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真空PVD鍍鉻技術的原理及優勢

發布時間：2023-02-10

　　電鍍鉻廣泛應用在機械、電子、化工、五金等各個行業，是應用最為廣泛的表面涂層。據不完全統計，我國目前擁有較大的電鍍廠3萬家以上，電鍍行業市場價值每年高達100億。然而電鍍鉻過程中所排放的廢水含有多種重金屬，尤其是致癌的六價鉻，毒性是普通三價鉻的100倍，被美國環境署列為17種高危毒性物質之一，嚴重污染周邊環境。盡管目前已經有多種廢水處理方法，但投資昂貴，難以在中小型電鍍企業中使用。隨著對環保問題的日益重視，發達國家已經全面禁止電鍍鉻技術的使用，全部轉包到包括中國在內的發展中國家，對環境造成了嚴重的污染。針對日益嚴重的環境問題，國家采取了更加嚴格的環境政策。最近規定，三年內全面停止電鍍鉻最關鍵的原料-鉻酐的生產，將導致眾多電鍍企業關閉。

　　為了尋求替代技術，國際國內進行了長期大量的工作。主要集中在化學鍍鎳磷、熱噴涂、電刷鍍。化學鍍鎳磷處理工藝存在一定程度的污染，并且硬度較低(Hv500-600);熱噴涂的效率較高，但對基體材料有一定要求，噴涂的材料有限，噴涂的表面粗糙，需要二次加工;電刷鍍具有比電鍍更好的附著力，對形狀比較簡單的部件使用效果較好，在大型機械設備大軸的修復中發揮了良好的作用，而對形狀復雜的工件則無法進行有效的鍍層，在性能上無法和電鍍鉻相比。用無污染的物理氣相沉積技術(PhysicalVaporDeposition：簡稱PVD)鍍鉻來代替傳統的電鍍鉻涂層是近年來發展的趨勢，國內外不少研究機構進行了許多有益的嘗試，包括電子束蒸法、離子束濺射、陰極電弧沉積以及磁控濺射等。其中電子束蒸發鍍膜效率較高，但其鍍膜方向性較強、均勻性較差、附著力低、不利于復雜外型工件的制備;陰極電弧沉積方法沉積速率較快，但放電過程中產生大量的液滴難以消除，涂層表面光潔度和耐腐蝕性能受到較大影響，為消除液滴必須進行過濾，導致沉積速率大幅度下降。傳統磁控濺射方法制備的涂層沒有液滴問題，同時制備溫度較低，可以在各種基體材料(如鋼鐵、有色金屬、塑料等)上進行制備，但載能離子較少，涂層速率較低，難以進行厚膜制備。上述各類鍍膜方法沉積速率一般在幾個微米/小時。而通用電鍍鉻一般要求厚度在50-150微米，若用傳統方法則意味著鍍10-30小時，涂層成本急劇上升。上述方法在進行厚膜制備時達到一定厚度后涂層生長速率降低，同時由于應力增大會導致涂層脫落，不能進行規模化的工業生產。

　　本技術以自主研發的電弧-濺射技術為基礎，吸收國外最新涂層技術，開發等離子體源增強的PVD鍍鉻新技術，取代現行電鍍鍍鉻技術，從根本上解決電鍍生產過程造成的重金屬污染問題。

　　一、PVD鍍鉻技術原理

　　本技術主要采用電弧-濺射技術，利用陰陽極之間的放電離化氬氣，使氬離子在作為陰極的靶材電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶原子，中性的靶原子或離子沉積在基片上，形成固體薄膜。本項目在上述原理的基礎上進行改進和新技術開發，采用改進的電弧-濺射技術提高靶功率密度，采用等離子體源增強技術提高鍍膜室的等離子體密度，從而開發出環保、高效的快速PVD鍍鉻新技術。

　　二、PVD鍍鉻技術的優勢

　　1.完全無污染的生產工藝過程

　　在涂層前處理中，采用環保型的金屬清洗劑對工件表面進行去油和脫脂處理，烘干后工件放入真空室中進行PVD鍍鉻處理。

　　鍍鉻過程以高純金屬鉻為原料，通入氮氣和氬氣等瓶裝氣體，在沉積鉻復合涂層的專用設備中，采用先進的等離子體源輔助電弧-濺射等先進技術，通過電場、磁場、等離子體和離子束流的作用，發生化學反應，實現了鉻復合涂層的生成。使用的原材料價廉易得，國內可以大量供應。在整個工藝生產過程中，沒有采用任何有毒有害的原料，是完全無污染的綠色環保生產技術。

　　2.優良的基體材料適應性

　　由于PVD鍍鉻裝置能夠提供較高的等離子體密度和靶功率密度，所制備涂層膜-基附著力強，可以在不同襯底材料上(鋼鐵、有色金屬、陶瓷)制備各類金屬和合金。而電鍍方法對于不同基材需要不同的處理工藝。對制備不同的涂層材料，PVD技術只需要更換靶材，而化學方法制備不同材料需要一系列復雜的配方和前處理工藝。

　　3.優越的涂層性能

　　與電鍍鉻相比，PVD鉻涂層的硬度更高。電鍍鉻的硬度一般為Hv800～900，而PVD方法可以達到Hv1500以上，同時耐磨性遠優于電鍍鉻。PVD方法在涂層制備過程中涂層致密，沒有孔洞，不會產生穿透性裂紋，導致腐蝕介質從表面滲透至界面而腐蝕基體，造成鍍層表面出現銹斑甚至剝落。

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