Máquina de revestimento cerâmico de plasma: escolha do processo, especificações e guia de compra

Equipamento de revestimento

Máquinas de revestimento cerâmico a plasma: combinando o processo com a peça

Duas máquinas diferentes se escondem atrás de um termo de pesquisa, e escolher a família errada custa muito mais do que escolher a cara.

Uma oficina de ferramentas que precisa de três micrômetros de nitreto de alumínio e titânio em fresas de topo de 8 mm nunca chegará lá com uma tocha de pulverização de plasma. Um revestimento de fundição de componentes de exaustão de dois metros com 250 micrômetros de zircônia também não chegará lá com uma câmara de evaporação de arco. Ambos os processos são de revestimento cerâmico de plasma, ambos são vendidos com esse nome, e é por isso que tantas primeiras citações são tecnicamente corretas e comercialmente inúteis.

A regra de decisão vem primeiro: fixe a espessura do revestimento, o limite de temperatura do substrato e a geometria da peça antes de ler qualquer cotação. Essas três variáveis ​​eliminam uma família de processos quase imediatamente. O tamanho da câmara, a contagem de cátodos, a pilha de bombas e o preço são detalhes que podem ser negociados posteriormente.

O que o plasma está realmente fazendo dentro da câmara

Na deposição de plasma a vácuo, o plasma não é o revestimento. É o meio de transporte. Um cátodo é atingido por um arco de baixa tensão e alta corrente em revestimento iônico multi-arco, ou bombardeado por íons de gás confinados magneticamente em pulverização catódica, e o vapor deixa a fonte já ionizado. Nas fontes de arco catódico, a fração de ionização é alta o suficiente para que a maior parte do que chega à peça chegue como partículas carregadas, em vez de átomos neutros.

Partículas carregadas são a razão pela qual o filme é denso. Uma polarização negativa no suporte do substrato, normalmente de 50 a 200 volts, acelera esses íons na superfície com dezenas a algumas centenas de elétron-volts de energia. Esse impacto compacta a camada em crescimento, fecha a porosidade e fixa-a ao substrato. Adicione um gás reativo e o plasma metálico se tornará um composto cerâmico na superfície: nitrogênio para TiN, CrN e AlTiN, acetileno para DLC e TiCN, oxigênio para óxido de alumínio e óxido de zircônio.

O mesmo plasma limpa as peças. Antes do início da deposição, uma etapa de bombardeio de íons de argônio elimina camadas de óxido e resíduos em nível atômico. As falhas de adesão são atribuídas a esta fase com muito mais frequência do que ao próprio revestimento, particularmente em aço inoxidável e aço para ferramentas endurecido.

Uma citação que diz apenas "máquina de revestimento PVD" esconde uma diferença de dez vezes na espessura do filme e várias centenas de graus de diferença na temperatura do substrato.

Para cerâmicas de nitreto em ferramentas, moldes e peças de desgaste, o revestimento iônico multiarco continua sendo o carro-chefe, porque as taxas de deposição são altas e a energia iônica é incorporada ao processo, em vez de adicionada posteriormente.

Comparação entre spray de plasma e deposição de plasma a vácuo

As duas famílias são frequentemente apresentadas como alternativas. Eles não são concorrentes, mas sim respostas diferentes para diferentes perguntas sobre espessura, temperatura e acabamento.

A terceira e a quarta colunas são processos a vácuo, mas não são intercambiáveis. As fontes de arco depositam-se mais rapidamente e mantêm a adesão em geometrias complexas. As fontes de pulverização catódica depositam-se mais lentamente, mas produzem filmes mais suaves e um controle muito melhor sobre a estequiometria do óxido. Se a peça tiver um requisito de acabamento espelhado ou o filme precisar ser opticamente transparente, a pulverização catódica vence. Se for uma broca ou uma inserção de molde, o arco geralmente ganha no custo por peça.

Especificações para comparar antes de assinar

Uma vez estabelecida a família de processos, a folha de especificações se torna uma pequena lista de itens que realmente mudam o que a máquina pode fazer pelas suas peças.

1. Volume útil da câmara, não dimensões externas. Peça a altura do rack e o diâmetro de rotação e, em seguida, verifique como a peça maior fica no acessório.
2. Pilha de bombas e pressão de base. Uma bomba de palhetas rotativas com um soprador de raízes e uma bomba de difusão de óleo ou uma bomba turbomolecular é o arranjo usual; a pressão de base alcançável estabelece o limite máximo para a pureza do filme.
3. Contagem de cátodos, tamanho do alvo e material do alvo. Uma máquina de três cátodos e uma máquina de doze cátodos têm custos diferentes e revestimentos diferentes.
4. Configuração da fonte de alimentação. Fontes de arco para os cátodos, polarização DC ou pulsada para o suporte do substrato e fontes de média frequência ou RF quando alvos de óxido isolante estão envolvidos.
5. Rotação do substrato. A rotação de eixo único é mais barata, a rotação planetária de três eixos proporciona uma uniformidade de espessura visivelmente melhor em uma carga mista.
6. Controle de gás reativo. Os controladores de fluxo de massa por si só não são suficientes para trabalhos com nitretos e óxidos; o controle de pressão parcial ou o monitoramento de emissão de plasma mantêm o processo fora da zona de envenenamento alvo.
7. Tamanho da carga e tempo de ciclo. As peças por hora são mais importantes do que o preço nominal, porque a mão-de-obra e os serviços públicos aumentam com as horas, não com as câmaras.
8. Documentação e medição. Os dados de espessura, dureza, adesão e cor devem fazer parte do pacote de aceitação e não um favor.

Para cerâmicas de óxido como Al2O3, ZrO2 e óxidos condutores transparentes, a conversa sobre especificações muda da dureza para a estequiometria, porque o filme deve ser eletricamente ou opticamente correto, em vez de simplesmente ser resistente ao desgaste.

Onde os filmes cerâmicos densos compensam

Os filmes cerâmicos PVD ganham seu custo quando três condições se sobrepõem: desgaste ou corrosão encurtam a vida útil da peça, o acabamento da superfície é importante e a peça não pode sobreviver a temperaturas de pulverização ou a uma linha de galvanoplastia.

Ferramentas de corte e moldes

Uma camada de AlTiN ou TiCN de 2 a 4 micrômetros prolonga a vida útil de fresas de topo, brocas e matrizes de conformação muito além do que o aço não revestido ou não endurecido oferece, e é aplicada em temperaturas que deixam o tratamento térmico da ferramenta intacto. A aritmética é simples: uma máquina pode tratar milhares de ferramentas por mês por uma fração do custo de uma nova célula de retificação.

Transmissão e peças de máquinas

Rolamentos, engrenagens, fusos e rotores de compressores de parafuso beneficiam-se de DLC de baixo atrito ou CrN resistente ao desgaste. Aqui o fator limitante geralmente é o temperamento. Se uma peça foi temperada a 200 graus Celsius, o ciclo de revestimento deve permanecer abaixo disso, o que leva a especificação para arco ou pulverização catódica com aquecimento polarizado rigorosamente controlado.

Instrumentos médicos e peças decorativas

As lâminas cirúrgicas precisam de um revestimento que não embote a borda, portanto, 1 a 3 micrômetros é a janela prática. No lado decorativo, as camadas de cerâmica anti-impressão digital e coloridas em louças sanitárias, talheres, pulseiras de relógio e ferragens arquitetônicas dependem muito mais da consistência da cor lote a lote do que da dureza máxima.

Custo, Risco e Teste de Aceitação

Um sistema de plasma a vácuo é um ativo de produção, portanto o número que importa é o custo por peça revestida, não a fatura. Duas cotações com uma diferença de preço de 40% podem ser revertidas completamente quando o tamanho da carga, o tempo de ciclo e a vida útil dos consumíveis forem incluídos no mesmo cálculo.

Coloque o teste de aceitação no contrato e execute-o nas suas próprias peças, não nos cupons de demonstração do fornecedor. Um pacote viável cobre:

• Espessura do filme medida na peça real por cratera esférica ou XRF, com uma tolerância declarada como mais ou menos 10 por cento.
• Microdureza sob carga, normalmente HV 0,05 ou HV 0,1, em seção polida.
• Adesão por indentação Rockwell C contra a escala HF1 a HF4, ou teste de arranhão com carga crítica definida.
• Diferença de cor medida em espectrofotômetro, com Delta E abaixo de 1,5 entre lotes para produção decorativa.
• Desempenho contra corrosão, como horas de névoa salina, onde a peça será manuseada ou usada ao ar livre.
• Três lotes de produção consecutivos, na máquina de produção, com os dados do processo registrados para cada execução.

Confirme a cadeia de fornecimento de peças de desgaste ao mesmo tempo. Cátodos, fontes de alimentação de arco, fontes de polarização, bombas de difusão ou turbomoleculares, bombas de óleo, alvos e fios de evaporação, todos têm vidas finitas, e uma máquina que espera três meses por um alvo é uma máquina que não está ganhando. Ajuda a revisar o gama completa de equipamentos e consumíveis em um só lugar, para que a Câmara e suas peças sobressalentes façam parte da mesma negociação.

Nada disso exige física do vácuo profundo. É preciso decidir, antes da primeira cotação, se a peça necessita de um filme cerâmico fino e denso ou de uma camada cerâmica espessa e porosa. Todas as outras opções sobre uma máquina de revestimento cerâmico de plasma decorrem dessa única resposta: geometria da câmara, contagem de cátodos, pilha de bombas, controle de gás e, eventualmente, preço.

Se o próximo passo for entender como o processo se comporta em superfícies de produção reais, esta visão geral do como o revestimento de plasma altera o tratamento de superfície é um ponto de partida prático antes de você começar a comparar cotações.