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真空PVD镀铬技术的原理及优点

浏览数:22 发布于:2021-06-08

电镀铬广泛应用于航空航天、机械、电子、化工、五金等行业,是应用最广泛的表面涂层。据不完全统计,中国有3万多家大型电镀厂,电镀行业的市场价值每年高达100亿。但电镀铬排放的废水中含有多种重金属,特别是致癌的六价铬,其毒性是普通三价铬的100倍。被美国环境署列为17种高风险有毒物质之一,严重污染周边环境。虽然我国目前废水进行处理方式方法存在很多,但投资昂贵,难以在中小型电镀企业中使用。随着对环境保护的日益重视,发达国家已经完全禁止使用镀铬技术,并且全部分包给包括中国在内的发展中国家,造成了严重的环境污染。鉴于日益发展严重的环境分析问题,国家采取了更严格的环境保护政策。最近规定,电镀铬最关键的原料铬酸酐的生产将在三年内完全停止,这将导致许多电镀企业关闭。


  为了寻求替代技术,国内外长期以来做了大量的工作。主要集中在化学镀镍磷、热喷涂和刷镀。化学镀镍磷工艺存在一定程度的污染和低硬度(Hv 500-600);热喷涂效率高,但对基体材料有一定要求,喷涂材料有限,喷涂表面粗糙,需要二次加工;刷镀比电镀具有更好的附着力,对形状简单的零件效果更好,对大型机械设备的大轴修复有很好的作用,但不能有效的对形状复杂的工件进行涂装,性能上也比不上镀铬。近年来,用无污染的物理化学沉积(PVD)镀铬代替传统镀铬是一种发展趋势。国内外许多研究机构进行了许多有益的尝试,包括电子束蒸发、离子束溅射、阴极电弧沉积和磁控溅射。其中电子束蒸发镀膜效率高,但其镀膜方向性强、均匀性差、附着力低,不利于复杂工件的制备阴极电弧沉积法沉积速度快,但放电过程中产生的大量液滴难以消除,涂层的表面光洁度和耐蚀性受到很大影响。为了消除液滴,必须进行过滤,导致沉积速率显著下降。传统磁控溅射法制备的涂层无熔滴问题,制备温度低,可在各种基材(如钢、有色金属、塑料等)上制备。),但由于载能离子少,镀膜率低,很难制备厚膜。上述各种涂覆方法的沉积速率通常为几微米/小时。而一般镀铬一般要求50-150微米的厚度,也就是电镀10-30小时,镀层成本急剧上升。用上述方法制备厚膜时,涂层生长速率达到一定厚度后下降,涂层因应力增加而脱落,无法进行大规模工业化生产。该技术研究基于学生自主创新研发的电弧溅射技术,吸收了国外企业最新的镀膜技术,开发了等离子体源增强的PVD镀铬新工艺,取代了目前的电镀镀铬工艺,从根本上提高解决了电镀生产发展过程中可能造成的重金属环境污染主要问题。
  一、PVD镀铬技术原理
该技术主要采用电弧溅射技术,通过阳极和阴极之间的放电使氩气电离,使氩离子在作为阴极的靶电场作用下轰击靶,溅射出大量的靶原子,中性的靶原子或离子沉积在基底上形成固体薄膜。本项目在上述原则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材功率密度,采用等离子体源增强技术提高镀膜室内的等离子体密度,从而开发出一种环保、高效、快速的PVD镀铬新工艺。
  二、PVD镀铬技术的优势
  1.完全无污染的生产工艺
  涂装前处理可以采用一种环保型金属清洗剂对工件加工表面问题进行除油脱脂,干燥后的工件放入一个真空室进行PVD镀铬。
镀铬工艺以高纯金属铬为原料,引进氮气、氩气等瓶装气体,在专用设备上镀铬复合涂层,采用先进的等离子源辅助电弧喷涂等先进技术,采用电场、磁场、利用等离子体和离子束电流的作用发出生化反应,实现了铬复合镀层的形成。所用原料便宜易得,在国内可以大量供应。整个企业生产发展过程中,不使用任何有毒有害的原料,是一种完全无污染的绿色产品生产管理技术。
  2.基体材料的优异适应性
  由于PVD镀铬装置可以提供较高的等离子体密度和目标功率密度,因此制备的镀膜对基体具有很强的附着力,可以在不同的基体材料(钢、有色金属和陶瓷)上制备各种金属和合金。电镀方法需要对不同的衬底进行不同的处理过程。对于制备不同的涂层材料,PVD技术只需要改变目标材料,而不同材料的化学制备需要一系列复杂的配方和预处理过程。
  3.优异的涂层性能
与电镀铬相比,物理气相沉积镀铬具有更高的硬度。电镀铬的硬度进行一般在HV 800 ~ 900,而PVD法可以通过达到Hv1500以上,耐磨性方面远远没有优于电镀铬。在PVD法制备涂层的过程中,涂层致密,无孔洞,不会产生穿透裂纹,这将导致腐蚀介质从表面渗透到界面对基体的腐蚀,导致涂层表面出现锈斑甚至剥落。


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