Diamantlignende kulstof (DLC) belægninger er kendt for deres exceptionelle mekaniske og tribologiske egenskaber. Fysiske dampaflejringsmetoder såsom sputtering, ionstråle, pulseret laseraflejring og katodiske vakuumbuesystemer anvendes almindeligvis til at fremstille disse belægninger.
Men hvad er forskellen mellem DLC og PVD-belægning? Hvordan er en DLC-belægning bedre end PVD-belægning?
PVD, eller fysisk dampaflejring, er en metode, der involverer fordampning af en række metaller og derefter lagdeling af dem på en overflade i et opvarmet vakuum. DLC-belægning er derimod en avanceret metode til tyndfilmsbelægning. Den primære forskel er, at DLC bruger en slags kulstof i stedet for at sprøjte på en gruppe metaller.
Kulstof har en lille atomstørrelse, der spænder fra ~0.15 til ~0.22 nm i diameter, og kan derfor danne en tyk film med en høj pakningsfaktor.
For de fleste aflejringsprocesser er den grundlæggende mekanisme den samme: kulstofatomer tilføres en vis mængde energi og stødes ned i substratet. Hver aflejringsproces har dog en variabel mængde energi pr. ionenhed. Forskellige aflejringsprocesser giver DLC-belægninger med forskellige egenskaber.
De udfører begge den samme funktion, men DLC giver en højere, mere holdbar og mere ridsefast finish.
DLC-belægninger vinder popularitet i branchen på grund af deres overlegne mekaniske og tribologiske egenskaber. DLC-belægninger er kemisk inerte, biokompatible og oxidationsbestandige med en termisk stabilitet på op til 300 ° C.
Schmellenmeier beskrev for første gang kulstofbelægninger produceret med glødeudladningsplasma i nærvær af acetylengas i 1953Kullaget udviste god ridsefasthed og hårdhed. På grund af den øgede andel af diamantlignende egenskaber og de opdagede egenskaber i belægningerne, kaldes kulbelægninger gradvist for DLC.
Hvordan aflejres DLC-belægning? Hvilke teknikker bruges til DLC-tyndfilmsbelægning?
Lad os undersøge dette i detaljer.
DLC-aflejringsteknikker
I flere årtier har forskere eksperimenteret med adskillige metoder til at generere diamantlignende kulstoflag (DLC). DLC-aflejringsteknikkerne kan kategoriseres som fysisk dampaflejring (PVD) og kemisk dampaflejring (CVD), som er de to primære metoder til at skabe DLC-lag.
Kulstofkilden i PVD-metoden er et fast stof (grafit), hvorimod kulstofkilden i CVD-metoden er en gas (et kulbrinte såsom metan). Bue-, sputter- og laserdampaflejringsprocesserne er alle typer PVD.
Radiofrekvens (RF), jævnstrøm (DC), Penning ioniseringsmåler (PIG) og selvafladning er alle CVD-metoder. Figuren nedenfor viser den anvendte RF-udladningsplasma-CVD, PIG-plasma-CVD og bue-PVD.
Aflejringsteknikken kan opdeles i seks slags af tilgange baseret på forekomsten af fænomener eller typen af fysisk, kemisk eller fysisk-kemisk interaktion på kernen eller substratet: mekanisk, termomekanisk, termisk, elektrokemisk, kemisk og fysisk.
Plasmaassisteret kemisk dampaflejringsteknik (PACVD) er de mest anvendte blandt dem. Disse teknologier muliggør dannelsen af lag ved lave temperaturer ved at aktivere kemiske processer i gasfasen, som er et lavtemperaturplasma.
DLC-produktionsteknikker
Atomstruktur
Hvilken slags atombindinger forårsager gode mekaniske egenskaber ved DLC?
Kulstofatomer danner tre forskellige typer bindinger: sp1, sp2 og sp3. Kulstofallotroper, såsom grafit og diamant, dannes af forskellige bindingskonfigurationer mellem kulstofatomer. Som et resultat spiller de atomare bindingsmønstre, der giver anledning til mikrostrukturen, en nøglerolle i at inducere materialeegenskaber, herunder hårdhed, Youngs modul, sejhed eller friktion og slid, blandt andet.
Forbedringstendenser inden for DLC-belægning
Hvordan kan vi forbedre DLC-belægningen? Hvad er de seneste trends inden for forbedring af DLC-belægning?
Klassificering af DLC-belægning
Tendensen med forbedring af DLC-belægning, mens man brugte doping med fremmedlegemer til at forbedre DLC-egenskaber, begyndte i begyndelsen af 1990sFor at opnå de ønskede egenskaber blev DLC-belægninger co-sputteret med en række komponenter. Stibium, jod og nitrogen for elektriske egenskaber, krom og titanium til vedhæftning, friktion og slid, sølv og fluor til medicinske formål, kobber til bundmaling og zirconium var blandt de elementer, der blev anvendt til korrosionsforbedring.
Det har imidlertid vist sig, at forbedring af nogle DLC-kvaliteter med doping af fremmedelementer nødvendiggør et kompromis med andre egenskaber.
Der er udført mange undersøgelser for at øge sejheden og friktionen af DLC ved at dope metalelementer i området fra 0.2 procent til 20% for at kompensere for DLC's hårdhed og slidhastighed. Der er kun offentliggjort få undersøgelser af DLC's hårdhed, sejhed, spændinger, friktion og slid i relation til metaldoping.
For eksempel reducerer en reduktion af restspændingen fra 2.5 til 0.5 GPa og friktionskoefficienten fra 0.12 til 0.03 med 18 procent aluminium hårdheden fra 24 til 8 GPa, samtidig med at slidhastigheden øges fra 2.5*3^10^-8 til 13*3^10^-8 mm3/Nm.
Tilsvarende sænker titandoping i DLC restspændingen fra 0.9 til 0.3 GPa og friktionskoefficienten fra ~1.0 til ~0.05, men det sænker også hårdheden fra ~10.5 til ~9 GPa.
Forbedring af DLC-belægning med doteret DLC-nanokomposit
Underlag til DLC-belægning
Hvilken slags substrat kan bruges til DLC-belægning? Skal substratet forbehandles?
Der findes en bred vifte af substrater, der kan anvendes til DLC-belægning. Substratet skal dog bære det meste af den påførte belastning, men DLC-belægninger har et meget tyndt naturlag. Derfor vil plastisk deformation opstå, hvis substratet ikke er stærkt nok til at understøtte kontaktbelastningen og dermed belægningen, hvilket resulterer i tidlig belægningsfejl.
I de senere år har opgaven med at forbedre egenskaberne af hårde DLC-belægninger ved termokemisk forbehandling af substrater fået stor opmærksomhed, hvilket har ført til udviklingen af en ny metode kendt som en dupleksbehandling.
Plasmanitrering af stålsubstratet før belægningsaflejring er blevet anvendt i vid udstrækning for at forbedre substratets og belægningens mekaniske egenskaber. Plasmanitrering af stålsubstratet har vist sig at øge belægnings-substrat-komposittens bæreevne.
DLC'en klæber muligvis ikke direkte til underlaget under visse omstændigheder (behandlet rustfrit stål). Samtidig blev der anvendt mellemlagsmaterialer til at afslutte DLC-belægningerne for at forbedre vedhæftningen.
Tribologisk ydeevne af DLC-belægning
Hvad er de tribologiske egenskaber ved DLC-belægning i et fugtigt og tørt miljø? Hvor gavnligt er det?
Sammenlignet med bulkmaterialer og andre slidstærke belagte overflader har diamantlignende kulstof (DLC) belægninger lav friktion og stor slidstyrke. Friktions- og slidstyrken for DLC-film påvirkes i høj grad af det omgivende miljø, herunder gasatmosfære, fugtighed og temperatur. Stærkt hydrogenerede DLC-film har minimal friktion i tørre og inerte miljøer, men hydrogenfri DLC-film har høj friktion og slid.
I et fugtigt miljø er friktionskoefficienten for begge typer DLC-film ens og varierer fra 0.05 til 0.2, og hydrogenfri DLC-film giver den bedste slidstyrke. De fordelagtige tribologiske egenskaber ved hydrogenerede DLC-film kan blive ødelagt ved høje temperaturer på grund af hydrogenudstrømning og grafitisering af filmstrukturen ved lave temperaturer. De hydrogenfri DLC-film kan derimod modstå højere temperaturer på trods af at have en højere friktionskoefficient.
I sammenligning med de fleste bulkmaterialer kan DLC-belægninger betragtes som lavfriktionsbelægninger med stor slidstyrke, såsom slidstærke keramiske belægninger som TiN. I et normalt miljø har TiN en friktionskoefficient på omtrent 0.5 sammenlignet med stål, hvorimod DLC-film har en friktionsværdi på mindre end 0.2. Sammenlignet med grænsesmurte stålkontakter versus stålkontakter viser DLC-belægninger ofte lignende friktionsniveauer i usmurte kontakter.
DLC-belagte bildele
I glidekontakter overgår DLC-belægninger de fleste slidstærke materialer og belægninger, da slidhastighederne for DLC-film er to til tre størrelsesordener lavere end for eksempel TiN-belægninger.
Aflejringsteknikken og aflejringsparametrene regulerer en bred vifte af sammensætninger og strukturer i DLC-film. Som diskuteret i forskellige undersøgelser påvirker filmens sammensætning, såvel som testparametrene (belastning og hastighed), testmiljø, temperatur og modflademateriale, friktions- og slidstyrken af DLC-film.
Egenskaber ved DLC-belægning
Hvor meget DLC-belægning er stabil? Hvilken type egenskaber skal man overveje?
DLC-belægninger er kemisk inerte, biokompatible og oxidationsbestandige med en termisk stabilitet på op til 300 ° CUd over de førnævnte fordele har DLC-belægninger imidlertid store restspændinger og lav sejhed, hvilket begrænser deres anvendelse i en bred vifte af anvendelser, især med hensyn til mekanisk ydeevne.
Høj hårdhed, slidstyrke, lav friktionskoefficient, høj isolering, høj kemisk stabilitet, høj gasbarriereevne, høje anti-brændingsegenskaber, høj biokompatibilitet og høj infrarød permeabilitet er alle karakteristika for DLC-film. Lavtemperatur (200 ° C) DLC-film med flade overflader kan laves.
Industrielle applikationer
Diamantlignende kulstofbelægninger (DLC) er blevet den bedste løsning til krævende fysiske anvendelser, hvor komponenter udsættes for høje belastninger eller overdreven friktion, slid og kontakt med andre dele i verden af slidstærke tyndfilm. Kun den store hårdhed af en DLC-belægning, sammen med en lav friktionskoefficient, kan forhindre dele i at blive punkterede, rive, sætte sig fast og i sidste ende svigte i felten under disse forhold.
Generelt anvendes DLC-belægninger til mange af de anvendelser, som PVD-belægninger har været fremhævet til – med undtagelse af skæreinstrumenter, der udsættes for høje driftstemperaturer. DLC-belægninger er særligt fordelagtige, når der ønskes både reduktion af slid og friktion. DLC-belægninger giver også en sort finish, der er behagelig for øjet.
Her er nogle eksempler på almindelige anvendelser:
- Bil: Stempelstifter og vippearme bruges i biler.
- Medicinsk: kirurgiske instrumenter, proteser
- Skydevåben: Pistolslæder, piber og boltholdere er alle eksempler på skydevåben.
- Industrielle komponenter: Stempler, dyser, gear og mekaniske tætninger er eksempler på industrielle komponenter og maskiner.
- Sprøjtestøbning: Matricer, udstøderstifter og glidende maskindele bruges alle i sprøjtestøbning.
- Forbrugsvarer: Armbåndsure, smykker og golfkøller er eksempler på forbrugsvarer.
DLC-belagte materialer kan også bruges til at forlænge levetiden og effektiviteten af medicinske sonder, katetre og hjerteimplantater. DLC er også blevet legeret med antimikrobielle metaller som sølv; sølv reducerer ikke kun trykspændinger, men har også antibakterielle egenskaber. På trods af at der allerede er udført meget arbejde, er der behov for mere forskning for at skabe og kommercialisere DLC-baserede medicinske apparater.
Konklusion
PVD- og DLC-belægning har begge ligheder i aflejringsmekanismer. På grund af den lille kulstofatomstørrelse kan den derimod skabe et tykt lag med en høj pakningsfaktor. Fysisk dampaflejring (PVD) og kemisk dampaflejring (CVD) er to hovedmetoder til aflejring af DLC-belægning.
Der er tre typer bindinger, sp1, sp2 og sp3, der er ansvarlige for gode mekaniske egenskaber. DLC-belægning kan forbedres ved doping med andre elementer. En bred vifte af substrater kan bruges til DLC-belægning. Men forbehandling af substrater har fået meget opmærksomhed og er kendt som en duplexbehandling.
DLC-belægning viser den bedste tribologiske ydeevne i både fugtige og tørre miljøer. Denne belægning er stabil op til 300 ° CDer er en bred anvendelse af DLC-belægning i bil-, medicinske, sprøjtestøbnings- og industrielle komponenter.
Var det nyttigt for dig? Hvis du har andre synspunkter om denne blog, så lad os det vide ved at kommentere nedenfor.
