Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) sind für ihre außergewöhnlichen mechanischen und tribologischen Eigenschaften bekannt. Zur Herstellung dieser Beschichtungen werden üblicherweise physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren wie Sputtern, Ionenstrahl, gepulste Laserabscheidung und kathodische Vakuumlichtbogensysteme verwendet.
Aber was ist der Unterschied zwischen DLC- und PVD-Beschichtung? Inwiefern ist eine DLC-Beschichtung besser als eine PVD-Beschichtung?
PVD (Physical Vapour Deposition) ist eine Methode, bei der verschiedene Metalle verdampft und dann in einem erhitzten Vakuum auf eine Oberfläche aufgetragen werden. Die DLC-Beschichtung hingegen ist eine fortschrittliche Methode zur Dünnschichtbeschichtung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass DLC eine Art Kohlenstoff verwendet, anstatt eine Gruppe von Metallen aufzusprühen.
Kohlenstoff hat eine kleine Atomgröße mit einem Durchmesser von etwa 0.15 bis etwa 0.22 nm und kann daher einen dicken Film mit einem hohen Packungsfaktor bilden.
Nun, bei den meisten Abscheidungsprozessen ist der Grundmechanismus derselbe: Kohlenstoffatomen wird eine bestimmte Energiemenge zugeführt und sie schlagen in das Substrat ein. Allerdings hat jeder Abscheidungsprozess eine variable Energiemenge pro Ioneneinheit. Verschiedene Abscheidungsprozesse sorgen für DLC-Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Beide erfüllen die gleiche Funktion, aber DLC sorgt für eine höhere, haltbarere und kratzfestere Oberfläche.
DLC-Beschichtungen erfreuen sich in der Industrie aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und tribologischen Eigenschaften immer größerer Beliebtheit. DLC-Beschichtungen sind chemisch inert, biokompatibel und oxidationsbeständig, mit einer thermischen Stabilität von bis zu 300°C.
Schmellenmeier beschrieb 2011 erstmals Kohlenstoffbeschichtungen, die mit Glimmentladungsplasma in Gegenwart von Acetylengas hergestellt wurden 1953. Die Kohlenstoffschicht zeigte eine gute Kratzfestigkeit und Härte. Aufgrund des erhöhten diamantähnlichen Anteils und der in den Beschichtungen entdeckten Eigenschaften. Daher werden Kohlenstoffbeschichtungen nach und nach als DLC bezeichnet.
Wie wird die DLC-Beschichtung abgeschieden? Welche Techniken werden für die DLC-Dünnschichtbeschichtung verwendet?
Lassen Sie uns dies im Detail untersuchen.
DLC-Abscheidungstechniken
Seit mehreren Jahrzehnten experimentieren Wissenschaftler mit zahlreichen Methoden zur Erzeugung diamantähnlicher Kohlenstoffschichten (DLC). Die DLC-Abscheidungstechniken können in physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) eingeteilt werden. Dies sind die beiden Hauptmethoden zur Erstellung von DLC-Schichten.
Die Kohlenstoffquelle beim PVD-Verfahren ist ein Feststoff (Graphit), wohingegen die Kohlenstoffquelle beim CVD-Ansatz ein Gas (ein Kohlenwasserstoff wie Methan) ist. Die Lichtbogen-, Sputter- und Laserbedampfungsverfahren sind allesamt PVD-Typen.
Hochfrequenz (RF), Gleichstrom (DC), Penning-Ionisationsmesser (PIG) und Selbstentladung sind CVD-Methoden. Die folgende Abbildung zeigt die von uns verwendeten HF-Entladungsplasma-CVD, PIG-Plasma-CVD und Lichtbogen-PVD.
Die Abscheidungstechnik kann in folgende Kategorien eingeteilt werden: sechs Arten von Ansätzen, die auf der Prävalenz von Phänomenen oder der Art der physikalischen, chemischen oder physikalisch-chemischen Wechselwirkung am Kern oder Substrat basieren: mechanisch, thermomechanisch, thermisch, elektrochemisch, chemisch und physikalisch.
Die am weitesten verbreiteten Techniken sind die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PACVD). Diese Technologien ermöglichen die Bildung von Schichten bei niedrigen Temperaturen durch die Aktivierung chemischer Prozesse in der Gasphase, einem Niedertemperaturplasma.
DLC-Produktionstechniken
Atomare Struktur
Welche Art von Atombindung führt zu guten mechanischen DLC-Eigenschaften?
Kohlenstoffatome bilden drei verschiedene Bindungsarten: sp1, sp2 und sp3. Kohlenstoffallotrope wie Graphit und Diamant werden durch verschiedene Bindungskonfigurationen zwischen Kohlenstoffatomen gebildet. Daher spielen die atomaren Bindungsmuster, die die Mikrostruktur bilden, eine Schlüsselrolle bei der Herbeiführung von Materialeigenschaften wie Härte, Elastizitätsmodul, Zähigkeit oder Reibung und Verschleiß, um nur einige zu nennen.
Verbesserungstendenzen bei der DLC-Beschichtung
Wie können wir die DLC-Beschichtung verbessern? Welche neuesten Trends gibt es zur Verbesserung der DLC-Beschichtung?
Klassifizierung der DLC-Beschichtung
Der Trend zur Verbesserung der DLC-Beschichtung bei gleichzeitiger Verwendung von Fremdelementdotierung zur Verbesserung der DLC-Eigenschaften begann schon früh 1990er-Jahre. Um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, wurden DLC-Beschichtungen mit verschiedenen Komponenten gemeinsam gesputtert. Stibium, Jod und Stickstoff für elektrische Eigenschaften, Chrom und Titan für Haftung, Reibung und Verschleiß, Silber und Fluor für medizinische Zwecke, Kupfer für Antifouling und Zirkonium gehörten zu den Elementen, die zur Korrosionsverbesserung eingesetzt wurden.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die Verbesserung einiger DLC-Qualitäten durch Dotierung mit Fremdelementen einen Kompromiss bei anderen Eigenschaften erfordert.
Es wurden viele Studien durchgeführt, um die Zähigkeit und Reibung von DLC durch Dotierung von Metallelementen im Bereich von 0.2 Prozent zu erhöhen 20% um die Härte und Verschleißrate von DLC auszugleichen. Es wurden nur wenige Forschungsarbeiten zu Härte, Zähigkeit, Spannungen, Reibung und Verschleiß von DLC im Zusammenhang mit Metalldotierung veröffentlicht.
Wenn beispielsweise die Restspannung von 2.5 auf 0.5 GPa und der Reibungskoeffizient von 0.12 auf 0.03 mit 18 Prozent Aluminium reduziert werden, verringert sich die Härte von 24 auf 8 GPa und gleichzeitig erhöht sich die Verschleißrate von 2.5*3^ 10^-8 auf 13* 3^10^-8 mm3 /Nm.
In ähnlicher Weise senkt die Titandotierung im DLC die Eigenspannung von 0.9 auf 0.3 GPa und den Reibungskoeffizienten von ~1.0 auf ~0.05, senkt aber auch die Härte von ~10.5 auf ~9 GPa.
Verbesserung der DLC-Beschichtung durch dotiertes DLC-Nanokomposit
Substrat für die DLC-Beschichtung
Welche Art von Substrat kann für die DLC-Beschichtung verwendet werden? Ist eine Vorbehandlung des Untergrundes erforderlich?
Es gibt eine große Auswahl an Substraten, die für die DLC-Beschichtung eingesetzt werden können. Allerdings muss das Substrat den größten Teil der aufgebrachten Last tragen, DLC-Beschichtungen weisen jedoch eine sehr dünne Naturschicht auf. Wenn das Substrat nicht stark genug ist, um die Kontaktlast und damit die Beschichtung zu tragen, kommt es zu plastischer Verformung, was zu einem frühen Versagen der Beschichtung führt.
In den letzten Jahren hat die Aufgabe, die Eigenschaften harter DLC-Beschichtungen durch thermochemische Substratvorbehandlung zu verbessern, große Aufmerksamkeit erhalten, was zur Entwicklung einer neuartigen Methode namens a Duplexbehandlung.
Das Plasmanitrieren des Stahlsubstrats vor dem Aufbringen der Beschichtung wird häufig eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften des Substrats und der Beschichtung zu verbessern. Das Plasmanitrieren des Stahlsubstrats erhöht nachweislich die Tragfähigkeit des Beschichtungs-Substrat-Verbunds.
Unter bestimmten Umständen haftet der DLC möglicherweise nicht direkt am Untergrund (behandelter Edelstahl). Gleichzeitig wurden zur Veredelung der DLC-Beschichtungen Zwischenschichtmaterialien eingesetzt, um die Haftung zu verbessern.
Tribologische Leistung der DLC-Beschichtung
Welche tribologischen Eigenschaften bietet die DLC-Beschichtung in feuchter und trockener Umgebung? Wie sehr ist es von Vorteil?
Im Vergleich zu Massenmaterialien und anderen verschleißfesten beschichteten Oberflächen weisen Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) eine geringe Reibung und eine hohe Verschleißfestigkeit auf. Die Reibungs- und Verschleißleistung von DLC-Filmen wird stark von der Umgebung beeinflusst, einschließlich Gasatmosphäre, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Stark hydrierte DLC-Filme weisen in trockenen und inerten Umgebungen eine minimale Reibung auf, wasserstofffreie DLC-Filme weisen jedoch eine hohe Reibung und einen hohen Verschleiß auf.
In einer feuchten Umgebung ist der Reibungskoeffizient beider Arten von DLC-Filmen ähnlich und liegt zwischen 0.05 und 0.2, und wasserstofffreie DLC-Filme bieten die beste Verschleißfestigkeit. Die vorteilhaften tribologischen Eigenschaften von hydrierte DLC-Filme kann bei hohen Temperaturen durch Wasserstoffaustritt und Graphitisierung der Filmstruktur bei niedrigen Temperaturen zerstört werden. Die wasserstofffreien DLC-Folien hingegen halten trotz höherem Reibungskoeffizienten höheren Temperaturen stand.
Im Vergleich zu den meisten Massenmaterialien kann man sich DLC-Beschichtungen als reibungsarme Beschichtungen mit hoher Verschleißfestigkeit vorstellen, beispielsweise verschleißfeste Keramikbeschichtungen wie TiN. In einer normalen Umgebung hat TiN einen Reibungskoeffizienten von ungefähr 0.5 im Vergleich zu Stahl, während DLC-Folien einen Reibungswert von weniger als 0.2 haben. Im Vergleich zwischen grenzflächengeschmierten Stahlkontakten und Stahlkontakten weisen DLC-Beschichtungen bei ungeschmierten Kontakten häufig ähnliche Reibungswerte auf.
DLC-beschichtete Automobilteile
Bei Gleitkontakten übertreffen DLC-Beschichtungen die meisten verschleißfesten Materialien und Beschichtungen, da die Verschleißraten von DLC-Schichten zwei bis drei Größenordnungen geringer sind als beispielsweise bei TiN-Beschichtungen.
Die Abscheidungstechnik und die Abscheidungsparameter regulieren ein breites Spektrum an Zusammensetzungen und Strukturen in DLC-Filmen. Wie in verschiedenen Untersuchungen diskutiert, beeinflussen die Filmzusammensetzung sowie die Testparameter (Last und Geschwindigkeit), Testumgebung, Temperatur und Gegenflächenmaterial die Reibungs- und Verschleißleistung von DLC-Filmen.
Eigenschaften der DLC-Beschichtung
Wie viel DLC-Beschichtung ist stabil? Welche Art von Immobilien sollten in Betracht gezogen werden?
DLC-Beschichtungen sind chemisch inert, biokompatibel und oxidationsbeständig, mit einer thermischen Stabilität von bis zu 300°C. Zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen weisen DLC-Beschichtungen jedoch große Eigenspannungen und eine geringe Zähigkeit auf, was ihren Einsatz in einem breiten Anwendungsspektrum, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Leistung, einschränkt.
Hohe Härte, Verschleißfestigkeit, niedriger Reibungskoeffizient, hohe Isolierung, hohe chemische Stabilität, hohe Gasbarriereeigenschaften, hohe Antibrenneigenschaften, hohe Biokompatibilität und hohe Infrarotdurchlässigkeit sind allesamt Merkmale von DLC-Filmen. Niedrige Temperatur (200 ° C) Es können DLC-Filme mit ebenen Oberflächen hergestellt werden.
Industrielle Anwendungen
Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) haben sich in der Welt der verschleißfesten Dünnschichten als beste Lösung für anspruchsvolle physikalische Anwendungen herausgestellt, bei denen Komponenten hohen Belastungen oder übermäßiger Reibung, Verschleiß und Kontakt mit anderen Teilen ausgesetzt sind. Nur die große Härte einer DLC-Beschichtung zusammen mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten kann verhindern, dass Teile unter diesen Bedingungen Lochfraß, Abrieb, Festfressen und schließlich den Ausfall verursachen.
Im Allgemeinen werden DLC-Beschichtungen für viele der Anwendungen eingesetzt, für die PVD-Beschichtungen bevorzugt werden – mit Ausnahme von Schneidinstrumenten, die hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. DLC-Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, wenn sowohl Verschleiß als auch Reibungsreduzierung erwünscht sind. DLC-Beschichtungen sorgen zudem für ein optisch ansprechendes schwarzes Finish.
Hier einige Beispiele für häufige Anwendungen:
- Automobil: In Automobilen werden Kolbenbolzen und Kipphebel verwendet.
- Medizin: chirurgische Instrumente, Prothetik
- Schusswaffen: Pistolenschlitten, Läufe und Verschlussträger sind Beispiele für Schusswaffen.
- Industriekomponenten: Kolben, Kolben, Zahnräder und Gleitringdichtungen sind Beispiele für Industriekomponenten und Maschinen.
- Spritzgießen: Beim Spritzgießen werden Matrizen, Auswerferstifte und verschiebbare Maschinenteile verwendet.
- Konsumgüter: Armbanduhren, Schmuck und Golfschläger sind Beispiele für Konsumgüter.
DLC-beschichtete Materialien könnten auch verwendet werden, um die Lebensdauer und Wirksamkeit medizinischer Sonden, Katheter und Herzimplantate zu verlängern. DLC wurde auch mit antimikrobiellen Metallen wie Silber legiert; Silber senkt nicht nur Druckspannungen, sondern besitzt auch antibakterielle Eigenschaften. Trotz der Tatsache, dass bereits viel Arbeit geleistet wurde, ist weitere Forschung erforderlich, um DLC-basierte medizinische Geräte zu entwickeln und zu kommerzialisieren.
Fazit
Sowohl die PVD- als auch die DLC-Beschichtung weisen ähnliche Abscheidungsmechanismen auf. Aufgrund der geringen Kohlenstoffatomgröße kann eine dicke Schicht mit hohem Packungsfaktor erzeugt werden. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sind zwei Hauptmethoden zur Abscheidung von DLC-Beschichtungen.
Es gibt drei Bindungsarten sp1, sp2 und sp3, die für gute mechanische Eigenschaften verantwortlich sind. Die DLC-Beschichtung kann durch Dotierung mit anderen Elementen verbessert werden. Für die DLC-Beschichtung kann eine Vielzahl von Substraten verwendet werden. Die Vorbehandlung des Substrats hat jedoch viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und wird als Duplex-Behandlung bezeichnet.
Die DLC-Beschichtung zeigt sowohl in feuchter als auch in trockener Umgebung die beste tribologische Leistung. Diese Beschichtung ist stabil bis 300°C. Die Anwendung der DLC-Beschichtung in Automobil-, Medizin-, Spritzguss- und Industriekomponenten ist vielfältig.
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