PVD装饰涂层的新挑战 - 文章

PVD装饰涂层的新挑战

作者：胡红兵译来源：《工具展望》

对于高端产品，长期保持其外观精美至关重要。这就对产品表面涂层的耐磨性提出了很高要求。设想一部手机放在口袋里与钥匙串磨擦许多年，却不会留下任何擦痕。这就是高端产品涂层必须面对的挑战。

市场动向

除了卫浴五金和门窗配件外，个人使用的小型电子设备（如PDA、移动电话、MP3播放器、数码相机等）已成为一个新的快速发展的市场。根据GARTNER的分析报告，最近三年来这些产品的市场已经增长了一倍。2005年，全世界的手机销量为2亿部，每部手机至少包括两个表面装饰部件。高端产品开发部门正在寻找色彩鲜艳而又高度耐磨擦的硬涂层。根据其使用要求，必须考虑许多问题，如镍过敏和使用六价铬等问题。基体材料既可以是塑料（如ABS/PC/PA），也可以是金属（如不锈钢、铝和镁合金）。由于这些材料或不能承受高温，或质地太软，或不导电，因此，如何将一种低成本、高硬度、高耐磨、高光亮的涂层涂覆到这些基材上，是对PVD涂层技术的新挑战。而目前为个人电子设备市场开发的这种涂层技术也将有益于汽车内饰产业的发展。

高硬度

高端产品装饰涂层必须具有高硬度。但一般来说，这只是对PVD装饰涂层的一种观念上的要求，因为对于绝大多数由Hauzer设备生产的PVD装饰涂层而言，高硬度是其内在性质。然而，拥有高硬度的PVD涂层只是解决问题的第一步，因为不仅需要考虑PVD涂层的硬度，而且必须考虑制成品的整体硬度。PVD涂层非常薄，一般只有0.3～0.5微米。这就意味着对于任何较大的载荷，产品的硬度是由PVD涂层基体的硬度决定的。不锈钢、铝和有铜-镍-铬镀层的塑料（如ABS）是典型的基体材料，但它们通常并不具有由这些材料制成的高端产品所要求的合适硬度，而这种硬度又是产品的表面耐磨性所必需的，因此需要在基体与PVD涂层之间形成一层厚而硬的中间层。由于涂层会随着厚度的增大而变得粗糙，从而使涂层表面丧失光亮，因此加厚PVD涂层并不是一个好的选择——它只会使表面变得粗糙难看！这就提出了一个附加要求：厚而硬的中间层应具有非常低的粗糙度。这样才能使沉积在中间层上面的PVD装饰涂层保持高光亮表面。理论上，对于这些中间层可以有多种选择。下面介绍一些Hauzer公司已经开发成功或正在开发的中间层。

应用于不锈钢基体的CrN涂层

在手机、PDA等高端小型电子设备的生产中，不锈钢是一种经常使用的基体材料。尽管很多人都认为不锈钢是一种硬质基体材料，但在很多情况下，它仍然不能提供足够的耐磨损、抗刮擦能力。例如，SS304的典型硬度约为250HV0.025（载荷为25克时测得的维氏硬度）。在此情况下，通过添加一个CrN中间层，可以增加基体＋PVD涂层系统的硬度。CrN涂层的硬度高达3000HV0.0050，是不锈钢基体硬度的若干倍。中间层的厚度取决于给定载荷下制成品所需硬度，而该硬度又取决于产品所需的耐磨性。中间层厚度对于制成品硬度起着决定性作用。对于非常薄的CrN涂层来说，施加的载荷将通过涂层直接传递给基体，因此测得的硬度实际上等于不锈钢基体的硬度。随着CrN涂层厚度的增加，施加的载荷不再完全通过涂层传递，测得的硬度也开始增大。当达到某一确定的厚度时，施加的载荷将完全被CrN涂层吸收。此后即使涂层厚度再增加，测得的硬度也不会增大。

电弧沉积技术和溅射沉积技术均可用于沉积CrN涂层。当所需涂层较厚时，溅射沉积技术具有可保持涂层光滑的优势，从而能确保制成品具有高光洁度表面。

应用于不锈钢基体的超硬涂层

与上述例子类似，利用超硬涂层作为中间层可以增加制成品的硬度。为了验证这一点，在一些不锈钢基体上进行了试验。不锈钢的硬度为200HV0.025。在基体上涂覆了多层涂层，为使基体与最外层的超硬涂层之间粘结良好，采用了几层中间粘结层，这是在金属基体上涂覆超硬涂层时普遍采用的方案。通过沉积足够厚度的涂层，被涂产品的硬度在不同载荷下增加了2.5～9倍。

使用超硬涂层的挑战在于如何使超硬基底涂层与PVD彩色装饰涂层之间具有良好的粘结性。初期的开发结果使我们有信心获得良好的粘结性能。

应用于塑料基体的PVD涂层

塑料基体在涂覆PVD装饰涂层之前，通常先要电镀铜-镍-铬层。电镀层的总厚度可达到30微米，其结果是在较大载荷范围内涂层具有相对不变的硬度。

测得的硬度并不随施加的载荷变化，这表明电镀层吸收了全部作用力（即使载荷很大）。尽管测得的硬度绝对值约为400HV，比任何塑料基体的典型维氏硬度（Hv<10）大得多，但相对而言硬度值仍然偏低。为此，可采用上文提及的类似方法，在电镀层与PVD装饰涂层之间增加一个中间层，以增加产品的整体硬度。然而这里存在一个很大的限制，就是温度。塑料基体的熔点决定了能用于涂层工艺的最高温度，通常这意味着中间层的涂层时间将大大增加。一种全新的方法是完全取消电镀层，在塑料基体上直接涂覆中间层。中间层的沉积工艺必须在严格限制的温度条件下具有合理的沉积率。此外，由于塑料基体不导电，因此沉积工艺不能使用直流偏压。Hauzer公司目前正在研发能满足上述要求的涂层工艺。(end)

(投稿) (2007-5-28，阅读757次)

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