороны ликвидирует мелкие дефекты, а с другой – выступает защитным покрытием, предотвращая возможные повреждения в будущем.
Что защищают металлом
Металлизация может быть различной, и разные металлические пленки используются для автомобильных деталей с целью защиты от коррозии и/или восстановления изношенной детали. Так, металлизации может быть подвергнут весь кузов автомобиля: цинкование значительно увеличит срок его службы, и оцинкованные кузова весьма ценятся среди автолюбителей. Правда, покрыть цинком весь кузов автомобиля довольно затруднительно и дорого, поэтому чаще всего ограничиваются цинкованием наиболее страдающих от коррозии деталей: порогов и крыльев автомобиля. Оцинкованные детали практически не подвержены влиянию окружающей среды, и даже при нарушении лакокрасочного покрытия сохраняют все свои эксплуатационные качества, а коррозия не развивается – разумеется, в том случае, если при этом не разрушен цинковый защитный слой. Хромирование популярно для литых автомобильных дисков – с помощью покрытия хромом можно восстановить эстетику изношенного диска, а также придать ему дополнительную прочность. Также популярна металлизация пластмасс – таких, как колпаки автомобильных дисков, накладки на автомобильные зеркала (в том числе и на зеркало заднего вида), а также разнообразная металлизация пластика для мотоциклов и скутеров. Кроме того, с помощью хромирования, а также покрытием другими металлами, восстанавливают отражатели автомобильной оптики – очень популярная услуга, позволяющая сэкономить автовладельцу довольно существенную сумму на приобретение новой фары.
Организация процесса в домашних условиях
Без специального оборудования можно применить технологию поверхностного химического покрытия, но для вакуумной обработки в любом случае потребуется соответствующая камера. На первом этапе подготавливается сама заготовка – ее следует очистить, обезжирить и при необходимости выполнить шлифование. Далее объект помещается в камеру вакуумной металлизации. Своими руками можно выполнить и специальную оснастку на рельсах из профильных элементов. Это будет удобный способ загрузки и выгрузки материала, если планируется обработка в регулярном режиме. В качестве источника частиц металлизации применяются так называемые болванки – из алюминия, латуни, меди и др. После этого камера настраивается на оптимальный режим обработки и начинается процесс напыления. Готовое изделие сразу после металлизации можно покрыть вручную вспомогательными защитными покрытиями на основе лаков.
На какие поверхности можно наносить
Вообще, металлизировать таким способом можно любые материалы, которые устойчивы к нагреву до +80 и воздействию специальных лаков. А также материалы не должны быть пористыми, чтобы в процессе металлизации в вакуумной камере не выделялся атмосферный или другой газ, что приведёт к некачественному покрытию. К ним относится плохо обработанная керамика, древесина, бетон. Но даже на них можно нанести таким способом декоративные покрытия, если предварительно загрунтовать специальными составами.
Чаще всего сегодня обрабатываются таким способом предметы из пластмасс и металлов. Этот процесс только усиливает их положительные свойства. Напыление наносится на металлические поверхности изделий, состоящие из различных сплавов. При этом создаётся защита от коррозии, изменяются электропроводные свойства металла в сторону повышения, улучшается внешний вид предметов.
Металлизация пластмасс позволяет изготавливать красивые, практичные изделия из дешёвого сырья. В автомобилестроении пластмассовые детали устанавливают для снижения веса. Решётки радиаторов, корпуса, колпаки колёс и другие детали, к которым не требуется обладание повышенной прочностью, изготавливаются из прочных марок пластмасс и обрабатываются под металл.
У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:
- необходимость использования дорогостоящего оборудования,
- большие расходы электроэнергии,
- потребность в просторном производственном помещении для размещения всех приспособлений и для полного технологического цикла изготовления.
Дополнительные расходы средств требуются при этом на технический процесс нанесения дополнительного слоя – защитного лака.
Установки вакуумного напыления представляют собой совокупность устройств, которые последовательно и самостоятельно выполняют ряд функций, необходимых для технологического процесса металлизации.
Основные функции:
- откачка воздуха для получения условий разрежения,
- распыление в определённых условиях металлических частиц на поверхность предметов,
- транспортировка обрабатываемых деталей,
- контроль режимов происходящих процессов вакуумного напыления,
- электропитание и другие вспомогательные приспособления.
Составляющие узлы вакуумной установки:
- Рабочая камера. В ней происходит сам процесс металлизации.
- Источник испаряемых металлов вместе с управляющими и энергообеспечивающими устройствами.
- Системы контроля и управления для регулировки температуры, скорости напыления, толщины плёнки, её физических свойств.
- Откачивающая и газораспределительная система, обеспечивающая получение вакуума и регулировку газовых потоков.
- Системы блокировки рабочих узлов, блоки электропитания.
- Транспортирующее устройство, определяющее подачу-извлечение из вакуумной камеры, смену положений деталей при нанесении металлопокрытия.
- Вспомогательные устройства – заслонки, внутрикамерные манипуляторы, газовые фильтры и др.
Особенности оборудования
Установки для вакуумного процесса нанесения металлического слоя бывают магнетронные и ионно-плазменные. В любых из них необходимо достигать испарения вещества с поверхности металлических болванок, минуя стадию расплава металла.
При сублимационном способе процесс нагрева происходит быстро до температуры испарения, не допуская расплава. Для этого используются нагреватели, способные повышать кинетическую энергию вплоть до разрушения кристаллической решётки. Но некоторые металлы не сублимируют в вакууме, и поэтому с ними стадии расплава не избежать. Поэтому в таких случаях применяются дополнительные системы фильтров.
Способом вакуумного напыления металлического слоя покрываются изделия разных размеров: крупные (до 1 м) и совсем мелкие. Существуют технологии металлопокрытия многометровых тканей и плёнок – они перематываются из одного рулона в другой в процессе напыления в вакуумной камере. Поэтому бывают установки с рабочими камерами разных размеров:
- небольшие – несколько литров,
- крупные – несколько кубометров.
Положительные отзывы о технологии
Метод имеет множество положительных качеств, которые отмечают пользователи готовых изделий в разных областях. В частности указывается на высокие защитные свойства покрытия, которое предотвращает процессы коррозии и механического разрушения основы. Положительно отзываются и рядовые потребители продукции, которая подвергалась вакуумной металлизации с целью улучшения или изменения декоративных качеств. Специалисты же подчеркивают и экологическую безопасность технологии.
Негативные отзывы
К минусам данного метода обработки изделий относят сложность технической организации процесса и высокие требования к подготовительным мероприятиям заготовки. И это, не говоря о применении высокотехнологичного оборудования. Только с его помощью можно получить качественное напыление. Стоимость также входит в список недостатков вакуумной металлизации. Цена обработки одного элемента может составлять 5-10 тыс. руб. в зависимости от площади целевой области и толщины покрытия. Другое дело, что серийная металлизация удешевляет стоимость отдельного изделия.
Приготовление и корректировка электролита
Для приготовления электролита используется дистиллированная вода. Состав готовится непосредственно в ванне хромирования – рассчитанное количество хромового ангидрида растворяют, после чего производится замер количества серной кислоты, попавшей в раствор (хромовый ангидрид имеет незначительные примеси серной кислоты). По результатам анализа в раствор добавляют недостающее количество серной кислоты, раствор тщательно перемешивают. Перед тем как приступить к процессу хромирования электролит проходит проработку током при использовании свинцовых анодов и стальных катодов. Температура процесса подготовки 45-600С, плотность тока такая же, как при хромировании. Подготовка проводится с целью накопления в гальванической ванне 2-3% трехвалентного хрома, что требует от 2-х до 6-ти часов. Содержание трехвалентного хрома не должно превышать указанной величины, так как в обратном случае качество покрытия снижается. Анализ состава электролита проводят обычно не реже одного раза в неделю. При необходимости производится его корректировка. Содержание хромового ангидрида в электролите проверяется каждую смену. Замер удельного веса электролита производят с помощью ареометра, затем, по специальной таблице определяют содержание ангидрида.
Рассмотрим подробнее виды покрытия хромом.
