電鍍鉻廣泛應(yīng)用在航空航天、機(jī)械、電子、化工、五金等各個(gè)行業(yè)，是應(yīng)用最為廣泛的表面涂層。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前擁有較大的電鍍廠3萬(wàn)家以上，電鍍行業(yè)市場(chǎng)價(jià)值每年高達(dá)100億。然而電鍍鉻過(guò)程中所排放的廢水含有多種重金屬，尤其是致癌的六價(jià)鉻，毒性是普通三價(jià)鉻的100倍，被美國(guó)環(huán)境署列為17種高危毒性物質(zhì)之一，嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。盡管目前已經(jīng)有多種廢水處理方法，但投資昂貴，難以在中小型電鍍企業(yè)中使用。隨著對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)全面禁止電鍍鉻技術(shù)的使用，全部轉(zhuǎn)包到包括中國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。針對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，國(guó)家采取了更加嚴(yán)格的環(huán)境政策。最近規(guī)定，三年內(nèi)全面停止電鍍鉻最關(guān)鍵的原料-鉻酐的生產(chǎn)，將導(dǎo)致眾多電鍍企業(yè)關(guān)閉。
為了尋求替代技術(shù)，國(guó)際國(guó)內(nèi)進(jìn)行了長(zhǎng)期大量的工作。主要集中在化學(xué)鍍鎳磷、熱噴涂、電刷鍍?；瘜W(xué)鍍鎳磷處理工藝存在一定程度的污染，并且硬度較低(Hv 500-600);熱噴涂的效率較高，但對(duì)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(duì)形狀比較簡(jiǎn)單的部件使用效果較好，在大型機(jī)械設(shè)備大軸的修復(fù)中發(fā)揮了良好的作用，而對(duì)形狀復(fù)雜的工件則無(wú)法進(jìn)行有效的鍍層，在性能上無(wú)法和電鍍鉻相比。用無(wú)污染的物理氣相沉積技術(shù)(Physical Vapor Deposition：簡(jiǎn)稱(chēng)PVD)鍍鉻來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電鍍鉻涂層是近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)進(jìn)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(fā)鍍膜效率較高，但其鍍膜方向性較強(qiáng)、均勻性較差、附著力低、不利于復(fù)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(guò)程中產(chǎn)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(jìn)行過(guò)濾，導(dǎo)致沉積速率大幅度下降。傳統(tǒng)磁控濺射方法制備的涂層沒(méi)有液滴問(wèn)題，同時(shí)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(jìn)行制備，但載能離子較少，涂層速率較低，難以進(jìn)行厚膜制備。上述各類(lèi)鍍膜方法沉積速率一般在幾個(gè)微米/小時(shí)。而通用電鍍鉻一般要求厚度在50-150微米，若用傳統(tǒng)方法則意味著鍍10-30小時(shí)，涂層成本急劇上升。上述方法在進(jìn)行厚膜制備時(shí)達(dá)到一定厚度后涂層生長(zhǎng)速率降低，同時(shí)由于應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致涂層脫落，不能進(jìn)行規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)。
本技術(shù)以自主研發(fā)的電弧-濺射技術(shù)為基礎(chǔ)，吸收國(guó)外最新涂層技術(shù)，開(kāi)發(fā)等離子體源增強(qiáng)的PVD鍍鉻新技術(shù)，取代現(xiàn)行電鍍鍍鉻技術(shù)，從根本上解決電鍍生產(chǎn)過(guò)程造成的重金屬污染問(wèn)題。
一、 PVD鍍鉻技術(shù)原理
本技術(shù)主要采用電弧-濺射技術(shù)，利用陰陽(yáng)極之間的放電離化氬氣，使氬離子在作為陰極的靶材電場(chǎng)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(xiàng)目在上述原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和新技術(shù)開(kāi)發(fā)，采用改進(jìn)的電弧-濺射技術(shù)提高靶功率密度，采用等離子體源增強(qiáng)技術(shù)提高鍍膜室的等離子體密度，從而開(kāi)發(fā)出環(huán)保、高效的快速PVD鍍鉻新技術(shù)。
二、 PVD鍍鉻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
1. 完全無(wú)污染的生產(chǎn)工藝過(guò)程
在涂層前處理中，采用環(huán)保型的金屬清洗劑對(duì)工件表面進(jìn)行去油和脫脂處理，烘干后工件放入真空室中進(jìn)行PVD鍍鉻處理。鍍鉻過(guò)程以高純金屬鉻為原料，通入氮?dú)夂蜌鍤獾绕垦b氣體，在沉積鉻復(fù)合涂層的專(zhuān)用設(shè)備中，采用先進(jìn)的等離子體源輔助電弧-濺射等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、等離子體和離子束流的作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了鉻復(fù)合涂層的生成。使用的原材料價(jià)廉易得，國(guó)內(nèi)可以大量供應(yīng)。在整個(gè)工藝生產(chǎn)過(guò)程中，沒(méi)有采用任何有毒有害的原料，是完全無(wú)污染的綠色環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)。
2. 優(yōu)良的基體材料適應(yīng)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(qiáng)，可以在不同襯底材料上(鋼鐵、有色金屬、陶瓷)制備各類(lèi)金屬和合金。而電鍍方法對(duì)于不同基材需要不同的處理工藝。對(duì)制備不同的涂層材料，PVD技術(shù)只需要更換靶材，而化學(xué)方法制備不同材料需要一系列復(fù)雜的配方和前處理工藝。
3. 優(yōu)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(dá)到Hv1500以上，同時(shí)耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于電鍍鉻。PVD方法在涂層制備過(guò)程中涂層致密，沒(méi)有孔洞，不會(huì)產(chǎn)生穿透性裂紋，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)從表面滲透至界面而腐蝕基體，造成鍍層表面出現(xiàn)銹斑甚至剝落;