Premazi od dijamantno sličnog ugljika (DLC) poznati su po svojim iznimnim mehaničkim i tribološkim svojstvima. Za stvaranje ovih premaza obično se koriste fizičke metode taloženja iz parne faze poput raspršivanja, ionskog snopa, pulsirajućeg laserskog taloženja i katodnih vakuumskih lučnih sustava.
Ali, koja je razlika između DLC i PVD premaza? Po čemu je DLC premaz bolji od PVD premaza?
PVD ili fizičko taloženje iz parne faze je metoda koja uključuje isparavanje različitih metala, a zatim njihovo nanošenje na površinu u zagrijanom vakuumu. Dok je DLC premaz napredna metoda za nanošenje tankog filma. Glavna razlika je u tome što DLC koristi vrstu ugljika umjesto prskanja na skupinu metala.
Ugljik ima malu atomsku veličinu, u rasponu od ~0.15 do ~0.22 nm u promjeru, te stoga može stvoriti debeli film s visokim faktorom pakiranja.
Pa, za većinu procesa taloženja, osnovni mehanizam je isti: atomima ugljika se daje određena količina energije i oni se udaraju u podlogu. Međutim, svaki proces taloženja ima varijabilnu količinu energije po jedinici iona. Različiti procesi taloženja daju DLC premazima različita svojstva.
Oba obavljaju istu funkciju, ali DLC pruža višu, izdržljiviju i otporniju završnu obradu na ogrebotine.
DLC premazi dobivaju na popularnosti u industriji zbog svojih superiornih mehaničkih i triboloških svojstava. DLC premazi su kemijski inertni, biokompatibilni i otporni na oksidaciju, s toplinskom stabilnošću do 300 ° C.
Schmellenmeier je prvi put opisao ugljične premaze proizvedene plazmom tlijnog izbijanja u prisutnosti acetilena. 1953Sloj ugljika pokazao je dobru otpornost na ogrebotine i tvrdoću. Zbog povećanog udjela dijamanta i svojstava otkrivenih u premazima, ugljični premazi se postupno nazivaju DLC.
Kako se nanosi DLC premaz? Koje se tehnike koriste za nanošenje tankog filma DLC-om?
Istražimo ovo detaljno.
Tehnike DLC depozicije
Znanstvenici već nekoliko desetljeća eksperimentiraju s brojnim metodama za stvaranje slojeva dijamantnog ugljika (DLC). Tehnike DLC taloženja mogu se podijeliti u fizičko taloženje iz parne faze (PVD) i kemijsko taloženje iz parne faze (CVD) koje su dvije glavne metode za stvaranje DLC slojeva.
Izvor ugljika u PVD metodi je krutina (grafit), dok je izvor ugljika u CVD pristupu plin (ugljikovodik poput metana). Postupci elektrolučnog, raspršivanja i laserskog taloženja iz parne faze su sve vrste PVD-a.
Radiofrekvencija (RF), istosmjerna struja (DC), Penningov ionizacijski mjerač (PIG) i samopražnjenje su sve CVD metode. Donja slika prikazuje CVD plazmom RF pražnjenja, CVD plazmom PIG-a i lučni PVD koje smo koristili.
Tehnika nanošenja može se podijeliti na šest vrsta pristupa temeljenih na prevalenciji fenomena ili vrsti fizičke, kemijske ili fizikalno-kemijske interakcije na jezgri ili podlozi: mehanički, termomehanički, toplinski, elektrokemijski, kemijski i fizički.
Tehnike kemijskog taloženja iz pare potpomognutog plazmom (PACVD) su najčešće korištene među njima. Ove tehnologije omogućuju stvaranje slojeva na niskim temperaturama aktiviranjem kemijskih procesa u plinovitoj fazi, koja je plazma niske temperature.
Tehnike produkcije DLC-a
Struktura atoma
Koja vrsta atomskog vezanja uzrokuje dobra mehanička svojstva DLC-a?
Atomi ugljika tvore tri različite vrste veza: sp1, sp2 i sp3. Ugljikovi alotropi, poput grafita i dijamanta, nastaju različitim konfiguracijama veza između atoma ugljika. Kao rezultat toga, obrasci atomskih veza koji uzrokuju mikrostrukturu igraju ključnu ulogu u stvaranju svojstava materijala, uključujući tvrdoću, Youngov modul, žilavost ili trenje i trošenje, između ostalog.
Trendovi poboljšanja DLC premaza
Kako možemo poboljšati DLC premaz? Koji su najnoviji trendovi dostupni za poboljšanje DLC premaza?
Trend poboljšanja DLC premaza uz korištenje dopiranja stranim elementima za poboljšanje DLC karakteristika započeo je početkom 1990sKako bi se postigla željena svojstva, DLC premazi su naprašivani zajedno s raznim komponentama. Stibij, jod i dušik za električna svojstva, krom i titan za adheziju, trenje i trošenje, srebro i fluor za medicinske svrhe, bakar za zaštitu od obraštanja i cirkonij bili su među elementima korištenima za poboljšanje korozije.
Međutim, otkriveno je da poboljšanje nekih DLC svojstava dopiranjem stranim elementima zahtijeva kompromis u pogledu drugih karakteristika.
Mnoge studije su provedene kako bi se povećala žilavost i trenje DLC-a dopiranjem metalnih elemenata u rasponu od 0.2 posto do 20% kako bi se kompenzirala tvrdoća i brzina trošenja DLC-a. Objavljeno je malo istraživanja o tvrdoći, žilavosti, naprezanjima, trenju i trošenju DLC-a u odnosu na dopiranje metalom.
Na primjer, smanjenje zaostalog naprezanja s 2.5 na 0.5 GPa i koeficijenta trenja s 0.12 na 0.03 s 18 posto aluminija smanjuje tvrdoću s 24 na 8 GPa, a istovremeno povećava brzinu trošenja s 2.5*3^ 10^-8 na 13*3^10^-8 mm3/Nm.
Slično tome, dopiranje titanom u DLC-u smanjuje zaostalo naprezanje s 0.9 na 0.3 GPa i koeficijent trenja s ~1.0 na ~0.05, ali također smanjuje tvrdoću s ~10.5 na ~9 GPa.
Poboljšanje DLC premaza dopiranim DLC nanokompozitom
Podloga za DLC premaz
Koja se vrsta podloge može koristiti za DLC premaz? Je li potrebna neka prethodna obrada podloge?
Postoji širok raspon podloga koje se mogu koristiti za DLC premaze. Međutim, podloga mora podnijeti većinu primijenjenog opterećenja, dok DLC premazi imaju vrlo tanki prirodni sloj. Dakle, do plastične deformacije će doći ako podloga nije dovoljno jaka da podnese kontaktno opterećenje, a time i premaz, što će rezultirati preranim oštećenjem premaza.
Posljednjih godina, zadatak poboljšanja svojstava tvrdih DLC premaza termo-kemijskom prethodnom obradom podloge privukao je mnogo pozornosti, što je dovelo do razvoja nove metode poznate kao dvostrani tretman.
Plazma nitriranje čelične podloge prije nanošenja premaza široko se koristi za poboljšanje mehaničkih svojstava podloge i premaza. Pokazalo se da plazma nitriranje čelične podloge povećava nosivost kompozita premaza i podloge.
DLC se u nekim okolnostima možda neće izravno prilijepiti za podlogu (obrađeni nehrđajući čelik). Istovremeno, materijali međusloja korišteni su za završnu obradu DLC premaza kako bi se poboljšalo prianjanje.
Tribološke performanse DLC premaza
Kakve su tribološke performanse DLC premaza u vlažnom i suhom okruženju? Koliko je koristan?
U usporedbi s rasutim materijalima i drugim površinama s premazima otpornim na habanje, premazi od dijamantnog ugljika (DLC) imaju nisko trenje i veliku otpornost na habanje. Na trenje i habanje DLC filmova uvelike utječe okolni okoliš, uključujući plinsku atmosferu, vlažnost i temperaturu. Visoko hidrogenirani DLC filmovi imaju minimalno trenje u suhim i inertnim okruženjima, ali DLC filmovi bez vodika imaju visoko trenje i habanje.
U vlažnom okruženju, koeficijent trenja obje vrste DLC filmova je sličan, u rasponu od 0.05 do 0.2, a DLC filmovi bez vodika pružaju najbolju otpornost na habanje. Korisna tribološka svojstva hidrogenirani DLC filmovi može se poremetiti na visokim temperaturama zbog izlijevanja vodika i grafitizacije strukture filma na niskim temperaturama. S druge strane, DLC filmovi bez vodika mogu izdržati veće temperature unatoč većem koeficijentu trenja.
U usporedbi s većinom rasutih materijala, DLC premazi mogu se smatrati premazima s niskim trenjem i velikom otpornošću na habanje, poput keramičkih premaza otpornih na habanje poput TiN-a. U normalnom okruženju, TiN ima koeficijent trenja od otprilike 0.5 u usporedbi s čelikom, dok DLC filmovi imaju vrijednost trenja manju od 0.2. U usporedbi s granično podmazanim čelikom i čeličnim kontaktima, DLC premazi često pokazuju slične razine trenja u nepomazanim kontaktima.
Automobilski dijelovi presvučeni DLC-om
U kliznim kontaktima, DLC premazi nadmašuju većinu materijala i premaza otpornih na habanje, budući da su brzine trošenja DLC filmova dva do tri reda veličine niže od, na primjer, TiN premaza.
Tehnika i parametri taloženja reguliraju širok raspon sastava i struktura u DLC filmovima. Kao što je raspravljano u raznim istraživanjima, sastav filma, kao i parametri ispitivanja (opterećenje i brzina), ispitno okruženje, temperatura i materijal kontaktne površine, utječu na trenje i trošenje DLC filmova.
Svojstva DLC premaza
Koliko je DLC premaz stabilan? Koja svojstva treba uzeti u obzir?
DLC premazi su kemijski inertni, biokompatibilni i otporni na oksidaciju, s toplinskom stabilnošću do 300 ° CMeđutim, osim spomenutih prednosti, DLC premazi imaju velika zaostala naprezanja i nisku žilavost, što ograničava njihovu upotrebu u širokom rasponu primjena, posebno u pogledu mehaničkih performansi.
Visoka tvrdoća, otpornost na habanje, nizak koeficijent trenja, visoka izolacija, visoka kemijska stabilnost, visoke sposobnosti plinske barijere, visoka svojstva protiv gorenja, visoka biokompatibilnost i visoka infracrvena propusnost su sve karakteristike DLC filmova. Niskotemperaturno (200 ° C) Mogu se izraditi DLC filmovi s ravnim površinama.
Industrijske primjene
Premazi od dijamantno sličnog ugljika (DLC) pojavili su se kao najbolje rješenje za zahtjevne fizičke primjene gdje su komponente izložene visokim opterećenjima ili prekomjernom trenju, habanju i kontaktu s drugim dijelovima u svijetu tankih filmova otpornih na habanje. Samo velika tvrdoća DLC premaza, zajedno s niskim koeficijentom trenja, može spriječiti koroziju, trenje, zaglavljivanje i na kraju lom dijelova na terenu u tim uvjetima.
Općenito, DLC premazi se koriste za mnoge primjene za koje su PVD premazi istaknuti - s izuzetkom instrumenata za rezanje koji su izloženi visokim radnim temperaturama. DLC premazi su posebno korisni kada je potrebno smanjiti i trošenje i trenje. DLC premazi također pružaju crnu završnu obradu koja je ugodna oku.
Evo nekoliko primjera uobičajenih primjena:
- Automobil: Klipni klinovi i klackalice koriste se u automobilima.
- Medicinski: kirurški instrumenti, proteze
- Vatreno oružje: Zatvarač pištolja, cijevi i nosači zatvarača su primjeri vatrenog oružja.
- Industrijske komponente: Klipovi, klipnjače, zupčanici i mehaničke brtve primjeri su industrijskih komponenti i strojeva.
- Brizganje: U injekcijskom prešanju koriste se matrice, izbacivači i klizni dijelovi strojeva.
- Potrošačka roba: Ručni satovi, nakit i palice za golf primjeri su potrošačke robe.
Materijali obloženi DLC-om mogli bi se koristiti i za produljenje vijeka trajanja i učinkovitosti medicinskih sondi, katetera i srčanih implantata. DLC je također legiran s antimikrobnim metalima poput srebra; srebro ne samo da smanjuje tlačna naprezanja, već posjeduje i antibakterijska svojstva. Unatoč činjenici da je već puno posla obavljeno, potrebna su daljnja istraživanja za stvaranje i komercijalizaciju medicinskih uređaja temeljenih na DLC-u.
Zaključak
PVD i DLC premaz imaju sličnosti u mehanizmima nanošenja. Dok zbog male veličine atoma ugljika mogu stvoriti debeli sloj s visokim faktorom pakiranja. Fizičko nanošenje pare (PVD) i kemijsko nanošenje pare (CVD) dvije su glavne metode za nanošenje DLC premaza.
Postoje tri vrste vezanja sp1, sp2 i sp3 koje su odgovorne za dobra mehanička svojstva. DLC premaz može se poboljšati dopiranjem drugim elementima. Širok raspon podloga može se koristiti za DLC premaz. No, prethodna obrada podloge privukla je mnogo pozornosti i poznata je kao dupleks obrada.
DLC premaz pokazuje najbolje tribološke performanse u vlažnim i suhim okruženjima. Ovaj premaz je stabilan do 300 ° CPostoji široka primjena DLC premaza u automobilskoj, medicinskoj, industriji injekcijskog prešanja i industrijskim komponentama.
Je li vam bilo korisno? Ako imate bilo kakvih drugih mišljenja o ovom blogu, javite nam to komentiranjem ispod.
