Oberflächen mit PVD-Beschichtung veredeln: Eine moderne Lösung

Spezialbeschichtungen sind in der Regel ein wesentlicher Bestandteil industrieller Verfahren zur Oberflächenveredelung von Hochleistungsprodukten. Sie werden zum Schutz von Oberflächen, Werkzeugen und Geräten eingesetzt, um die Haltbarkeit und Leistung zu verbessern. Die PVD-Metallveredelung ist eine der gebräuchlichsten Methoden zur Herstellung dünner Beschichtungen mit hoher Härte auf der Oberfläche. Dadurch wird die Lebensdauer dieser Produkte verbessert, da Materialien ohne Beschichtung wahrscheinlich vorzeitig beschädigt werden. PVD-Beschichtungen verbessern außerdem die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Materialien.

Historische Entwicklung der PVD-Beschichtung

Die erste Anwendung einer PVD-Beschichtung erfolgte 1857 durch Faraday durch die Verdampfung von Metalldraht unter Vakuum. Die Untersuchung dieser dünnen Filmabscheidung mittels optischer Mikroskopie erfolgte 1888 durch Kuntz. Zu dieser Zeit war diese Technik auf den Bereich der Physik beschränkt. Dies erlangte in den 1960er Jahren Berühmtheit, als es auf die Oberfläche von Schneidwerkzeugen aufgetragen wurde, um den Werkzeugverschleiß zu verzögern. PVD-Techniken basieren normalerweise auf dem Akkumulationsprinzip, bei dem thermisches Verdampfen und/oder Sputtern verwendet wird, um eine Beschichtung auf die Materialoberfläche aufzutragen.

Was ist PVD-Beschichtung?

Unter PVD versteht man die Abscheidung von Atomen, Molekülen oder Ionen eines Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche eines Materials zur Oberflächenveredelung. PVD wird in einer Kammer mit kontrollierter Umgebung und reduziertem Druck von 0.1–1 N/m durchgeführt². Das feste Material wird in dieser Kammer verdampft und mithilfe von Techniken wie Verdampfen und Sputtern Atom für Atom über dem Zielmaterial abgeschieden. Dies führt zu einer sehr dünnen Beschichtungsschicht, die unter allen Beschichtungsarten ein umweltfreundliches Material ist.

Wofür steht PVD?

PVD steht für Physical Vapour Deposition. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine physikalische Gasphasenabscheidung von Beschichtungsmaterial zur Oberflächenverbesserung auf der Zieloberfläche von festem Material in Form von Atomen, Molekülen oder Ionen.

PVD-Farbkarte

Die Farbe der PVD-Beschichtung variiert je nach Material. Gängige Farben sind in der Tabelle unten aufgeführt.

Ist eine PVD-Beschichtung teuer?

Ja, es ist etwas teuer. Denn es hat minimale Kosten für die chemische Entsorgung und eine umweltfreundliche Beschichtung. Darüber hinaus sind die Investitions- und Wartungskosten aufgrund der teuren Ausrüstung, die im Prozess eingesetzt wird, hoch. Bei demselben Material sind die Kosten für PVD höher als für die Galvanisierung.

Detaillierte Erläuterung des PVD-Prozesses

Bei der PVD-Beschichtung wird das feste Material zur Oberflächenveredelung in verdampfter Form auf ein Substrat aufgetragen. Der Prozess umfasst folgende Schritte:

1. Reinigung: Der Prozess beginnt mit der Reinigung von Schmutz oder Verunreinigungen auf Metall mithilfe mechanischer oder chemischer Reinigungsmethoden. Dies trägt zu einer ordnungsgemäßen Haftung der Beschichtung auf dem Untergrund bei.

2. Vorbehandlung: wie Eloxieren oder Plasmaätzen auf dem Substrat, um die Haftung der Beschichtung zu verbessern. Dadurch entsteht eine raue Oberfläche, die die Durchführung der PVD-Beschichtung erleichtert.

3. Beschichtung: Anschließend erfolgt die PVD-Beschichtung als Dünnfilmabscheidung durch eine Wärmequelle zur thermischen Verdampfung des Beschichtungsmaterials. Dieses verdampfte Material lagert sich als Dünnfilm-Aufdampfung auf dem Substrat ab.

4. Qualitätskontrolle: Die Inspektion erfolgt nach der PVD-Beschichtung. Zur Überprüfung der Beschichtungsqualität werden alle notwendigen Maßnahmen und Tests durchgeführt.

5. Endbearbeitung: Wenn ein zusätzlicher Schritt wie Polieren oder Schwabbeln erforderlich ist, um die Leistung oder das Aussehen der PVD-Metalloberfläche zu verbessern, werden diese Verfahren in diesem letzten Schritt durchgeführt.

Erklärt verschiedene PVD-Prozesse.

Die PVD-Dünnschicht-Aufdampfung erfolgt durch zwei unterschiedliche Prozesse, die im Folgenden erläutert werden:

1. Sputtern: Dabei wird das zu beschichtende feste Material mit hochenergetischer elektrischer Ladung beschossen. Dieser Vorgang führt zu einem „Sputtern“ von Atomen oder Molekülen über das Substrat.

2. Thermische Verdampfung: Bei diesem Verfahren wird die Temperatur der zu beschichtenden Feststoffe im Vakuum bis zum Siedepunkt erhöht. Dadurch entsteht ein Dampfstrom aus Feststoffen, der auf den Substraten kondensiert.

PVD-Beschichtungsmaterialien

Für die Beschichtung zur Oberflächenveredelung kommen unterschiedliche Materialarten zum Einsatz. Die meisten davon werden im Folgenden erläutert:

1. Gold: wird hauptsächlich für Schmuck verwendet, um glänzende und glatte Oberflächen zu erzielen. Dieses Verfahren ist insgesamt günstiger als echte Goldprodukte. Es gibt auch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
2. Graphit: Bietet eine dunkle, helle PVD-Oberfläche und zeichnet sich durch außergewöhnliche Tragfähigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und geringe Reibung aus. Dies wird hauptsächlich bei Produkten verwendet, die an feuchten Orten wie Badezimmern oder Küchen verwendet werden.
3. Titan: Titanbeschichtung wird in drei Formen verwendet: TiN, TICN und TiAlN. Die PVD-Beschichtung auf Ti-Basis hat eine hohe Härte, die der Diamanthärte nahekommt. Diese Beschichtungen weisen eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf. Häufige Anwendungen sind Schneidwerkzeuge, medizinische Werkzeuge, Spritzgussteile und Uhren.
4. Zirkonium: Zirkoniumbeschichtungen werden meist als ZrN beschichtet. Die Härte von Zirkonium ist sehr hoch und weist eine außergewöhnlich hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Häufige Anwendungen der ZrN-PVD-Beschichtung sind Maschinen.
5. Aluminium: Es wird einzeln und als Materialkombination verwendet. Al-PVD-Beschichtungen haben eine glänzende und glatte Oberfläche und werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit normalerweise in der Automobilbranche eingesetzt. Ansonsten ist es meist auf Kunststoff beschichtet.
6. SiO₂: Es ist die vielseitigste Beschichtung bei der PVD-Beschichtung für Metall, Kunststoff, Legierungen und alle anderen Arten von Materialien. Die gewünschten Eigenschaften werden durch die Siliziumoxidbeschichtung deutlich verbessert und verleihen dem Produkt Glanz und Glätte.
7. Molybdän: Mo-basierte PVD-Beschichtungen werden in der NASA vor allem wegen ihrer hohen Verschleiß- und Reißfestigkeit verwendet. Durch diese Beschichtung mit einer Härte von 1500-2000HV kann die niedrigste Reibung erreicht werden, die sogar geringer ist als bei Teflon und Graphit.

PVD-Beschichtung auf Edelstahl

Die PVD-Beschichtung kann auf alle Arten von Edelstahl angewendet werden. Die besten Ergebnisse werden jedoch auf glatten Oberflächen wie Perlenstrahlen, Haaransatz oder Leinen erzielt. PVD-Stahl wird häufig für architektonische Zwecke und für dekorative Wandpaneele oder auch für künstlerische Produkte verwendet.

PVD-Beschichtung auf Titan

PVD-Beschichtungen werden auf Materialien aufgebracht, die Temperaturen von 800 °F überstehen können, und eine Titanbeschichtung ist eine davon. Titanbeschichtung wird auch auf Materialien bei der PVD-Beschichtung wie Titannitrid und Titanaluminiumnitrid für PVD-Stahl und PVD-Halbleiter verwendet. Titannitrid hat aufgrund seiner sicheren Verwendung im menschlichen Körper biomedizinische Anwendungen. Titanaluminiumnitrid auf den Hartmetallwerkzeugen eignet sich am besten für die Bearbeitung von Titan. Und eignet sich am besten für Schneidwerkzeuge.

Eigenschaften der PVD-Beschichtung

Die PVD-Beschichtungseigenschaften sind einzigartig für die Oberflächenveredelung eines Materials und von wesentlich höherer Qualität als andere herkömmliche Methoden.

• Hat eine hohe Oberflächenhärte von mehr als 1800HV

• Streichfarben sind bei glatten Oberflächen beständig.

• Biokompatibles Material, das außerdem ungiftig und nicht allergisch ist

• Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit von PVD-Stahl und PVD-Halbleitern sind viel höher als bei anderen Beschichtungen

• Kratzfrei, die Abriebfestigkeit ist außergewöhnlich

• Hohe Beständigkeit gegen aggressive Witterungseinflüsse wie Salz oder UV-Strahlen

• Hohe Beständigkeit gegen Säuren und Laugen und für den Hausgebrauch geeignet

Wozu dient die PVD-Beschichtung?

PVD-Beschichtung zur Oberflächenveredelung hat viele Anwendungen wie z. Einige davon werden erklärt:

• Luft- und Raumfahrtindustrie

Die hohe Haltbarkeit der PVD-Beschichtung ist der Hauptgrund für ihren Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Starke Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit machen es wünschenswerter. Sie halten hohen Temperaturen stand und funktionieren am besten bei extremen Temperaturschwankungen in Flugzeugen. Ein weiterer Grund für ihre Verwendung ist ihre leichte und dünne Schichtaufdampfung, die die anspruchsvollste Eigenschaft aller Materialien für Luft- und Raumfahrtanwendungen darstellt.

• Automobilindustrie

Die PVD-Beschichtung verbessert die Leistung von Fahrzeugkomponenten wie Motor, Kolben und Nockenwellen und verringert die Reibung. Die hohe Haltbarkeit der PVD-Beschichtung erhöht die Verschleißfestigkeit von Karosserieteilen wie Grill oder Stoßstange. Außerdem ist es kratzfrei und schützt den Körper vor Beschädigungen. Es wird auf Metalle, Kunststoffe oder Keramikmaterialien aufgetragen, die in der Automobilindustrie verwendet werden.

• Elektronikindustrie

Die PVD-Beschichtung wird zum Schutz von elektronischen Bauteilen wie PVD-Halbleitern eingesetzt und erhöht deren Lebensdauer durch Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit sowie der Abrieb- und Verschleißfestigkeit. Die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Elektronikartikeln wird verbessert und die hohe Haltbarkeit der PVD-Beschichtung sorgt für Zuverlässigkeit dieser Geräte.

• Medizinische Industrie

Die PVD-Beschichtung im medizinischen Bereich ist wie PVD-Stahl sehr anspruchsvoll, da sie Sicherheit für den Kontakt des menschlichen Körpers mit Metallen und Schutz vor schädlichen Auswirkungen bietet. Aus diesem Grund wird es vor allem in medizinischen Implantaten eingesetzt. Hohe Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit sowie eine hohe Haltbarkeit der PVD-Beschichtung machen sie zu einem anspruchsvollen Beschichtungstyp. Eine leichte und dünne Filmabscheidung auf dem Substrat sind auch wichtige Merkmale für den medizinischen Bereich der PVD-Beschichtung.

PVD-Produkte

PVD-Beschichtungen werden zur Oberflächenveredelung von medizinischen Werkzeugen, Motorteilen in Autos und der Luft- und Raumfahrtindustrie für Turbinenschaufeln, PVD-Stahl, PVD-Halbleiter und vielem mehr eingesetzt.

Vergleich mit anderen Abscheidungstechniken

Vorteile

Die PVD-Beschichtung hat gegenüber der herkömmlichen Abscheidungstechnik viele Vorteile. Und diese werden im Folgenden erklärt:

Ausdauer und hohe Haltbarkeit der PVD-Beschichtung

PVD-Beschichtungen sind für ihre hohe Härte sowie Abrieb- und Verschleißfestigkeit bekannt. Die Haltbarkeit aufgrund der Vakuumbeschichtung entfernt Sauerstoff und Feuchtigkeit aus den Materialien und erhöht ihre Lebensdauer vor Zersetzung. Die Dünnschichtabscheidung auf atomarer Ebene verbessert die Filmstruktur und -dichte, was eine starke Haftung der Beschichtung auf dem Substrat ermöglicht.

Bessere Korrosionsbeständigkeit

Die PVD-Beschichtung bietet beste Korrosionsbeständigkeitseigenschaften und eignet sich für Anwendungen in der Schifffahrtsindustrie, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie für Außenanwendungen. Die Kratz- und Korrosionsbeständigkeit der Dünnfilmabscheidung sorgt für eine glatte Oberfläche, deren Farbe während der gesamten Lebensdauer erhalten bleibt. Titanbeschichtungen und Zirkoniumbeschichtungen bieten eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Schneidwerkzeugen wie Bohrern, Werkzeugmaschinen usw.

Ästhetisch ansprechende Oberfläche

PVD-Beschichtungen verleihen jedem Material ein gutes Aussehen und erhöhen die optische Attraktivität. Eine helle und glänzende Oberfläche reflektiert das Licht und ist daher jeder anderen herkömmlichen Beschichtung vorzuziehen.

Umweltfreundlichkeit

Während des PVD-Beschichtungsprozesses werden keine schädlichen Chemikalien freigesetzt. Dies reduziert den Umgang und die Entsorgung giftiger Materialien und sorgt für einen vergleichsweise sauberen Prozess mit hoher Haltbarkeit. Aus diesem Grund findet es die meisten Anwendungen im medizinischen Bereich.

Einschränkungen

Die PVD-Metalloberfläche hat auch einige Nachteile. Einer davon ist, dass es sich um eine teure Behandlung handelt. Aufgrund der teuren Ausrüstung sind die Kapitalkosten hoch. Dieser Prozess ist relativ langsamer als die anderen Methoden, was zu einer langsameren Produktionsgeschwindigkeit führt. Auch die Anwendung komplexer Geometrien ist schwierig.

Umwelt- und Sicherheitsaspekte

Die PVD-Metalloberfläche ist ungiftig und setzt keine schädlichen Chemikalien frei. Es ist außerdem biokompatibel und weist ein Minimum an gefährlichen Abfällen auf. Dies steht im Einklang mit der weltweiten Forderung nach Nachhaltigkeit und Nullemissionen. Diese Beschichtung wurde bis zum Äußersten getestet, um das Ziel zu erreichen, andere Lösungen zu finden, die einen Ersatz für die Atmosphäre darstellen können, und die Ergebnisse zeigten, dass dies nur minimale ungiftige Abfälle verursacht und eine schadstofffreie Methode ist.

Bei einigen PVD-Beschichtungsmethoden kann es jedoch aufgrund inkompetenter Arbeitskräfte und schlechter Handhabung der Ausrüstung zu giftigen und gefährlichen Materialabfällen kommen, die Entzündungen, Reizungen und Allergien verschiedener Art verursachen können.

Fazit

Durch die Dünnfilmabscheidung aufgebrachte PVD-Metalloberfläche erhöht die Korrosions- und Verschleißfestigkeit eines Materials. Titanbeschichtungen und Zirkoniumbeschichtungen werden hauptsächlich zur Oberflächenveredelung eines Materials verwendet. Thermisches Verdampfen und Sputtern sind die beiden Methoden der PVD-Vakuumbeschichtung. Es wird hauptsächlich als Beschichtungsverfahren für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt. TOUFA CNC Machining bietet erstklassige PVD-Beschichtungsdienste zu erschwinglichen Preisen. TUOFA verfügt über jahrelange Erfahrung in den Bereichen Beschichtungsdienstleistungen, Rapid Prototyping und Fertigungsdienstleistungen. Kundenzufriedenheit steht bei uns an erster Stelle. Kontaktieren Sie uns für weitere Informationen zu unseren Dienstleistungen.

FAQ

Wie lange hält eine PVD-Beschichtung?

Die PVD-Metalloberfläche kann bei richtiger Ausführung hohen Temperaturen und hohem Druck standhalten und lange halten. Im Normalfall hat die PVD-Beschichtung eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren.

Vergoldung vs. PVD-Beschichtung

PVD hat als Titanbeschichtung eine hohe Haltbarkeit und weist eine viel höhere Korrosions- und Verschleißfestigkeit als eine Vergoldung auf. PVD hat eine längere Lebensdauer als eine Goldbeschichtung.

PVD vs. CVD-Beschichtung

PVD ist ein Vakuumbeschichtungsverfahren zur Oberflächenveredelung, bei dem Partikel im verdampften Zustand abgeschieden werden oder festes Material in atomarer Form zur Abscheidung verdampft wird. Beim CVD wird das Beschichtungsmaterial in Form von Gas und Dampf in eine Beschichtungskammer eingeleitet, um auf dem Substrat abgeschieden zu werden.

DLC vs. PVD-Beschichtung

DLC hat eine höhere Härte als PVD-Metalloberflächen. Diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen haben eine hohe Kratz- und Abriebfestigkeit und eine höhere Vickers-Härte als PVD-Beschichtungen.