PVD на цинковых отливках: цвета и износостойкость

PVD-покрытие на цинковых отливках — это ступень вакуумного напыления, а не гальваническая ванна, и она добавляет цвет и износостойкость готовой поверхности. Плёнка имеет толщину 0,5–3 мкм и осаждается при 120–150 °C, что заметно ниже диапазона, в котором отливка из Zamak 5 (ASTM B86 AC41A) изменила бы размеры. Результат решают три условия: поверхность в масштабе плёнки, названный пакет слоёв под ней и маскирование на поверхностях, которые должны остаться чистыми. Шаг PVD-покрытия идёт последним, и предыдущие шаги решают, удержится ли он и как долго.

Что такое PVD на цинке

PVD (физическое осаждение из паровой фазы) — вакуумный процесс: твёрдую мишень испаряют, а пар конденсируется на детали тонкой плёнкой. На цинке подложка остаётся при 120–150 °C, а плёнка ложится слоем 0,5–3 мкм, поэтому цинковая отливка сохраняет размеры за время покрытия. Осадок повторяет полированную поверхность, а не перестраивает её: что было до напыления, то и останется после.

Твёрдость даёт химическое соединение верхнего слоя, и рабочий диапазон декоративных нитридных плёнок — 1500–3000 HV (типично). Эта твёрдость лежит на мягкой цинковой подложке, поэтому плёнка защищает поверхность только пока металл под ней остаётся подпёртым. Вмятина на отливке становится трещиной в плёнке — и это первый предел того, где PVD уместен.

Чем PVD не является

PVD — не гальваника и не ремонтная операция. Гальваника наращивает толщину из раствора и выравнивает поверхность по мере роста; PVD добавляет плёнку, которая копирует геометрию, на которую садится. Ни течения, ни выравнивания, ни заполнения в вакуумной камере не происходит — плёнка только ложится на то, что есть.

Эта разница задаёт правило и для пор, и для царапин. Открытая пора в десятки микрометров намного больше плёнки 0,5–3 мкм, поэтому пар покрывает стенку поры, а сама пора остаётся открытой. Царапина, холодный шов или скруглённая кромка ведут себя так же: до покрытия их видно, после — ещё лучше, потому что плёнка добавляет дефекту цветовой контраст.

То же оборудование покрывает оснастку, но там задача другая. На форме плёнка защищает инструментальную сталь от износа и продлевает жизнь формы; на детали она должна хорошо выглядеть и выдерживать обращение. PVD на пресс-формах и штампах описывает сторону оснастки, где приёмка держится на абразивном износе и сетке разгара, а не на цвете.

Пакет слоёв: гальваника плюс верхний слой

Пакет слоёв — это вся последовательность операций между цинком и видимым цветом. На декоративных цинковых деталях он обычно означает гальваническую основу из меди и никеля с верхним слоем PVD, и толщины гальваники в этом пакете ещё предстоит подтвердить. Гальваника выравнивает отливку и несёт коррозионную нагрузку; верхний слой даёт цвет и износостойкость. Разделение обязанностей и есть причина, по которой пакет задают целиком.

Замаскированные поверхности показывают именно этот пакет, а не голый цинк под плёнкой. Когда плёнка останавливается на линии маски, открытая поверхность — никель, и это и есть задуманный результат: шов закрывается по покрытому металлу, а защита от коррозии не держится на одном верхнем слое. Пакет без гальваники открывает цинк на той же поверхности и меняет и коррозионный результат, и совпадение цвета.

Типы плёнок и толщина

Тип плёнки — это соединение, которое образует верхний слой, а толщина — сколько его ляжет на видимую поверхность. Нитрид титана (TiN) несёт золотое семейство, карбонитрид титана (TiCN) уводит к розовому и чёрному, нитрид хрома (CrN) даёт ганметалл и чёрный, а нитрид циркония (ZrN) стоит между золотом и шампанью. Каждая из этих плёнок осаждается внутри одного и того же окна 0,5–3 мкм, и окно задаёт процесс, а не наоборот.

Толщина внутри окна — это компромисс, а не цель, которую надо максимизировать. Каждый лишний микрометр что-то покупает и что-то отнимает. Более толстая плёнка закрывает более высокий пик и дольше держит цвет при износе, а ещё накапливает напряжения, смягчает чёткость кромки и уводит цвет. Диапазон 0,5–3 мкм — рабочее окно для декоративного цинка, а не коррозионная спецификация: стойкость в соляном тумане даёт пакет, а не один верхний слой.

Диапазон цветов и его пределы

Цвет даёт соединение верхнего слоя и его толщина, а не краситель и не краска: пигмента в процессе нет. Диапазон закрывает пять семейств: золото, шампань, розовое золото, чёрный и ганметалл. Каждое семейство — это окно, а не одна точка, и окно сужается по мере того, как деталь становится площе и крупнее.

Два предела важны тогда, когда цвет задан в чертеже. Цвет смещается с толщиной, поэтому деталь, покрытая по нижней границе окна, не совпадёт с деталью с верхней границы под светом D65. Цвет смещается и с углом на скруглённом корпусе, где пар приходит на поверхность под разным углом: плоский фронт читается ровно, а составная кривая — как градиент.

Испытания адгезии и коррозии

Адгезия — это связь плёнки со слоем под ней, а коррозионная стойкость — ответ пакета на солевую среду. Адгезию проверяют решётчатым надрезом и отрывом ленты по ASTM D3359, где 4B–5B — полоса прохода. Коррозию проверяют в нейтральном соляном тумане по ASTM B117 в течение 48 ч в качестве отсеивающего испытания.

Ни одно из двух испытаний не доказывает срок службы. Отсев 48 ч в тумане сравнивает один пакет с другим; он не описывает год на улице. Испытание лентой меряет связь плёнки с гальваникой, и деталь может пройти на 4B–5B, пока пора в другом месте той же поверхности даст белую коррозию после влажного хранения.

Глубокая полость и затенение

Затенение — это утонение плёнки внутри углубления, куда пар доходит под скользящим углом. Осадок идёт по прямой видимости, поэтому полость, глубже своей ширины, получает меньше материала на дне и на дальней стенке. Тонкая зона читается тёмной линией, как только нанесён цвет, и появляется на стенке, отвёрнутой от мишени. Чем глубже полость, тем шире эта зона.

Угол наклона на подвеске и вращение детали уменьшают затенение, но не убирают его полностью. Наклон детали к мишени, поворот вокруг двух осей и открытие маски у устья полости поднимают толщину плёнки внутри углубления. Полость в несколько раз глубже своей ширины всё равно покажет линию на одной стенке, и такой детали нужна правка конструкции, а не более длинный цикл покрытия.

Маскирование и шов

Маскирование — это физический экран, который не пускает плёнку на поверхность, которая должна остаться в допуске. На копилке маскируют сопрягаемые поверхности, резьбу и прорезь для монет; общее правило для любой детали — установочная или герметизирующая поверхность плёнки не получает. Плёнка измеряется микрометрами, и этого всё равно хватает, чтобы изменить посадку, которая закрывается по обработанному металлу.

Качество маски видно по кромке, и по ней же его принимают. Маска, которая «ползёт», оставляет мягкую рваную границу плёнки, а слишком щедрая закрывает видимую поверхность и оставляет голую полосу. Маршрут процесса для копилки идёт в том же порядке на реальном корпусе: полировка, чистовой рез сопрягаемой поверхности, затем покрытие с замаскированной поверхностью.

Когда PVD — неверный выбор

PVD — неверный выбор, когда рабочая нагрузка превышает то, что может нести плёнка в микрометр, или когда геометрию нельзя покрыть равномерно по всей видимой поверхности. Детали с постоянной уличной солевой нагрузкой нужна более толстая гальваническая система, потому что отсев 48 ч в тумане не моделирует морской цикл. Деталь, которая принимает точечный удар по мягкому цинку, отказывает вмятиной металла и трещиной плёнки над ней.

Ещё три случая закрывают разговор: открытая пористость на видимой поверхности, слепая полость, глубина которой обгоняет ширину, и большая плоская поверхность, которая должна совпасть по цвету в пределах партии. В каждом из них шаг покрытия либо множит уже существующий дефект, либо вообще не достаёт до поверхности. Деталь из Zamak с зеркальным PVD — обратный случай, где полированная подложка и открытая геометрия дают плёнке лечь ровно.

FAQ

1. Можно ли нанести PVD на Zamak 5?

2. Какая шероховатость нужна для PVD на цинковой отливке?

3. Нужно ли обрабатывать сопрягаемую поверхность до полировки?

4. Зачем копилке-неваляшке утяжелённое основание из Zamak?

5. Может ли PVD заменить хромирование деталей из Zamak?