真空PVD镀铬技术的原理及优势
2023-02-10
电镀铬广泛应用在机械、电子、化工、五金等各个行业，是应用最为广泛的表面涂层。据不完全统计，我国目前拥有较大的电镀厂3万家以上，电镀行业市场价值每年高达100亿。然而电镀铬过程中所排放的废水含有多种重金属，尤其是致癌的六价铬，毒性是普通三价铬的100倍，被美国环境署列为17种高危毒性物质之一，严重污染周边环境。尽管目前已经有多种废水处理方法，但投资昂贵，难以在中小型电镀企业中使用。随着对环保问题的日益重视，发达国家已经全面禁止电镀铬技术的使用，全部转包到包括中国在内的发展中国家，对环境造成了严重的污染。针对日益严重的环境问题，国家采取了更加严格的环境政策。最近规定，三年内全面停止电镀铬最关键的原料-铬酐的生产，将导致众多电镀企业关闭。
为了寻求替代技术，国际国内进行了长期大量的工作。主要集中在化学镀镍磷、热喷涂、电刷镀。化学镀镍磷处理工艺存在一定程度的污染，并且硬度较低(Hv500-600);热喷涂的效率较高，但对基体材料有一定要求，喷涂的材料有限，喷涂的表面粗糙，需要二次加工;电刷镀具有比电镀更好的附着力，对形状比较简单的部件使用效果较好，在大型机械设备大轴的修复中发挥了良好的作用，而对形状复杂的工件则无法进行有效的镀层，在性能上无法和电镀铬相比。用无污染的物理气相沉积技术(PhysicalVaporDeposition：简称PVD)镀铬来代替传统的电镀铬涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研究机构进行了许多有益的尝试，包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中电子束蒸发镀膜效率较高，但其镀膜方向性较强、均匀性较差、附着力低、不利于复杂外型工件的制备;阴极电弧沉积方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。传统磁控溅射方法制备的涂层没有液滴问题，同时制备温度较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备，但载能离子较少，涂层速率较低，难以进行厚膜制备。上述各类镀膜方法沉积速率一般在几个微米/小时。而通用电镀铬一般要求厚度在50-150微米，若用传统方法则意味着镀10-30小时，涂层成本急剧上升。上述方法在进行厚膜制备时达到一定厚度后涂层生长速率降低，同时由于应力增大会导致涂层脱落，不能进行规模化的工业生产。
本技术以自主研发的电弧-溅射技术为基础，吸收国外最新涂层技术，开发等离子体源增强的PVD镀铬新技术，取代现行电镀镀铬技术，从根本上解决电镀生产过程造成的重金属污染问题。
一、PVD镀铬技术原理
本技术主要采用电弧-溅射技术，利用阴阳极之间的放电离化氩气，使氩离子在作为阴极的靶材电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶原子，中性的靶原子或离子沉积在基片上，形成固体薄膜。本项目在上述原理的基础上进行改进和新技术开发，采用改进的电弧-溅射技术提高靶功率密度，采用等离子体源增强技术提高镀膜室的等离子体密度，从而开发出环保、高效的快速PVD镀铬新技术。
二、PVD镀铬技术的优势
1.完全无污染的生产工艺过程
在涂层前处理中，采用环保型的金属清洗剂对工件表面进行去油和脱脂处理，烘干后工件放入真空室中进行PVD镀铬处理。
镀铬过程以高纯金属铬为原料，通入氮气和氩气等瓶装气体，在沉积铬复合涂层的专用设备中，采用先进的等离子体源辅助电弧-溅射等先进技术，通过电场、磁场、等离子体和离子束流的作用，发生化学反应，实现了铬复合涂层的生成。使用的原材料价廉易得，国内可以大量供应。在整个工艺生产过程中，没有采用任何有毒有害的原料，是完全无污染的绿色环保生产技术。
2.优良的基体材料适应性
由于PVD镀铬装置能够提供较高的等离子体密度和靶功率密度，所制备涂层膜-基附着力强，可以在不同衬底材料上(钢铁、有色金属、陶瓷)制备各类金属和合金。而电镀方法对于不同基材需要不同的处理工艺。对制备不同的涂层材料，PVD技术只需要更换靶材，而化学方法制备不同材料需要一系列复杂的配方和前处理工艺。
3.优越的涂层性能
与电镀铬相比，PVD铬涂层的硬度更高。电镀铬的硬度一般为Hv800～900，而PVD方法可以达到Hv1500以上，同时耐磨性远优于电镀铬。PVD方法在涂层制备过程中涂层致密，没有孔洞，不会产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成镀层表面出现锈斑甚至剥落。
为了寻求替代技术，国际国内进行了长期大量的工作。主要集中在化学镀镍磷、热喷涂、电刷镀。化学镀镍磷处理工艺存在一定程度的污染，并且硬度较低(Hv500-600);热喷涂的效率较高，但对基体材料有一定要求，喷涂的材料有限，喷涂的表面粗糙，需要二次加工;电刷镀具有比电镀更好的附着力，对形状比较简单的部件使用效果较好，在大型机械设备大轴的修复中发挥了良好的作用，而对形状复杂的工件则无法进行有效的镀层，在性能上无法和电镀铬相比。用无污染的物理气相沉积技术(PhysicalVaporDeposition：简称PVD)镀铬来代替传统的电镀铬涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研究机构进行了许多有益的尝试，包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中电子束蒸发镀膜效率较高，但其镀膜方向性较强、均匀性较差、附着力低、不利于复杂外型工件的制备;阴极电弧沉积方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。传统磁控溅射方法制备的涂层没有液滴问题，同时制备温度较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备，但载能离子较少，涂层速率较低，难以进行厚膜制备。上述各类镀膜方法沉积速率一般在几个微米/小时。而通用电镀铬一般要求厚度在50-150微米，若用传统方法则意味着镀10-30小时，涂层成本急剧上升。上述方法在进行厚膜制备时达到一定厚度后涂层生长速率降低，同时由于应力增大会导致涂层脱落，不能进行规模化的工业生产。
本技术以自主研发的电弧-溅射技术为基础，吸收国外最新涂层技术，开发等离子体源增强的PVD镀铬新技术，取代现行电镀镀铬技术，从根本上解决电镀生产过程造成的重金属污染问题。
一、PVD镀铬技术原理
本技术主要采用电弧-溅射技术，利用阴阳极之间的放电离化氩气，使氩离子在作为阴极的靶材电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶原子，中性的靶原子或离子沉积在基片上，形成固体薄膜。本项目在上述原理的基础上进行改进和新技术开发，采用改进的电弧-溅射技术提高靶功率密度，采用等离子体源增强技术提高镀膜室的等离子体密度，从而开发出环保、高效的快速PVD镀铬新技术。
二、PVD镀铬技术的优势
1.完全无污染的生产工艺过程
在涂层前处理中，采用环保型的金属清洗剂对工件表面进行去油和脱脂处理，烘干后工件放入真空室中进行PVD镀铬处理。
镀铬过程以高纯金属铬为原料，通入氮气和氩气等瓶装气体，在沉积铬复合涂层的专用设备中，采用先进的等离子体源辅助电弧-溅射等先进技术，通过电场、磁场、等离子体和离子束流的作用，发生化学反应，实现了铬复合涂层的生成。使用的原材料价廉易得，国内可以大量供应。在整个工艺生产过程中，没有采用任何有毒有害的原料，是完全无污染的绿色环保生产技术。
2.优良的基体材料适应性
由于PVD镀铬装置能够提供较高的等离子体密度和靶功率密度，所制备涂层膜-基附着力强，可以在不同衬底材料上(钢铁、有色金属、陶瓷)制备各类金属和合金。而电镀方法对于不同基材需要不同的处理工艺。对制备不同的涂层材料，PVD技术只需要更换靶材，而化学方法制备不同材料需要一系列复杂的配方和前处理工艺。
3.优越的涂层性能
与电镀铬相比，PVD铬涂层的硬度更高。电镀铬的硬度一般为Hv800～900，而PVD方法可以达到Hv1500以上，同时耐磨性远优于电镀铬。PVD方法在涂层制备过程中涂层致密，没有孔洞，不会产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成镀层表面出现锈斑甚至剥落。