Пакрыцці з алмазападобнага вугляроду (DLC) вядомыя сваімі выключнымі механічнымі і трыбалагічнымі ўласцівасцямі. Для стварэння гэтых пакрыццяў звычайна выкарыстоўваюцца фізічныя метады асаджэння з паравой фазы, такія як распыленне, іённа-прамянёвае, імпульснае лазернае асаджэнне і катодныя вакуумна-дугавыя сістэмы.
Але ў чым розніца паміж DLC і PVD-пакрыццём? Чым DLC-пакрыццё лепшае за PVD-пакрыццё?
PVD, або фізічнае асаджэнне з паравой фазы, — гэта метад, які прадугледжвае выпарванне розных металаў, а затым іх нанясенне на паверхню ў нагрэтым вакууме. У той час як DLC-пакрыццё — гэта перадавы метад нанясення тонкаплёнкавых пакрыццяў. Асноўнае адрозненне заключаецца ў тым, што DLC выкарыстоўвае від вугляроду замест распылення на групу металаў.
Вуглярод мае невялікі памер атама, ад ~0.15 да ~0.22 нм у дыяметры, і таму можа ствараць тоўстую плёнку з высокім каэфіцыентам упакоўкі.
Ну, для большасці працэсаў нанясення асноўны механізм аднолькавы: атамы вугляроду атрымліваюць пэўную колькасць энергіі і ўціскаюцца ў падкладку. Аднак кожны працэс нанясення мае зменную колькасць энергіі на адзінку іона. Розныя працэсы нанясення надаюць DLC-пакрыцці розныя ўласцівасці.
Абодва выконваюць адну і тую ж функцыю, але DLC забяспечвае больш якаснае, больш трывалае і ўстойлівае да драпін пакрыццё.
DLC-пакрыцці набіраюць папулярнасць у прамысловасці дзякуючы сваім выдатным механічным і трыбалагічным уласцівасцям. DLC-пакрыцці хімічна інертныя, біясумяшчальныя і ўстойлівыя да акіслення, з тэрмічнай стабільнасцю да 300 ° C.
Шмеленмаер упершыню апісаў вугляродныя пакрыцці, атрыманыя з дапамогай плазмы тлеючага разраду ў прысутнасці ацэтылену. 1953Вугляродны пласт прадэманстраваў добрую ўстойлівасць да драпін і цвёрдасць. З-за павелічэння алмазападобнай долі і ўласцівасцей, выяўленых у пакрыццях, вугляродныя пакрыцці паступова называюць DLC.
Як наносіцца DLC-пакрыццё? Якія метады выкарыстоўваюцца для нанясення тонкіх плёнак DLC?
Давайце разбярэмся ў гэтым падрабязна.
Метады нанясення DLC
На працягу некалькіх дзесяцігоддзяў навукоўцы эксперыментавалі з рознымі метадамі стварэння слаёў алмазападобнага вугляроду (DLC). Метады нанясення DLC можна падзяліць на фізічнае нанясенне з паравой фазы (PVD) і хімічнае нанясенне з паравой фазы (CVD) — два асноўныя метады стварэння слаёў DLC.
Крыніцай вугляроду ў метадзе PVD з'яўляецца цвёрдае рэчыва (графіт), тады як крыніцай вугляроду ў метадзе CVD з'яўляецца газ (вуглявод, напрыклад, метан). Дугавое, распыляльнае і лазернае асаджэнне з паравой фазы з'яўляюцца тыпамі PVD.
Радыёчастотны (РЧ), пастаянны ток (ДТ), іанізацыйны датчык Пенінга (PIG) і самаразрад — усё гэта метады хімічнага осаджання (ХОА). На малюнку ніжэй паказаны ХОА з плазмай ВЧ-разраду, ХОА з плазмай PIG і дугавая ХОА, якія мы выкарыстоўвалі.
Тэхніку нанясення можна падзяліць на шэсць відаў падыходаў, заснаваных на распаўсюджанасці з'яў або тыпе фізічнага, хімічнага або фізіка-хімічнага ўзаемадзеяння з асяродкам або падкладкай: механічны, тэрмамеханічны, цеплавы, электрахімічны, хімічны і фізічны.
Найбольш шырока выкарыстоўваюцца метады плазменна-асіставанага хімічнага асаджэння з паравой фазы (PACVD). Гэтыя тэхналогіі дазваляюць фармаваць пласты пры нізкіх тэмпературах шляхам актывацыі хімічных працэсаў у газавай фазе, якая ўяўляе сабой нізкатэмпературную плазму.
Тэхналогіі вытворчасці DLC
Будова атама
Які тып атамных сувязяў прыводзіць да добрых механічных уласцівасцей DLC?
Атамы вугляроду ўтвараюць тры розныя тыпы сувязей: sp1, sp2 і sp3. Алатропы вугляроду, такія як графіт і алмаз, утвараюцца ў выніку розных канфігурацый сувязей паміж атамамі вугляроду. У выніку, структуры атамных сувязей, якія прыводзяць да мікраструктуры, адыгрываюць ключавую ролю ў фарміраванні такіх як цвёрдасць, модуль Юнга, глейкасць або трэнне, а таксама знос.
Тэндэнцыі ўдасканалення DLC-пакрыццяў
Як можна палепшыць DLC-пакрыццё? Якія апошнія тэндэнцыі існуюць для паляпшэння DLC-пакрыццяў?
Тэндэнцыя да паляпшэння DLC-пакрыццяў з выкарыстаннем легіравання замежнымі элементамі для паляпшэння характарыстык DLC пачалася ў пачатку... 1990sДля дасягнення жаданых уласцівасцей пакрыцці DLC сумесна распыляліся з рознымі кампанентамі. Сярод элементаў, якія выкарыстоўваліся для паляпшэння карозіі, былі сурьма, ёд і азот для электрычных уласцівасцей, хром і тытан для адгезіі, трэння і зносу, срэбра і фтор для медыцынскіх мэтаў, медзь для супрацьабрастання, а таксама цырконій.
Аднак было выяўлена, што паляпшэнне некаторых якасцей DLC з дапамогай легіравання замежнымі элементамі патрабуе кампрамісу з іншымі характарыстыкамі.
Было праведзена шмат даследаванняў па павышэнні трываласці і трэння DLC шляхам легіравання металічнымі элементамі ў дыяпазоне ад 0.2 працэнта да 20% каб кампенсаваць цвёрдасць і хуткасць зносу DLC. Апублікавана мала даследаванняў цвёрдасці, глейкасці, напружанняў, трэння і зносу DLC у сувязі з легаваннем металам.
Напрыклад, зніжэнне рэшткавага напружання з 2.5 да 0.5 ГПа і каэфіцыента трэння з 0.12 да 0.03 пры выкарыстанні 18 працэнтаў алюмінію зніжае цвёрдасць з 24 да 8 ГПа, адначасова павялічваючы хуткасць зносу з 2.5*3^ 10^-8 да 13*3^10^-8 мм3/Нм.
Падобным чынам, легіраванне тытанам у DLC зніжае рэшткавае напружанне з 0.9 да 0.3 ГПа і каэфіцыент трэння з ~1.0 да ~0.05, але таксама зніжае цвёрдасць з ~10.5 да ~9 ГПа.
Паляпшэнне DLC-пакрыцця з дапамогай легаванага DLC-нанакампазіту
Падкладка для DLC-пакрыцця
Які тып падкладкі можна выкарыстоўваць для DLC-пакрыцця? Ці патрабуецца папярэдняя апрацоўка падкладкі?
Існуе шырокі спектр падкладак, якія можна выкарыстоўваць для DLC-пакрыццяў. Аднак падкладка павінна вытрымліваць большую частку прыкладзенай нагрузкі, а DLC-пакрыцці маюць вельмі тонкі натуральны пласт. Такім чынам, пластычная дэфармацыя будзе адбывацца, калі падкладка недастаткова трывалая, каб вытрымаць кантактную нагрузку і, такім чынам, пакрыццё, што прывядзе да яго заўчаснага разбурэння.
У апошнія гады задача паляпшэння ўласцівасцей цвёрдых DLC-пакрыццяў шляхам папярэдняй тэрмахімічнай апрацоўкі падкладкі прыцягнула вялікую ўвагу, што прывяло да распрацоўкі новага метаду, вядомага як дуплекснае лячэнне.
Плазменнае азатаванне сталёвай падкладкі перад нанясеннем пакрыцця шырока выкарыстоўваецца для паляпшэння механічных якасцей падкладкі і пакрыцця. Было паказана, што плазменнае азатаванне сталёвай падкладкі павялічвае грузападымальнасць кампазіта пакрыццё-падкладка.
У некаторых выпадках DLC-пакрыццё можа не прыліпаць непасрэдна да падкладкі (апрацаваная нержавеючая сталь). У той жа час для аздаблення DLC-пакрыццяў выкарыстоўваліся прамежкавыя пласты, каб палепшыць адгезію.
Трыбалагічныя характарыстыкі пакрыцця DLC
Якія трыбалагічныя характарыстыкі DLC-пакрыцця ў вільготным і сухім асяроддзі? Наколькі яно карыснае?
У параўнанні з аб'ёмнымі матэрыяламі і іншымі зносаўстойлівымі пакрыццямі, пакрыцці з алмазападобнага вугляроду (DLC) маюць нізкае трэнне і высокую зносаўстойлівасць. На трэнне і зносаўстойлівасць DLC-плёнак значна ўплывае навакольнае асяроддзе, у тым ліку газавая атмасфера, вільготнасць і тэмпература. Высокагідранізаваныя DLC-плёнкі маюць мінімальнае трэнне ў сухім і інертным асяроддзі, але DLC-плёнкі без вадароду маюць высокае трэнне і зносаўстойлівасць.
У вільготным асяроддзі каэфіцыент трэння абодвух тыпаў DLC-плёнак падобны і вагаецца ад 0.05 да 0.2, а DLC-плёнкі без вадароду забяспечваюць найлепшую зносаўстойлівасць. Карысныя трыбалагічныя ўласцівасці гідрагенізаваныя DLC-плёнкі можа быць парушана пры высокіх тэмпературах з-за выцякання вадароду і графітызацыі структуры плёнкі пры нізкіх тэмпературах. З іншага боку, плёнкі DLC без вадароду могуць вытрымліваць больш высокія тэмпературы, нягледзячы на больш высокі каэфіцыент трэння.
У параўнанні з большасцю аб'ёмных матэрыялаў, пакрыцці DLC можна разглядаць як пакрыцці з нізкім каэфіцыентам трэння і высокай зносаўстойлівасцю, такія як зносаўстойлівыя керамічныя пакрыцці, такія як TiN. У звычайным асяроддзі TiN мае каэфіцыент трэння прыкладна 0.5 у параўнанні са сталлю, у той час як плёнкі DLC маюць значэнне трэння менш за 0.2. У параўнанні са сталлю з памежнай змазкай і сталёвымі кантактамі, пакрыцці DLC часта паказваюць падобны ўзровень трэння ў незмазаных кантактах.
Аўтамабільныя дэталі з пакрыццём DLC
У слізгальных кантактах пакрыцці DLC пераўзыходзяць большасць зносаўстойлівых матэрыялаў і пакрыццяў, бо хуткасць зносу плёнак DLC на два-тры парадкі ніжэйшая, чым, напрыклад, у пакрыццяў TiN.
Тэхніка і параметры нанясення рэгулююць шырокі дыяпазон складу і структур DLC-плёнак. Як абмяркоўвалася ў розных даследаваннях, склад плёнкі, а таксама параметры выпрабаванняў (нагрузка і хуткасць), асяроддзе выпрабаванняў, тэмпература і матэрыял кантактнай паверхні ўплываюць на трэнне і зносаўстойлівасць DLC-плёнак.
Уласцівасці DLC-пакрыцця
Наколькі стабільнае пакрыццё DLC? Якія ўласцівасці варта ўлічваць?
DLC-пакрыцці хімічна інертныя, біясумяшчальныя і ўстойлівыя да акіслення, з тэрмічнай стабільнасцю да 300 ° CАднак, акрамя вышэйзгаданых пераваг, DLC-пакрыцці маюць вялікія рэшткавыя напружанні і нізкую глейкасць, што абмяжоўвае іх выкарыстанне ў шырокім дыяпазоне прымянення, асабліва з пункту гледжання механічных характарыстык.
Высокая цвёрдасць, зносаўстойлівасць, нізкі каэфіцыент трэння, высокая ізаляцыя, высокая хімічная стабільнасць, высокія газанепранікальныя ўласцівасці, высокія супрацьгарэлачныя ўласцівасці, высокая біясумяшчальнасць і высокая інфрачырвоная пранікальнасць - усё гэта характарыстыкі DLC-плёнак. Нізкатэмпературныя (200 ° C) Можна вырабляць DLC-плёнкі з плоскімі паверхнямі.
Прамысловыя прыкладання
Пакрыцці на аснове алмазападобнага вугляроду (DLC) сталі найлепшым рашэннем для складаных фізічных ужыванняў, дзе кампаненты падвяргаюцца высокім нагрузкам або празмернаму трэнню, зносу і кантакту з іншымі дэталямі ў свеце зносаўстойлівых тонкіх плёнак. Толькі высокая цвёрдасць пакрыцця DLC разам з нізкім каэфіцыентам трэння можа прадухіліць кропкавую кораткасць, задзіранне, заклініванне і, у рэшце рэшт, разбурэнне дэталяў у палявых умовах у такіх умовах.
У цэлым, DLC-пакрыцці выкарыстоўваюцца ў многіх выпадках, для якіх асабліва выкарыстоўваюцца PVD-пакрыцці, за выключэннем рэжучых інструментаў, якія падвяргаюцца высокім рабочым тэмпературам. DLC-пакрыцці асабліва карысныя, калі патрабуецца зніжэнне як зносу, так і трэння. DLC-пакрыцці таксама забяспечваюць чорную аздабленне, прыемную для вока.
Вось некалькі прыкладаў распаўсюджаных ужыванняў:
- Аўтамабіль: У аўтамабілях выкарыстоўваюцца поршневыя пальцы і рокеры.
- Медыцынскія: хірургічныя інструменты, пратэзы
- Агнястрэльная зброя: пісталетныя затворы, ствалы і затворныя носьбіты — усё гэта прыклады агнястрэльнай зброі.
- Прамысловыя кампаненты: поршні, плунжеры, шасцярні і механічныя ўшчыльненні з'яўляюцца прыкладамі прамысловых кампанентаў і машын.
- Ліццё пад ціскам: пры ліцці пад ціскам выкарыстоўваюцца штампы, выкідныя штыфты і слізгальныя дэталі машын.
- Спажывецкія тавары: наручныя гадзіннікі, ювелірныя вырабы і клюшкі для гольфа з'яўляюцца прыкладамі спажывецкіх тавараў.
Матэрыялы з пакрыццём DLC таксама могуць выкарыстоўвацца для падаўжэння тэрміну службы і эфектыўнасці медыцынскіх зондаў, катетараў і сардэчных імплантатаў. DLC таксама сплаўляюць з антымікробнымі металамі, такімі як срэбра; срэбра не толькі зніжае напружанне сціску, але і валодае антыбактэрыйнымі ўласцівасцямі. Нягледзячы на тое, што ўжо праведзена вялікая праца, неабходныя дадатковыя даследаванні для стварэння і камерцыялізацыі медыцынскіх прылад на аснове DLC.
Conclusion
PVD і DLC-пакрыцці маюць падобныя механізмы нанясення. У той жа час, з-за малога памеру атамаў вугляроду, яны могуць ствараць тоўсты пласт з высокім каэфіцыентам упакоўкі. Фізічнае асаджэнне з паравой фазы (PVD) і хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD) - два асноўныя метады нанясення DLC-пакрыцця.
Існуюць тры тыпы сувязі sp1, sp2 і sp3, якія адказваюць за добрыя механічныя ўласцівасці. DLC-пакрыццё можна палепшыць шляхам легіравання іншымі элементамі. Для DLC-пакрыцця можна выкарыстоўваць шырокі спектр падкладак. Але папярэдняя апрацоўка падкладак прыцягнула вялікую ўвагу і вядомая як дуплексная апрацоўка.
DLC-пакрыццё дэманструе найлепшыя трыбалагічныя характарыстыкі як у вільготным, так і ў сухім асяроддзі. Гэта пакрыццё стабільнае да 300 ° CІснуе шырокае прымяненне DLC-пакрыццяў у аўтамабільнай, медыцынскай, ліцейнай і прамысловай прамысловасці.
Ці было гэта карысна для вас? Калі ў вас ёсць якія-небудзь іншыя меркаванні наконт гэтага блога, паведаміце нам пра гэта, напісаўшы каментар ніжэй.
