ציפוי PVD לעומת CVD: שתי שיטות יישום ציפוי נפוצות – בגברת

רוב יצרני הכלים מציעים ציפויי כלים, המורכבים משכבה של תרכובות מתכת המודבקות על פני הכלי כדי לשפר את ביצועיו. השיטות הנפוצות ביותר להוספת ציפויים לכלי הן פיסיקלי אדים (ציפוי PVD) ו-Chemical Vapor Deposition (ציפוי CVD). מאמר זה ייקח צלילה עמוקה לכל שיטה כדי לזהות את המאפיינים הייחודיים והמשותפים שלה.

ציפויים פיסיים אדים (PVD).

שיטת ציפוי PVD היא תהליך שבו מתכות עוברות מחזור של אידוי ועיבוי כדי לעבור ממצבן המוצק המקורי אל הכלי. תרכובות המתכת המרכיבות את הציפויים מכונות לעתים קרובות "חומר המתכת" בתהליך זה. חומר המתכת מתחיל בתור רקיק מוצק ומאדה לפלזמה, שאותה ניתן לשים על הכלים בתא. בתהליך זה, הכלים מכונים "המצע".

ישנן שתי דרכים שונות שבהן ניתן לבצע ציפוי PVD: ציפוי יונים בקשת וקישוט.

ציפוי וקשת יון קשת

הבדלים מרכזיים

ההבדל העיקרי בין ציפוי יונים בקשת לקשתות הוא שציפוי יוני קשת משתמש בזרמים חשמליים גבוהים לאידוי החומר המתכתי, ויוני המתכת מנווטים אל הכלי לציפוי. לעומת זאת, הקפיצה משתמשת בתכונות של שדות מגנטיים כדי לכוון גזים תגובתיים להתנגש במטרה המורכבת מחומר מתכתי. במהלך התנגשויות אלו, יוני משטח מתכתיים נופלים מהמטרה ונוחתים על המצע, ומפציצים אותו באיטיות עד שהוא מצופה מספיק. גם ציפוי יונים בקשת וגם קישוט הם תהליכי ואקום בטמפרטורה גבוהה במיוחד. המונח "וואקום" מתייחס לכל לחץ מתחת ללחץ האטמוספרי בגובה פני הים.

תהליכי יישום של ציפוי קשת יון וריזור

ציפוי קשת יון

1. הלחץ הפנימי בתוך תא התגובה ירד ליצירת ואקום בסביבות 1 Pa (0.0000145 psi). יצירת ואקום היא קריטית מכיוון שהיא מסירה כל לחות ולכלוכים, על או סביב הכלים.
2. החדר מחומם לטמפרטורות הנעות בין 150 – 750 מעלות צלזיוס (302 – 1382 מעלות פרנהייט). טמפרטורת החדר תלויה בציפוי המיושם ליצירת תגובה כימית אידיאלית והיצמדות בין הפלזמה למצע. זרם גבוה של כ-100 A מופעל על החומר המתכתי הגורם לתגובה נפיצה.
3. הזרם הגבוה מיינן באופן חיובי את המתכת ומאדה אותה לפלזמה צפופה.
4. המצע טעון שלילי כדי למשוך את יוני המתכת החיוביים.
5. היונים מתנגשים בכלים בכוח ומושקעים ויוצרים סרט שמצטבר בעובי ליצירת הציפוי הרצוי.

מקרטעת

1. הלחץ הפנימי בתוך תא התגובה ירד ליצירת ואקום בסביבות 1 Pa (0.0000145 psi) כדי להסיר כל לחות ולכלוכים על או סביב הכלים.
2. גז אינרטי נשאב לתוך החדר כדי ליצור אווירה בלחץ נמוך. נעשה שימוש ספציפי בגזים אינרטיים, מכיוון שהוא אינו מגיב עם יסודות המתכת ומבטיח שלא יתערבבו זיהומים עם ציפוי הכלים.
3. הגז המשמש תלוי במשקל האטומי של חומר המתכת; גז כבד יותר משמש בדרך כלל עם מתכות כבדות יותר.
4. החדר מחומם לטמפרטורות בין 150 – 750 מעלות צלזיוס (302 – 1382 מעלות פרנהייט) בהתאם לציפוי המיושם.
5. הכלים ממוקמים בין החומרים המתכתיים (הנקראים "המטרה" בקילוח) לבין אלקטרומגנט, כך שכאשר מופעלים, עובר שדה מגנטי לאורך ומסביב לכלים.
6. לאחר מכן מופעל מתח גבוה לאורך השדה המגנטי המייננן את אטומי הארגון.
7. המתח נע בין 3-5 קילו-וולט, ואם משתמשים ב-AC, בתדר של כ-14 מגה-הרץ.
8. המטרה היא בעלת מטען שלילי ומושכת את גז הארגון הטעון חיובי.
9. הגז האינרטי מתנגש במטרה ופולט תרכובות מתכתיות על המצע ליצירת ציפוי.

הבדלים מרכזיים בציפוי PVD, בסיכום

ציפוי יונים קשת וקפיצה הן שתיהן שיטות יעילות ליישום ציפוי PVD. אז למה להשתמש באחד על פני השני? לציפוי יון קשת יש קצב יינון גבוה משמעותית מקיטוב, מה שמאפשר קצבי שיקוע מהירים בהרבה, מקצר את זמני הציפוי. בתורו, מכיוון שקילוח הוא תהליך איטי יותר, הוא מאפשר שליטה רבה יותר בעת יישום קומפוזיציות מרובות מתכת ומבטיח שהסטוכיומטריה של הציפוי אחידה בכל הכלי. לבסוף, במהלך תהליך ציפוי PVD, נוצרות מיקרו טיפות כשהמתכות המאודות מתעבות ומתמצקות על הכלים. מכיוון שטיפות אלו משפיעות על הציפוי המיושם החדש, הן עלולות לגרום לפגמים ומכתשים, וליצור נקודות מתח שיוריות. על מנת להשיג ציפוי מושלם, יש למזער את גודל הטיפות. ציפוי יון קשת מייצר טיפות בקוטר של עד 3 מיקרומטר (מיקרומטר), בעוד שבקישוט יש טיפות בקוטר של עד 0.3 מיקרומטר. עם טיפות קטנות עד פי עשרה, הקפיצה מייצרת משטחים חלקים וחסרי פגמים הרבה יותר, אשר הוכחו כמאטים את קצבי הקורוזיה.

שקיעת אדים כימית (CVD)

שלא כמו פעולות ציפוי PVD, המשתמשות במטענים חשמליים גבוהים והתנגשויות אטומיות כדי להפקיד ציפויים על כלי, שיטת CVD מנצלת את התכונות הכימיות של המתכות כדי להעביר תרכובות מתכתיות על הכלי. השלבים הבאים נדרשים לביצוע פעולת CVD:

1. בדומה לשיטת PVD, השלב הראשון הוא יצירת ואקום אולטרה-גבוה בתוך תא התגובה של כ-1 Pa (0.0000145 psi) כדי לסלק את כל הלחות והזיהומים.
2. הטמפרטורה הפנימית של החדר מוגברת בין 600 – 1000 מעלות צלזיוס (1112 – 2012 מעלות פרנהייט).
3. הטמפרטורות הנדרשות בתהליך CVD גבוהות משמעותית מציפוי PVD מכיוון ששיטה זו מחייבת להתרחש תגובה כימית בין גזים המוזרמים לתא והמצע. נדרשות טמפרטורות גבוהות כדי ליזום ולשמור על תגובות אלו.
4. לאחר שהמצע מחומם לטמפרטורת הרצויה שלו, המתכות המיועדות לציפוי על הכלים, שכבר נמצאות במצב אדים, נקשרות כימית בגז תגובתי (בדרך כלל כלור), ומוזרמות לתוך החדר.
5. החומרים המתכתיים הנקשרים לגז שומרים אותו במצב גז בזמן שהוא מועבר דרך החדר וסביב הכלים.
6. לאחר מכן נשאב גז מימן לתא ומתערבב עם הכלור והמתכות.
7. כאשר תערובת זו פוגשת את המצע המחומם, האנרגיה התרמית יוצרת תגובה שבה מימן וכלור מתחברים ומשאירים את החומרים המתכתיים מאחור על הכלים.
8. בתא, יש פתח יציאה שבו גז הפסולת (H₂Cl) מוסר.

ציפוי PVD וציפוי CVD, לסיכום

ציפוי כלי משמשים על ידי מכונאים מדי יום כדי לבצע ממושך חיי כלי עבודה, פעולת עיבוד יעילה יותר וחלק סופי באיכות גבוהה יותר. רוב היצרנים משתמשים בשני סוגים שונים של טכניקות יישום, ציפוי PVD וציפוי CVD. הישאר ב-"בגופה" כדי ללמוד עוד על ציפוי כלי עבודה על ידי קריאת הפוסטים הבאים בבלוג: סקירה כללית של ציפויים לכלי הארווי: מקסום ביצועים ו 3 דרכים ציפוי כלי להגדיל את חיי הכלי.

צִיטָטָה:
[1] Ucun, İ., Aslantas, K., & Bedir, F. (2013). חקירה ניסיונית של השפעת חומר הציפוי על בלאי הכלים בכרסום מיקרו של סגסוגת העל Inconel 718. Wear, 300(1-2), 8-19. https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.103

וויל לאוזון( שותף טכני של חברת Harvey Performance )

כחבר בצוות הטכני של חברת Harvey Performance, וויל עובד עם לקוחות כדי לענות על שאלות בנוגע לבחירת כלים, מהירויות והזנות, עיצוב כלים מותאם אישית ויישומי כלים. וויל קיבל את התואר הראשון שלו בהנדסת מכונות מ-UNH.