Timantin kaltaiset hiilipinnoitteet (DLC) tunnetaan poikkeuksellisista mekaanisista ja tribologisista ominaisuuksistaan. Näiden pinnoitteiden valmistukseen käytetään yleisesti fysikaalisia höyrypinnoitusmenetelmiä, kuten sputterointia, ionisuihkutusta, pulssilaserpinnoitusta ja katodista tyhjiökaarijärjestelmää.
Mutta mitä eroa on DLC- ja PVD-pinnoitteella? Miten DLC-pinnoite on parempi kuin PVD-pinnoite?
PVD eli fysikaalinen höyrypinnoitus on menetelmä, jossa erilaisia metalleja höyrystetään ja kerrostetaan pinnalle kuumennetussa tyhjiössä. DLC-pinnoitus on puolestaan edistynyt ohutkalvopinnoitusmenetelmä. Tärkein ero on se, että DLC:ssä käytetään eräänlaista hiiltä metalliryhmän ruiskuttamisen sijaan.
Hiilen atomikoko on pieni, halkaisijaltaan noin 0.15 - 0.22 nm, ja siksi se voi muodostaa paksun kalvon, jolla on korkea pakkauskerroin.
Useimmissa pinnoitusprosesseissa perusmekanismi on sama: hiiliatomit saavat tietyn määrän energiaa ja ne paiskautuvat substraattiin. Jokaisella pinnoitusprosessilla on kuitenkin vaihteleva energiamäärä ioniyksikköä kohden. Erilaiset pinnoitusprosessit tarjoavat DLC-pinnoitteita, joilla on erilaisia ominaisuuksia.
Molemmat suorittavat saman toiminnon, mutta DLC tarjoaa korkeamman, kestävämmän ja naarmuuntumattomamman pinnan.
DLC-pinnoitteet ovat kasvattaneet suosiotaan teollisuudessa niiden erinomaisten mekaanisten ja tribologisten ominaisuuksien ansiosta. DLC-pinnoitteet ovat kemiallisesti inerttejä, bioyhteensopivia ja hapettumisenkestäviä, ja niiden terminen stabiilius on jopa 300 ° C.
Schmellenmeier kuvasi ensimmäistä kertaa vuonna 2000 asetyleenikaasun läsnä ollessa hohtopurkausplasmalla tuotettuja hiilipinnoitteita. 1953Hiilikerroksella oli hyvä naarmuuntumisenkestävyys ja kovuus. Pinnoitteissa havaittujen lisääntyneiden timantin kaltaisten ominaisuuksien ja osuuden vuoksi. Siksi hiilipinnoitteita kutsutaan vähitellen DLC:ksi.
Miten DLC-pinnoite kerrostetaan? Mitä tekniikoita käytetään DLC-ohutkalvopinnoituksessa?
Tutkitaanpa tätä yksityiskohtaisesti.
DLC-kerrostustekniikat
Tutkijat ovat useiden vuosikymmenten ajan kokeilleet lukuisia menetelmiä timantin kaltaisen hiilikerroksen (DLC) luomiseksi. DLC-pinnoitustekniikat voidaan luokitella fysikaaliseen höyrypinnoitukseen (PVD) ja kemialliseen höyrypinnoitukseen (CVD) ovat kaksi päämenetelmää DLC-kerrosten luomiseksi.
PVD-menetelmässä hiililähde on kiinteä aine (grafiitti), kun taas CVD-menetelmässä hiililähde on kaasu (hiilivety, kuten metaani). Kaari-, sputter- ja laserhöyrypinnoitusprosessit ovat kaikki PVD-tyyppejä.
Radiotaajuus (RF), tasavirta (DC), Penning-ionisaatiomittaus (PIG) ja itsepurkaus ovat kaikki CVD-menetelmiä. Alla oleva kuva esittää käyttämämme RF-purkausplasma-CVD:n, PIG-plasma-CVD:n ja valokaari-PVD:n.
Kasvutekniikka voidaan luokitella seuraavasti kuusi erilaista lähestymistavoista, jotka perustuvat ilmiöiden esiintyvyyteen tai fysikaalisten, kemiallisten tai fysikaalis-kemiallisten vuorovaikutusten tyyppiin ytimessä tai alustassa: mekaaninen, termomekaaninen, terminen, sähkökemiallinen, kemiallinen ja fysikaalin.
Plasma-avusteinen kemiallinen höyrypinnoitus (PACVD) on näistä yleisimmin käytetty tekniikka. Nämä tekniikat mahdollistavat kerrosten muodostumisen matalissa lämpötiloissa aktivoimalla kemiallisia prosesseja kaasufaasissa, joka on matalan lämpötilan plasma.
DLC-tuotantotekniikat
Atomirakenne
Minkälainen atomisidos johtaa hyviin DLC:n mekaanisiin ominaisuuksiin?
Hiiliatomit muodostavat kolmenlaisia sidoksia: sp1, sp2 ja sp3. Hiilen allotrooppeja, kuten grafiittia ja timanttia, muodostuu hiiliatomien välisten erilaisten sidoskonfiguraatioiden kautta. Tämän seurauksena mikrorakenteen synnyttävillä atomien sidoskuvioilla on keskeinen rooli materiaalien ominaisuuksien, kuten kovuuden, Youngin moduulin, sitkeyden tai kitkan ja kulumisen, indusoinnissa.
DLC-pinnoitteen parannustrendit
Kuinka voimme parantaa DLC-pinnoitetta? Mitkä ovat uusimmat trendit DLC-pinnoitteen parantamiseksi?
DLC-pinnoitteiden parantumisen trendi samalla, kun DLC-ominaisuuksien parantamiseksi käytettiin vierasaineseosta. 1990sHaluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi DLC-pinnoitteet sputteroitiin yhdessä useiden eri komponenttien kanssa. Korroosionkestävyyden parantamiseen käytettiin muun muassa stibiumia, jodia ja typpeä sähköisten ominaisuuksien parantamiseksi, kromia ja titaania tarttuvuuden, kitkan ja kulumisen parantamiseksi, hopeaa ja fluoria lääketieteellisiin tarkoituksiin, kuparia kiinnittymisenestona ja zirkoniumia.
On kuitenkin havaittu, että joidenkin DLC-ominaisuuksien parantaminen vierasaineseoksella edellyttää kompromisseja muiden ominaisuuksien suhteen.
DLC:n sitkeyden ja kitkan lisäämiseksi on tehty useita tutkimuksia seostamalla metallielementtejä 0.2 prosentista 20% DLC:n kovuuden ja kulumisnopeuden kompensoimiseksi. DLC:n kovuudesta, sitkeydestä, jännityksistä, kitkasta ja kulumisesta metallidopingin yhteydessä on julkaistu vain vähän tutkimusta.
Esimerkiksi jäännösjännityksen pienentäminen 2.5:stä 0.5 GPa:han ja kitkakertoimen pienentäminen 0.12:sta 0.03:een käyttämällä 18 prosenttia alumiinia vähentää kovuutta 24:stä 8 GPa:han samalla kun kulumisnopeus kasvaa 2.5 * 3^ 10^-8:sta 13 * 3^ 10^-8 mm3 /Nm:iin.
Vastaavasti titaanidoping DLC:ssä alentaa jäännösjännitystä 0.9:stä 0.3 GPa:han ja kitkakerrointa noin 1.0:stä noin 0.05:een, mutta se myös alentaa kovuutta noin 10.5:stä noin 9 GPa:han.
DLC-pinnoitteen parannus seostetulla DLC-nanokomposiitilla
DLC-pinnoitteen alusta
Millaista alustaa voidaan käyttää DLC-pinnoitukseen? Tarvitaanko alustalle esikäsittelyä?
DLC-pinnoitteeseen voidaan käyttää laaja valikoima erilaisia alustoja. Alustan on kuitenkin kannettava suurin osa käytetystä kuormasta, mutta DLC-pinnoitteilla on hyvin ohut luonnollinen kerros. Joten, jos alusta ei ole riittävän vahva tukemaan kosketuskuormaa ja siten pinnoitetta, tapahtuu plastista muodonmuutosta, mikä johtaa pinnoitteen ennenaikaiseen pettämiseen.
Viime vuosina kovien DLC-pinnoitteiden ominaisuuksien parantaminen termokemiallisella alustan esikäsittelyllä on saanut paljon huomiota, mikä on johtanut uuden menetelmän kehittämiseen, joka tunnetaan ns. duplex-hoito.
Teräsalustan plasmanitrausta ennen pinnoitusta on käytetty laajalti alustan ja pinnoitteen mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Teräsalustan plasmanitrauksen on osoitettu lisäävän pinnoite-alusta-komposiitin kuormankantokykyä.
DLC ei välttämättä tartu suoraan alustaan joissakin olosuhteissa (käsitelty ruostumaton teräs). Samanaikaisesti DLC-pinnoitteiden viimeistelyyn käytettiin välikerrosmateriaaleja tarttuvuuden parantamiseksi.
DLC-pinnoitteen tribologinen suorituskyky
Mitkä ovat DLC-pinnoitteen tribologiset ominaisuudet kosteassa ja kuivassa ympäristössä? Kuinka paljon siitä on hyötyä?
Verrattuna bulkkimateriaaleihin ja muihin kulutusta kestäviin pinnoitteisiin, timantin kaltaisilla hiilipinnoitteilla (DLC) on alhainen kitka ja erinomainen kulutuskestävyys. DLC-kalvojen kitka- ja kulumisominaisuuksiin vaikuttavat suuresti ympäröivä ympäristö, mukaan lukien kaasuatmosfääri, kosteus ja lämpötila. Erittäin hydratuilla DLC-kalvoilla on minimaalinen kitka kuivissa ja inertissä ympäristöissä, mutta vedyttömillä DLC-kalvoilla on korkea kitka ja kulumiskestävyys.
Kosteassa ympäristössä molempien DLC-kalvotyyppien kitkakerroin on samanlainen, vaihdellen 0.05:stä 0.2:een, ja vedyttömät DLC-kalvot tarjoavat parhaan kulutuskestävyyden. Kalvojen hyödylliset tribologiset ominaisuudet hydratut DLC-kalvot voi rikkoutua korkeissa lämpötiloissa vedyn effuusion ja kalvorakenteen grafitisoitumisen vuoksi matalissa lämpötiloissa. Toisaalta vedyttömät DLC-kalvot kestävät korkeampia lämpötiloja korkeammasta kitkakertoimesta huolimatta.
Verrattuna useimpiin bulkkimateriaaleihin, DLC-pinnoitteita voidaan pitää pienikitkaisina pinnoitteina, joilla on suuri kulutuskestävyys, kuten kulutusta kestävät keraamiset pinnoitteet, kuten TiN. Normaaliympäristössä TiN:n kitkakerroin on noin 0.5 verrattuna teräkseen, kun taas DLC-kalvojen kitka-arvo on alle 0.2. Verrattuna rajavoideltuihin teräs- ja teräskontakteihin, DLC-pinnoitteet osoittavat usein samanlaisia kitka-arvoja voitelemattomissa kontakteissa.
DLC-pinnoitetut autonosat
Liukukosketuksissa DLC-pinnoitteet ovat suorituskykyisempiä kuin useimmat kulutusta kestävät materiaalit ja pinnoitteet, koska DLC-kalvojen kulumisnopeudet ovat kaksi tai kolme kertaluokkaa pienemmät kuin esimerkiksi TiN-pinnoitteilla.
Laskeutumistekniikka ja laskeutumisparametrit säätelevät laajaa valikoimaa DLC-kalvojen koostumuksia ja rakenteita. Kuten useissa tutkimuksissa on käsitelty, kalvon koostumus sekä testiparametrit (kuormitus ja nopeus), testiympäristö, lämpötila ja vastapinnan materiaali vaikuttavat DLC-kalvojen kitka- ja kulumisominaisuuksiin.
DLC-pinnoitteen ominaisuudet
Kuinka stabiili DLC-pinnoite on? Millaisia ominaisuuksia tulisi ottaa huomioon?
DLC-pinnoitteet ovat kemiallisesti inerttejä, bioyhteensopivia ja hapettumisenkestäviä, ja niiden terminen kestävyys on jopa 300 ° CEdellä mainittujen etujen lisäksi DLC-pinnoitteilla on kuitenkin suuret jäännösjännitykset ja alhainen sitkeys, mikä rajoittaa niiden käyttöä monenlaisissa sovelluksissa, erityisesti mekaanisen suorituskyvyn osalta.
DLC-kalvojen ominaisuuksia ovat korkea kovuus, kulutuskestävyys, alhainen kitkakerroin, hyvä eristyskyky, korkea kemiallinen stabiilius, korkeat kaasunesto-ominaisuudet, korkeat palamisenesto-ominaisuudet, korkea bioyhteensopivuus ja korkea infrapunasäteilyn läpäisevyys. Matala lämpötila (200 ° C) Voidaan valmistaa tasapintaisia DLC-kalvoja.
Teolliset sovellukset
Timantin kaltaiset hiilipinnoitteet (DLC) ovat nousseet parhaaksi ratkaisuksi vaativiin fysikaalisiin sovelluksiin, joissa komponentit altistuvat suurille kuormille tai liialliselle kitkalle, kulumiselle ja kosketukselle muiden osien kanssa kulutusta kestävien ohutkalvojen maailmassa. Vain DLC-pinnoitteen suuri kovuus yhdessä alhaisen kitkakertoimen kanssa voi estää osien syöpymisen, kitkasyöpymisen, kiinnileikkautumisen ja lopulta pettämisen näissä olosuhteissa.
Yleisesti ottaen DLC-pinnoitteita käytetään monissa sovelluksissa, joissa PVD-pinnoitteita on korostettu – lukuun ottamatta leikkausinstrumentteja, jotka altistuvat korkeille käyttölämpötiloille. DLC-pinnoitteet ovat erityisen hyödyllisiä, kun halutaan sekä kulumisen että kitkan vähentämistä. DLC-pinnoitteet antavat myös mustan pinnan, joka on miellyttävä silmälle.
Tässä on esimerkkejä yleisistä sovelluksista:
- Auto: Männäntappeja ja keinuvipuja käytetään autoissa.
- Lääketiede: kirurgiset instrumentit, proteesit
- Tuliaseet: Pistoolin luistit, piiput ja lukonpidikkeet ovat kaikki esimerkkejä tuliaseista.
- Teollisuuskomponentit: Männät, sylinterit, hammaspyörät ja mekaaniset tiivisteet ovat esimerkkejä teollisuuskomponenteista ja koneista.
- Ruiskuvalu: Ruiskuvalussa käytetään muotteja, ulostyöntötappeja ja liukuvia koneenosia.
- Kulutustavarat: Rannekellot, korut ja golfmailat ovat esimerkkejä kulutustavaroista.
DLC-päällystettyjä materiaaleja voitaisiin käyttää myös lääketieteellisten antureiden, katetrien ja sydänimplanttien käyttöiän ja tehokkuuden pidentämiseen. DLC:tä on myös seostettu antimikrobisten metallien, kuten hopean, kanssa; hopea ei ainoastaan alenna puristusjännityksiä, vaan sillä on myös antibakteerisia ominaisuuksia. Huolimatta siitä, että paljon työtä on jo tehty, tarvitaan lisää tutkimusta DLC-pohjaisten lääkinnällisten laitteiden luomiseksi ja kaupallistamiseksi.
Yhteenveto
PVD- ja DLC-pinnoitteilla on samankaltaisia kerrostusmekanismeja. Pienen hiiliatomin koon vuoksi ne voivat luoda paksun kerroksen, jolla on korkea pakkauskerroin. Fysikaalinen höyrypinnoitus (PVD) ja kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) ovat kaksi päämenetelmää DLC-pinnoitteen kerrostamiseksi.
Hyvistä mekaanisista ominaisuuksista vastaa kolmenlaisia sidostyyppejä: sp1, sp2 ja sp3. DLC-pinnoitetta voidaan parantaa seostamalla sitä muilla alkuaineilla. DLC-pinnoitukseen voidaan käyttää laajaa valikoimaa alustoja. Alustan esikäsittely on kuitenkin saanut paljon huomiota, ja se tunnetaan dupleksikäsittelynä.
DLC-pinnoitteella on parhaat tribologiset ominaisuudet sekä kosteissa että kuivissa ympäristöissä. Tämä pinnoite on vakaa jopa 300 ° CDLC-pinnoitetta käytetään laajalti autoteollisuudessa, lääketieteessä, ruiskuvalussa ja teollisuuskomponenteissa.
Oliko tästä sinulle hyötyä? Jos sinulla on muita näkemyksiä tästä blogista, kerro meille kommentoimalla alle.
