معیار های جایگزینی
هنگامی که مهندسان و فناوران سطح ملزم به اصلاح یا حتی جایگزینی یک فرآیند پوشش دهی قدیمی در پوشش های کاربردی یا تزئینی با یک فرآیند یا ماده پوشش دهنده جدید هستند، اطلاعات و داده های بسیاری در خصوص فناوری های جایگزین موجود به خصوص در زمینه تجهیزات و راکتورهای PVD باید مورد مطالعه قرار گیرد. ارزیابی معمولا با مقایسه ساده ای در زمینه شرایط اولیه و پارامترهای لایه نشانی آغاز می شود. در این ارزیابی بر موارد زیر تاکید می شود: اندازه راکتور و فرآیند پوشش دهی، نرخ پوشش دهی، خواص پوشش ، مواد زیرلایه و پرداخت سطحی، چسبندگی، مقاومت در برابر سایش و خوردگی، محدودیت های محیطی و هزینه ها.
در جدول زیر، نمونه ای از مقایسه پارامترهای رایج پوشش دهی برای تکنیک‌های آبکاری الکترو و الکترولس و فرآیندهای PVD نشان داده شده است.
| آبکاری الکترولس | آبکاری الکترو | فرآیند های PVD | |
| مواد قابل استفاده در پوشش | Ni, Ni-P, Ni-B, Co, Cu, Pd, Au | Cr, Cu, Ni, Cd, Co, Fe, Sn, Pd, Ag, Rh, Zn و آلیاژهایشان | فلزات خالص، آلیاژها، نیتریدها، اکسیدها، کاربیدها، پوشش چندلایه |
| دمای زیرلایه (oC) | 25-100 | 25-150 | نقطه تبخیر تا دمای 500- 100 |
| نرخ لایه نشانی (µm.min-1) | 0.2-2.0 | 0.2-150 | 0.2-10 برای بخار 20-0.2 |
| اتمسفر فرآیند | محیط و دمای اتاق، احیای شیمیایی | محیط و دمای اتاق، الکترولیز | خلا، mbar 10-2-10-6 آرگون، گازهای فعال |
| ضخامت پوشش(µm) | 2-50 | 2-500 (تا 12 میلیمتر) | 0.5-50 |
| خواص پوشش | باید تنظیم شود | باید تنظیم شود، بهینه شده | باید از پیش مشخص باشد، بهینه شده برای زیرلایه |
| ابعاد قطعه | محدود به حمام یا بشکه | محدود به حمام آبکاری | محدود به ابعاد راکتور |
| جنس قطعه | مس، برنج، آهن، فولاد، منیزیم، پلاستیک، شیشه | آبکاری ساده: فولاد، مس، آلومینیوم با عملیات خاص: فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، منیزیم، پلاستیک آبکاری پیچیده: Ti,Mo,W,Nb,Ta,شیشه |
محدودیتی ندارد آلیاژها، پلاستیک و شیشه |
جایگزین برای کادمیوم
کادمیوم اعمال شده به روش آبکاری به دلیل ایجاد روانکاری (در رزوه ها) و قابلیت جوش پذیری دیر زمانی است که در مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این ماده به منظور محافظت در برابر خوردگی آهن ، فولاد کربنی و کم آلیاژ به ویژه در محیط های نمکی و صنعتی استفاده شده است.
از آنجا که Cd ماده ای بسیار سمی است ، کشورهای زیادی قبلاً استفاده از آن را در دهه های 80 و 90 ممنوع کرده اند. با این حال، به دلیل ترکیب خواص خوب مقاومت در برابر خوردگی و روانکاری، Cd همچنان برای ساخت اتصالات صنعت هوافضا و در بسیاری از کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار می گیرد.
آلومینیوم ،روی خالص و آلیاژ های روی به عنوان جایگزین های Cd پیشنهاد شده و قبلاً در عمل نیز استفاده شده اند. روی که بعنوان یک پوشش مقاوم در برابر خوردگی برای فولادها شناخته شده است، به وضوح می توانست به عنوان جایگزینی برای Cd باشد. آلیاژهای روی-نیکل و قلع-روی نیز، به عنوان جایگزین Cd هرچند به طور محدود، تولید شده اند.
آلومینیوم را میتوان توسط یک فرآیند رسوب بخار یونی (IVD) ، با چسبندگی عالی ، سرعت رسوب بالا و مورفولوژی سطح کنترل شده ، لایه نشانی کرد. این فرآیند IVD، اولین فناوری PVD است که با موفقیت توانست آلومینیوم را جایگزین یک پوشش گالوانیک سنتی کند.
همچنین می توان از آلیاژ Al-Mg به عنوان جایگزین پوشش های سنتی Cd استفاده کرد. این آلیاژ با اعمال به میزان تنها 0.2 میکرو متر، مقاومت به خوردگی (علی الخصوص pitting) را به خوبی افزایش می‌دهند.
جایگزین های روی
برای سالهای متمادی پوششهای آبکاری شده ی روی به همراه تکنیک‌های کروماته کردن باعث ایجاد سطوحی نرم ، چکش خوار ، تزئینی ، مقاوم در برابر خوردگی و جوش پذیر در صنایع خودرو ، ماشین آلات و ساختمان شده اند. روی با فداکاری خود از زیرلایه (فولادها ، مس ، آلومینیوم) محافظت می کند و قبل از رسیدن آسیب به مواد زیرلایه ، از بین می رود.
در سالهای اخیر در صنعت خودرو ، جایی که طراحی ها و مواد به سرعت در حال تغییر هستند، نیاز به توسعه پوشش های سازگار با محیط زیست توجه زیادی به خود جلب کرده است. از جمله این پوشش ها می توان به پوشش هایی از جنس آلیاژهای روی (Co ، Ni ، Fe ، Al ، Mg ، Mn)، پوشش های چند لایه و پوشش های چند منظوره اشاره کرد.
درصورتی که بتوان فرآیند لایه نشانی بهینه ای برای آلیاژهای روی فوق الذکر، یعنی Zn-Ni ، Zn-Co ، Zn-Al ، Zn-Mg ، Zn-Fe و Zn ، ایجاد کرد، فناوری PVD تبدیل به جایگزینی بسیار مناسب برای پوشش دهی گالوانیکی آلیاژ روی خواهد شد. مشکلات مربوط به توسعه فرآیند لایه نشانی برای این نوع آلیاژها نسبت به پوششهای سخت نیترید پیچیده تر است. برای یک آلیاژ خاص، یکی از فرآیندهای موجود (آبکاری یونی ، رسوب دهی پاشش نامتقارن مگنترون یا رسوب دهی با کمک پرتو یونی) باید با توجه به خواص سطح مورد نیاز بهینه سازی و استفاده شود.
جایگزین کردن صنعتی فناوری PVD برای آبکاری روی تنها هنگامی عملی خواهد بود که خواص بدست آمده برای پوشش اعمال شده به این روش نزدیک و یا بهتر از خواص بدست آمده به روش آبکاری باشد. علاوه بر این، صرفه اقتصادی و زیست محیطی نیز باید در نظر گرفته شود.
جایگزین های پوشش سخت کرومی
پوشش سخت کرومی، به عنوان یک لایه محافظ در برابر سایش و خوردگی و همچنین به عنوان رویه تزئینی میلیون ها محصول مختلف در سراسر جهان استفاده می شود. این پوشش از یک حمام شیمیایی حاوی یون های کروم شش ظرفیتی (Cr6+) تولید می شود. در تمام مقررات زیست محیطی ، Cr6+ به عنوان یک ماده سرطان زا برای انسان طبقه بندی می شود.
آبکاری کروم سخت، حجم زیادی زباله سمی حاوی کروم، آلودگی هوایی و آلودگی آب را به همراه دارد. به همین دلایل، فرایندهای جایگزین، مواد جایگزین و طرحهای جدید جایگزین این روش برای سالها تحت بررسی بوده اند.
پوشش های اعمال شده در خلا (PVD) به عنوان جایگزینی برای پوشش های گالوانیک در کاربردهای خاص به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند. امروزه فرآیندهای تبخیر خلا ، رسوب اشعه یونی ، آبکاری یون ، پاشش نامتقارن مگنترون و رسوب دهی با قوس کاتدی می توانند طیف گسترده ای از پوشش های مقاوم به سایش ، مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم به اکسیداسیون را تولید کنند. اما فقط تعداد کمی می توانند به عنوان جایگزین مستقیم پوشش کروم سخت در مقیاس صنعتی در نظر گرفته شوند. در این میان میتوان به روش پاشش و قوس کاتدی کروم (Cr) ، نیترید کروم (CrN)، کاربید کروم (CrC) و چندین نوع پوشش چندلایه را تولید کرد. ضخامت در پوششهای PVD جایگزین پوشش کروم سخت( که دارای ضخامت µm 0.5-30هستند) نقش تعیین کننده ای دارد. با اتکا به این که اعمال لایه های نازک CrN و CrC برای کاربردهای تزئینی، حتی بر روی زیر لایه های دارای هندسه پیچیده و جنس های مختلف مواد آسان است، مشخص شد که ترکیبی از اعمال پوششهای PVD بر روی پوششهای گالوانیک Ni-P در برآورده ساختن نیاز های محافظت از خوردگی، در عین دستیابی به ضخامت پوشش مناسب، بسیار موفق خواهد بود. این پوشش ها حتی در جایگزینی پوشش های بسیار ضخیم تر ، یعنی µm10-30 نیز موفق هستند.