Вакуумная установка – разнообразие установок вакуумного напыления УВН. Сфера применения вакуумных литейных установок

Для изменения основных свойств металла, пластика, керамики или других материалов может проводиться процесс металлизации. Вакуумная металлизация – один из наиболее распространенных методов напыления металла, за счет чего образуется защитная поверхность с определенными свойствами, несвойственными подложке. Рассмотрим особенности технологии вакуумной металлизации подробнее.

Технологический процесс вакуумной металлизации

Рассматриваемый метод обработки деталей применяется достаточно давно. Вакуумная металлизация – процесс, основанный на испарении и выпадении конденсата материала на подложку. Среди особенностей данного процесса следует отметить нижеприведенные моменты:

1. Универсальность и высокая эффективность метода определяет его большое распространение. В будущем ожидается более обширное применение процесса металлизации полимерных и других материалов. Развитие рассматриваемого метода обработки связывают с совершенствованием используемого оборудования. Так современные вакуумные установить позволяют автоматизировать процедуру металлизации деталей, повысить качество получаемых поверхностей, снизить себестоимость получаемых изделий. Единственное препятствие на пути развития данной отрасли – высокая стоимость современного оборудования и возникающие сложности при его установке, использовании и обслуживании.
2. Технологический процесс вакуумной металлизации достаточно сложен, на результате отражается условие проведения каждого этапа. При нагреве материала, который должен стать будущим покрытием, он претерпевает большое количество изменений. Примером можно назвать то, что изначально покрытие испаряется, затем происходит адсорбция, после чего выпадение конденсата и кристаллизация для закрепления слоя на поверхности.
3. На качество получаемого результата оказывает воздействие достаточно большое количество факторов, среди которых отметим физико-химические качества подложки, выдерживаемые условия проведения металлизации.
4. Образование напыляемого покрытия при металлизации происходит в два основных этапа: перенос энергии и массы от источника к поверхности и их распределение по всей подложке.

Установка для вакуумной металлизации

Технология вакуумной металлизации подходит для обработки самых различных деталей. В качестве примера можно привести рулонные материалы из пластика или пластмассы.

Типовая технология состоит из нескольких основных этапов:

1. Подготовка детали к проводимому процессу. Среди требований, которые предъявляются к детали можно отметить отсутствие острых кромок и скрытых участков от прямолинейного попадания конденсата. Вакуумная металлизация пластмасс или других материалов возможна только в том случае, если фора заготовки не сложная.
2. Обезжиривание и сушка. Некоторые материалы могут содержать большое количество адсорбированной влаги, к примеру, полимеры. Сушка проводится при температуре около 80 градусов Цельсия, время выдержки составляет 3 часа. Обезжиривание уже проводится в вакуумной камере на подготовительном этапе. Технология обезжиривания предусматривает разматывание рулона и воздействие тлеющего разряда. Как показывают результаты проведенных исследований, выполнение отжига на стадии подготовки полимеров благоприятно сказывается на структуре рассматриваемого материала, так как существенно снижается показатель внутреннего напряжения. Вакуумная рулонная металлизация должна проводится с исключением вероятности образования складок на этапе подготовке заготовки, так как их можно назвать дефектов.
3. Этап активационной обработки поверхности. Вакуумная металлизация пластика и других материалов предусматривает активацию поверхности. При этом могут использоваться самые различные методы активации, выбор которых зависит от качеств самого материала. Данный процесс предназначен для повышения показателя адгезии поверхности.
4. Нанесение вещества на поверхность. В большинстве случае вакуумная металлизация алюминия или другого сплава проходит при применении резистивного метода испарения при условии воздействия температуры. Вольфрамовая технология испарения применяется намного реже, так как предусматривает нагрев среды до небольшой температуры, в результате чего испаритель разрушается за минимальные сроки.
5. Заключительный этап касается контроля качества металлизации. Если наносимый слой носит декоративный характер, то в большинстве случаев контроль качества заключается в регистрации оптических свойств. Кроме этого уделяется внимание равномерности напыления, прочности соединения поверхностного слоя и структуры.

Результат вакуумной металлизации

Технология вакуумной металлизации пластмасс и других материалов сложна, для получения качественной поверхности нужно соблюдать все условия обработки.

Область применения вакуумной металлизации

При рассмотрении области применения данной технологии отметим, что она может применяться для покрытия следующих материалов:

1. пластика;
2. алюминия;
3. различных полимеров;
4. стекла;
5. керамики;
6. металлов.

Наибольшее распространение получила металлизация пластмассовых изделий. Это связано с тем, что подобным образом изделие из дешевого пластика приобретает более привлекательный вид.

Если нужно сэкономить на производстве, но при этом обеспечить высокие декоративные качества, проводится напыление алюминия или других металлов.

Примером назовем изготовление деталей автомобилей, которые используются при отделке салона. Китайские и японские автопроизводители давно начали применять рассматриваемую технологию для удешевления своих автомобилей. При этом применение вакуумной металлизации проводится не только в декоративных целях, за счет более высокой прочности поверхностного слоя детали служат дольше, снижается степень трения. Однако металлизация не позволяет повысить прочность всего полимерного изделия.

Данная технология применяется и при производстве различных вещей, применяемых в быту, недорогих украшений. Большое распространение связано с тем, что поверхностный слой не истирается на протяжении длительного периода эксплуатации. Ранее применяемые технологии напыления не предусматривали создание высокой адгезии между подложкой и декоративным покрытием.

Преимущества вакуумной металлизации

У данной технологии есть довольно большое количество преимуществ:

1. Возможность автоматизации процесса. Как ранее было отмечено, устанавливаемое оборудование позволяет максимально автоматизировать рассматриваемый процесс, за счет чего снижается вероятность появления дефектов из-за ошибки человека.
2. Получаемая поверхность будет равномерной, что обеспечивает привлекательный вид и высокие эксплуатационные качества детали. Как правило, после металлизации поверхность полимеров напоминает шлифованный металл.
3. При соблюдении технологии напыления поверхностный слой может прослужить в течении многих лет. Этап контроля качества позволяет исключить вероятность откалывания поверхностного напыляемого слоя или его быстрое истирание.
4. Подобным образом можно придать изделию самые различные качества: коррозионную стойкость, электрическую проводимость, уменьшить степень трения, повысить твердость поверхности. В большинстве случаев вакуумная металлизация применяется для декорирования деталей.
5. Основные эксплуатационные качества подложки остаются практически неизменными. Нагрев материала при этапе просушки проходит до температуры, которая не приведет к перестроению его структуры.
6. Технология может применяться на финишном этапе изготовления детали. При правильном выполнении всех этапов проводить доработку обрабатываемых деталей не нужно.

Если рассматривать недостатки, то следует отметить сложность процесса перехода напыляемого вещества из одного состояния в другой. Обеспечить требуемые условия можно исключительно при установке специального оборудования. Поэтому своими руками провести вакуумную металлизацию с обеспечением высокого качества поверхности практически не возможно.

В заключение отметим, что даже небольшая толщина металлического слоя на полимерном покрытии способна придать полимерам металлический блеск и электропроводность, защитить структуру от воздействия солнечного света и атмосферного старения. При этом создаваемый слой может иметь толщину всего несколько долей миллиметра, за счет чего вес изделия остается практически неизменным. Кроме этого вакуумная металлизация позволяет получить совершенно уникальный материал, который будет обладать гибкостью и легкостью, а также свойствами, которые присущи металлам.

Напыление вакуумное является переносом вещества (его частиц), которое напыляют, на твердую поверхность. Оно осуществляется способом конвективного перемещения с давлением около 1 Па. При напылении каждая частица ведет себя совершенно по-разному. Некоторые способны отразиться от напыляемой поверхности, другие - приспособиться, но через какое-то время вовсе покинуть поверхность. И только небольшая часть сможет прижиться в теле опыляемого вещества, поэтому установка вакуумного напыления представляет собой достаточно сложное оборудование. Если использовать большую энергию вместе с высокой температурой, но при этом иметь маленькое химсродство материала, то большинство частиц будет отражено поверхностью.

Особенности установки вакуумного напыления

Температура, выше которой отражается весь объем частиц напыления, а также частицы, не способные взаимодействовать с веществом, именуется критической температурной точкой напыления вакуумом. Нужно внимательно следить во время осуществления напыления, чтобы отметка температуры не достигла максимально недопустимой величины.

Данная величина полностью зависима от происхождения материала, характеристики рабочей поверхности, ее состояния. Поэтому, чтобы было возможно использовать наибольшую величину температуры, когда происходит установка вакуумного напыления, необходимо хорошее состояние рабочей плоскости, тогда пленка вещества будет сделана достаточно профессионально и прочно.

Использование пленок в установке вакуумного напыления

Также существует понятие критической плотности давления. Критическая плотность давления - это минимальная величина плотности, при которой пленка адсорбируется и становится не способной принимать частицы напыления. Главная задача напыления - не достигнуть величины такой плотности, при какой вещество на которое наносят опыляемые частицы, не принимает их из-за своих плохих технических свойств.

Пленки по своей структуре разделяют по качеству напыления, техническим характеристикам и происхождению материала. Пленки бывают:

Аморфными;
- монокристаллическими;
- поликристаллическими.

Аморфные - это те пленки, которые имеют стеклообразное напыление. Монокристаллические пленки имеют более твердую поверхность и по своим функциям практически являются полупроводниками. К поликристаллическим пленкам относят сплавы, металлы и Si. Когда происходит установка вакуумного напыления, то преимущественно используются монокристаллические пленки, так как они имеют наилучшие технические характеристики и способны переносить достаточно большие нагрузки при эксплуатации.

Принцип работы установок вакуумного напыления

Для сохранения технических свойств, характеристик напыления вакуумом, после процедуры напыления используют отжиг (не нарушая вакуум) при воздействии высокой температуры, потому как такая процедура достаточно хорошо помогает сохранить полезные свойства напыляемых материалов. Температура данного отжига в несколько раз превышает температуру, при какой происходило напыление вакуумом.

Когда происходит установка вакуумного напыления, специалисты пытаются создать поверхностную структуру из одного или нескольких материалов, которые способны сделать ее гораздо лучше и эффективнее. При вакуумном напылении, в зависимости от способа нанесении пленки, используют способы периодического, полунепрерывного и непрерывного воздействия. Наиболее удобным и эффективным является непрерывный способ воздействия.

Установки вакуумного напыления включают в себя много функций. Сначала создается вакуум, затем - распыляется и испаряется пленочный материал, осуществляется транспортировка деталей, подача электропитания и осуществление контроля режима вакуумного напыления, равно как и режима свойств пленок.

Устройство установки вакуумного напыления

Как правило, все оборудование этого типа имеет схожую конструкцию, состоящую из ряда элементов. Основным рабочим органом можно назвать горизонтальную камеру, в которой и происходит напыление, благодаря размещенному в ней технологическому устройству. Обеспечить требуемый вакуум призваны газораспределительная и откачная системы. К важным рабочим узлам оборудования относятся, в том числе, источники, обеспечивающие испарение или распыление обрабатываемых материалов.

Любая установка вакуумного напыления имеет систему электропитания и блокировки рабочих элементов, отвечающих за включение/отключение оборудования. Шкаф питания располагают в стороне от оборудования. Необходимую скорость нанесения напыления на пленки, их толщину, температуру деталей и рабочую температуру, и прочие показатели регулирует предустановленная система контроля и управления. Все датчики, относящиеся к этой системе, связаны между собой единым микропроцессором.

Установки снабжаются и специальными элементами транспортировки, с помощью которых осуществляется доставка деталей в камеру или вывод из неё. Различные вспомогательные устройства установок вакуумного напыления, включающие в себя экраны, манипуляторы, заслонки, установленные внутри рабочей камеры, устройства очистки газов и прочие элементы также являются неотъемлемой частью оборудования. Обрабатываемые материалы расположены на подложках, которые вращаются вокруг барабана на специальных держателях. За один оборот барабана каждая подложка проходит зону испарения разными сторонами.

Обработка поверхностей методом вакуумного напыления металлами позволяет усилить положительные характеристики изделий из различных материалов. Металлические детали защищаются от коррозии, лучше проводят электричество, становятся более эстетичными внешне. Металлизация пластиковых изделий позволяет получить качественные и красивые детали из более легких и дешевых материалов. Это особенно актуально для автопромышленности, потому как металлизация пластиковых комплектующих позволяет значительно снизить вес автомобилей. А металлизированный мех придает шубе эксклюзивность, неповторимость и является новым трендом сезона.

В компании «Альфа-К» можно заказать вакуумное металлическое напыление для изделий из различных материалов, в том числе и меха.

Методы

Суть технологии заключается в том, что в условиях вакуума на специальном оборудовании переносятся мельчайшие металлочастицы на рабочую поверхность заготовки. В процессе формирования покрытий исходный металл испаряется, конденсируется, абсорбируется и кристаллизуется в газовой среде, создавая стойкое покрытие. В зависимости от типа заготовки, свойств металлической пленки и выбранного режима напыления получаются самые разнообразные эффекты. Напылить можно практически любой металл: алюминий, никель, хром, медь, бронза, золото, титан, пр. С учетом специфических свойств и особенностей, под каждый металл требуются различные режимы и технические приемы. Например, из-за низкой износостойкости особой технологии требует вакуумное напыление алюминия. Вот почему в нашей компании работают исключительно высококвалифицированные и опытные специалисты. Металлизация проводится разными способами.

Вакуумно-плазменное

В таких системах под неким давлением газа металлизированное покрытие создается путем сильного нагрева источника металла, вследствие чего происходит его испарение, и частицы оседают на заготовку. Камера может быть металлической, стеклянной, обязательно с системой водяного охлаждения. Для нагревания напыляемого элемента используют такие испарители:

• проволочный либо ленточный вольфрамовый или молибденовый испаритель прямого накала;
• электронно-радиальный, создающий нагрев с помощью электрической бомбардировки.

В соответствии с исходным металлом или сплавом, который необходимо напылить на деталь, выставляется температура нагрева в теплообменнике, она может достигать 20 тыс. °С. Если у напыляемого металла не очень хорошая адгезия с материалом заготовки, сначала наносится первичный слой из металла с более высокими адгезионными свойствами.

Ионно-вакуумное

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 вакуумное ионно-плазменное напыление на специализированном оборудовании.

Поверхности, пригодные для напыления

Любые предметы, способные выдерживать нагрев до 80 °С и воздействие специализированных лаков. Достоинством технологии является то, что для придания изделиям эффекта медных покрытий, зеркального хромирования, золочения, никелирования не нужно предварительно полировать поверхности. Чаще путем вакуумной металлизации покрывают детали из пластика, стекла, металлических сплавов, различные полимерные и керамические изделия. Реже, но все же технология используется для более мягких материалов, таких как древесина, текстиль, мех.

Обработка металлических заготовок и изделий из металлосплавов благодаря хорошей совместимости основания и покрытий не требует использования дополнительных расходных материалов. В то время как полимеры необходимо грунтовать предварительно защитными и адгезионными составами. Для предотвращения деформации полимерных заготовок и снижения напряжения в рабочей среде во время вакуумной металлизации используют специальные модифицирующие компоненты и режимы диффузии материала.

Этапы металлизации

Технологический процесс вакуумного напыления металла на различные изделия включает несколько последовательных этапов:

• Подготовка детали. Важно, чтобы заготовка имела максимально простую форму, без труднодоступных для оседания конденсата мест.
• Нанесение защиты. На полимерные основы, содержащие низкомолекулярные наполнители, необходимо нанести антидиффузионное покрытие.
• Сушка. В течение 3 часов детали сушатся при 80 градусах по Цельсию, что позволяет удалить впитавшуюся влагу.
• Обезжиривание. В вакуумной камере с помощью тлеющего разряда заготовка обезжиривается. Это особенно хорошо влияет на структуру полимеров.
• Активационная обработка. Способ обработки выбирается в зависимости от материала изделия, необходимо это для повышения адгезии поверхности перед металлизацией.
• Напыление металла. Путем конденсации создается металлизированный слой на заготовке.
• Контроль качества покрытия. Декоративные детали осматриваются на предмет равномерности напыления и его прочности. Технические изделия испытываются дополнительно с помощью липкой ленты, ультразвуковых колебаний, трения и т.д.

Установки металлизации - довольно сложное и дорогое оборудование, потребляющее много электричества. Для создания комплексного технологического цикла требуется довольно просторное помещение, так как разместить следует несколько разнофункциональных устройств. Основные узлы вакуумной системы:

• Блок энергообеспечения и управления в совокупности с источником конденсируемых металлов.
• Газораспределительная система, создающая вакуумное пространство и регулирующая потоки газов.
• Рабочая камера для проведения вакуумной металлизации.
• Блок термического контроля, управления толщиной и скоростью напыления, свойствами покрытий.
• Транспортирующий блок, отвечающий за изменение положения заготовок, их подачу и изъятие из камеры.
• Устройства блокировки узлов, газовые фильтры, заслонки и прочее вспомогательное оборудование.

Магнетронное и ионно-плазменное вакуумное оборудование бывает разных габаритов, от небольших, с камерами в несколько литров до весьма крупных, с объемом камер в несколько кубических метров.

Компания «Альфа-К» располагает достаточными производственными мощностями и соответствующим оборудованием для обеспечения различных способов вакуумного напыления. У нас можно заказать ионно-плазменное покрытие изделий из любых материалов такими металлами, как титан, медь, алюминий, латунь, хром, различные сплавы и пр. Гарантируем высокое качество работы и лояльные цены.

Существует много способов поверхностей, и к одним из основных относится вакуумная металлизация. Предметов с таким покрытием вокруг множество. Даже предметы из обычного пластика можно сделать похожими на металлические – с помощью этой технологии напыления металла они приобретут красивую серебристую или золотистую поверхность.

Понятие о вакуумной металлизации

С помощью такой технологии происходит обработка поверхностей изделий путём переноса мелких металлических частиц в вакууме. Они покрывают изделия плотным слоем. Для этого используется специальное оборудование, довольно дорогостоящее, для которого необходимо подходящее производственное помещение. В небольшой мастерской такой процесс работы не выполнить.

Вакуумная металлизация широкое применение получила сравнительно недавно, но уже показала, что этот способ, несмотря на использование дорогого оборудования, намного дешевле гальванического нанесения, а по сравнению с лакокрасочными покрытиями слой значительно насыщенней и поверхность получается более красивая.

На какие поверхности можно наносить

Способом вакуумного напыления металла можно покрывать предметы из металлов, керамики, стекла, пластмасс. При этом, в отличие от гальванического нанесения, для создания эффекта глянцевого хромирования, меднения, золочения, поверхностей не требуется предварительная полировка деталей.

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 , 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.

Оборудование для вакуумной металлизации

У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:

Аппарат для нанесения покрытий - схема

• 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.

Технологический процесс

Вакуумная металлизация, основанная на испарении и выпадении частиц металла на подложку, представляет собой ряд последовательно происходящих процессов. Они довольно сложные.

Металл при нагревании перед тем, как стать покрытием, претерпевает целый ряд изменений. Вначале он испаряется, затем адсорбируется, после этого выпадает конденсатом и кристаллизуется на поверхности, с образованием металлической плёнки. Каждый процесс довольно сложный.

На качество готового изделия влияют многие факторы. Главные из них – физико-технические характеристики материалов заготовок и выдерживаемые условия процесса металлизации. Образование слоя покрытия происходит в два основных этапа. Это перенос массы и энергии от источника и их равномерное распределение по поверхности обрабатываемого изделия.

Этапы выполнения вакуумной металлизации

Напыление металла на поверхности изделий методом вакуумной металлизации производится по технологии, состоящей из нескольких этапов:

• Деталь подготавливается к процессу нанесения покрытия. Для этой цели подходят только заготовки несложных форм, которые не имеют острых углов или участков, труднодоступных для прямолинейного попадания конденсата.
• Процесс нанесения защитного слоя. На полимеры с содержанием низкомолекулярных наполнителей предварительно наносятся слои антидиффузионных лаковых покрытий.
• Сушка и обезжиривание. Заготовки проходят этап сушки адсорбированной влаги в течение трех часов при температуре +80 .
• Процесс обезжиривания происходит уже на подготовительном этапе в вакуумной камере путём воздействия тлеющего разряда.
• Проведение отжига на этой стадии особенно благоприятно для полимерных материалов – положительно сказывается на их структуре, снижается при этом внутреннее напряжение.
• Проводится активационная обработка перед нанесением металлического слоя на поверхность для повышения её адгезии. Используемые методы зависят от материала заготовки.
• Нанесение металлического покрытия. При этом слой покрытия формируется путём конденсации пересыщенных паров металлов на холодную поверхность заготовки.
• Затем проводится контрольная проверка качества металлического слоя. Для декоративных изделий она заключается в осмотре поверхности с определением прочности и равномерности слоя. Для технических деталей используются дополнительные испытания. На практике применяются методы отслаивания липкой лентой, истирание, разрушение УЗ колебаниями и др.

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.

Выводы

По времени использования наибольший срок сохранения декоративного слоя у предметов, находящихся в закрытых помещениях. Те, что часто подвергаются атмосферным воздействиям, могут со временем повреждаться. Но для их защиты обычно используются специальные лаковые слои, которые продлевают срок службы таких изделий. К преимуществам покрытий вакуумным способом относится их экологичность, по сравнению с другими аналогичными технологиями.

Здравствуйте, друзья.

Итак, история началась немного ранее, когда у нас появилась вакуумная камера. Путь её к нам был неблизок и может быть описан отдельным рассказом, но это, как говорится, «совсем другая история». Скажу только, что ещё раньше она приносила людям какую-то пользу в одной из лабораторий Гёттингенского университета.

Первое, на чём мы начали эксплуатировать вакуумную камеру, стало испробывание способа термического осаждения металлов на подложки. Способ прост и стар, как мир. В молибденовый тигель помещается мишень распыляемого металла, например, серебра. Вокруг него размещён нагревательный элемент. Мы использовали проволоку из вольфрамрениевого сплава, которую наматывали в виде спирали.

Полностью устройство для термического напыления выглядит следующим образом:

Оснастка для термического напыления металлов. а. В сборе (защитный экран и задвижка сняты). Обозначения: 1 – тигель, 2 – нагревательный элемент, 3 – паропровод, 4 – токоподвод, 5 – термопара, 6 – рамка для образца.

После пропускания тока (в вакуумную камеру идёт через гермовводы) спираль раскаляется, нагревает лодочку, в которой также нагревается материал мишени и испаряется. Облако металлического пара поднимается по паропроводу и окутывает тело, на которое необходимо осадить металлическую плёнку.

Сам по себе способ простой и хороший, однако есть и минусы: большое энергопотребление, трудно располагать в облаке пара поверхности (тела), на которые нужно осаждать плёнку. Адгезия тоже не самая лучшая. Наносили на разные материалы, в том числе на металлы, стекло, пластик и др. В основном - для исследовательских целей, поскольку мы только осваивали вакуумное оборудование.

Теперь настал черёд рассказать про вакуумную систему. Эксперименты мы проводили в вакуумной камере, оснащенной вакуумной системой, состоящей из роторного форвакуумного и турбомолекулярного насоса и обеспечивающей остаточное давление 9,5 10 -6 – 1,2 10 -5 мм.рт.ст.
Если на первый взгляд кажется, что она не сложная, то на самом деле это не так. Во-первых, сама камера должна иметь герметичность, необходимую для поддержания высокого вакуума. Это достигается применением герметизации всех функциональных фланцев и отверстий. Верхний и нижний фланцы-крышки имеют такие же, по-принципу, резиновые уплотнения, как и самые малые отверстия, предназначенные для установки окон, датчиков, устройств, гермовводов и др. фланцевых крышек, только диаметром гораздо большим. Например, для надежной герметизации такого отверстия

Требуется фланец, прокладка и крепеж, как на этой фотографии.

Вот этим датчиком производится измерение вакуума в камере, сигнал с него поступает на прибор, который показывает уровень высокого вакуума.

Вакуум необходимого уровня (например 10-5 мм.рт.ст.), достигается следующим образом. Вначале форвакуумным насосом откачивается низкий вакуум до уровня 10-2. По достижении этого уровня включается высоковакуумный насос (турбомолекулярный), ротор которого может вращаться со скоростью 40 000 об/мин. При этом форвакуумный насос продолжает работать - он откачивает давление из самого турбомолекулярного насоса. Последний является довольно капризным агрегатом и его «тонкое» устройство и сыграло определенную роль в этом повествовании. Мы используем японский турбомолекулярный насос фирмы Osaka vacuum.

Откачиваемый из камеры воздух с парами масла рекомендуется сбрасывать в атмосферу, поскольку мелкодисперсные капельки масла могут «забрызгать» все помещение.

Разобравшись с вакуумной системой и отработав термическое напыление мы решили опробовать другой способ нанесения пленок - магнетронный. У нас был длительный опыт общения с одной крупной лабораторией, которая нам наносила функциональные нанопокрытия для некоторых наших разработок как раз способом магнетронного напыления. Кроме того у нас имеются довольно тесные связи с некоторыми кафедрами МИФИ, МВТУ и других вузов, которые также помогали нам освоить эту технологию.

Но со временем мы захотели использовать побольше возможностей, которые предоставляет вакуумная камера.

В скором времени у нас появился небольшой магнетрон, который мы и решили приспособить для нанесения пленок.

Именно магнетронный вакуумный метод напыления тонких металлических и керамических пленок считается одним из самых производительных, экономичных и простых в эксплуатации среди всех физических методов напыления: термического испарения, магнетронного, ионного, лазерного, электронно-лучевого. Магнетрон устанавливается в один из фланцев, как удобно для использования. Однако для напыления этого еще недостаточно, поскольку он требует подведения определенного напряжения, охлаждающей воды, а также газов для обеспечения поджига плазмы.

Теоретический экскурс

Упрощённо, магнетрон устроен следующим образом. На основании, которое одновременно служит магнитопроводом, помещены сильные магниты, которые образуют сильное магнитное поле. С другой стороны магниты закрываются металлической пластиной, которая служит источником распыляемого материала и называется мишенью. На магнетрон подается потенциал, а на корпус вакуумной камеры - земля. Разница потенциалов, образуемая между магнетроном и корпусом камеры в условиях разряженной атмосферы и магнитного поля приводит к следующему. Атом плазмообразующего газа аргона попадает в действие силовых линий магнитного и электрического поля и ионизируется под их действием. Выбившийся электрон притягивается к корпусу камеры. Положительный ион притягивается к мишени магнетрона и, разогнавшись под действием силовых линий магнитного поля, ударяется о мишень, выбивая из нее частицу. Та вылетает под углом обратным тому углу, под которым в мишень попал ион атома аргона. Частица металла летит от мишени в сторону расположенной напротив нее подложки, которая может быть сделана из любого материала.

Наши вузовские друзья изготовили для этого магнетрона DC источник питания на мощность порядка 500 Вт.

Также мы соорудили систему газонапуска для плазмообразующего газа аргона.

Для размещения предметов, на которые будут напыляться плёнки, мы соорудили следующее приспособление. В крышке камеры имеются технологические отверстия, в которые можно устанавливать разные приспособления: гермовводы электроэнергии, гермовводы движения, прозрачные окошки, датчики и прочее. В одно из этих отверстий мы установили гермоввод вращающегося вала. Снаружи камеры на этот вал мы подвели вращение от небольшого электромоторчика. Установив скорость вращения барабана порядка 2-5 герц мы добились хорошей равномерности нанесения плёнок по окружности барабана.

Снизу, т.е. внутри камеры, мы укрепили на вал лёгкую металлическую корзину, на которую можно навешивать предметы. В канцелярском магазине такой стандартный барабан продаётся как корзина для мусора и стоит порядка 100 рублей.

Теперь у нас было в наличии практически всё необходимое для напыления плёнок. В качестве мишеней мы использовали следующие металлы: медь, титан, нержавейку, алюминий, сплав медь-хром.

И начали пылить. Через прозрачные окна в камеру можно было наблюдать свечение плазмы на поверхности мишени магнетрона. Так мы контролировали «на глазок» момент поджига плазмы и интенсивность напыления.

Способ контроля толщины напыления придумали достаточно простой. Размещали на барабане один и тот же кусочек фольги с замеренной площадью поверхности и измеряли его массу до и после сеанса напыления. Зная плотность напыляемого металла легко вычисляли толщину наносимого покрытия. Регулировали толщину покрытия либо изменением времени напыления, либо регулируя напряжение на источнике питания магнетрона. На этом фото видны прецизионные весы, позволяющие замерять массу образцов с точностью до десятитысячных долей грамма.

Наносили мы на различные материалы: дерево, металлы, фольга, пластики, бумага, полиэтиленовые плёнки, ткани, короче на всё, что можно было разместить в камере и прикрепить к барабану. В основном мы ориентировались на получение эффектов декоративного характера – изменение цвета или тактильного восприятия поверхности. На этих образцах органического и неорганического происхождения можно увидеть разницу в цвете до и после нанесения различных металлических плёнок.

Ещё более рельефно разница в цвете до и после напыления видна на тканях и плёнках. Здесь правый кусочек обычной полиэтиленовой плёнки – не напыленный, а левая покрыта слоем меди.

Ещё один эффект, который может быть использован для различных нужд – это проводимость тонких плёнок на подложках. На этом фото показано сопротивление кусочка бумаги (в омах), на который нанесена плёнка из титана толщиной чуть больше микрона.

Для дальнейшего развития мы выбрали несколько направлений. Один из них – улучшать эффективность напыления плёнок магнетронами. Собираемся «замахнуться» на собственную разработку и изготовление более мощного магнетрона высотой с камеру и мощностью в 2 раза больше, чем показанный в этом очерке. Также мы хотим опробовать технологию реактивного напыления, когда вместе с плазмообразующим газом аргоном в камеру подаются, например, кислород или азот и в ходе напыления плёнок на поверхности подложки образуются не чисто металлические плёнки, а оксиды или нитриды, которые имеют другой спектр свойств, нежели чистые металлические плёнки.