I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) sono noti per le loro eccezionali qualità meccaniche e tribologiche. Per creare questi rivestimenti vengono comunemente utilizzati metodi di deposizione fisica del vapore come lo sputtering, il fascio ionico, la deposizione laser pulsata e i sistemi ad arco catodico sotto vuoto.
Ma qual è la differenza tra il rivestimento DLC e PVD? In che modo un rivestimento DLC è migliore del rivestimento PVD?
Il PVD, o Physical Vapour Deposition, è un metodo che prevede la vaporizzazione di una varietà di metalli e quindi la loro stratificazione su una superficie sotto vuoto riscaldato. Mentre il rivestimento DLC è un metodo avanzato per il rivestimento a film sottile. La distinzione principale è che il DLC utilizza una sorta di carbonio invece di essere spruzzato su un gruppo di metalli.
Il carbonio ha una dimensione atomica piccola, compresa tra ~ 0.15 e ~ 0.22 nm di diametro, e quindi può creare una pellicola spessa con un elevato fattore di impaccamento.
Bene, per la maggior parte dei processi di deposizione, il meccanismo di base è lo stesso: agli atomi di carbonio viene data una certa quantità di energia e colpiscono il substrato. Tuttavia, ciascun processo di deposizione ha una quantità variabile di energia per unità di ione. Vari processi di deposizione forniscono rivestimenti DLC con proprietà diverse.
Entrambi svolgono la stessa funzione, ma il DLC fornisce una finitura più alta, più durevole e più resistente ai graffi.
I rivestimenti DLC stanno guadagnando popolarità nel settore grazie alle loro proprietà meccaniche e tribologiche superiori. I rivestimenti DLC sono chimicamente inerti, biocompatibili e resistenti all'ossidazione, con una stabilità termica fino a 300 ° C.
Schmellenmeier descrisse per la prima volta rivestimenti di carbonio prodotti con plasma a scarica a bagliore in presenza di gas acetilene 1953. Lo strato di carbonio ha mostrato una buona resistenza ai graffi e durezza. A causa della maggiore proporzione simile al diamante e delle proprietà scoperte nei rivestimenti. Pertanto, i rivestimenti in carbonio vengono gradualmente chiamati DLC.
Come viene depositato il rivestimento DLC? Quali tecniche vengono utilizzate per il rivestimento a film sottile DLC?
Esploriamo questo in dettaglio.
Tecniche di deposizione DLC
Per diversi decenni, gli scienziati hanno sperimentato numerosi metodi per generare strati di carbonio simile al diamante (DLC). Le tecniche di deposizione DLC possono essere classificate in Physical Vapor Deposition (PVD) e Chemical Vapor Deposition (CVD) che sono i due metodi principali per la creazione di strati DLC.
La fonte di carbonio nel metodo PVD è un solido (grafite), mentre la fonte di carbonio nell'approccio CVD è un gas (un idrocarburo come il metano). I processi ad arco, sputtering e deposizione di vapore laser sono tutti tipi di PVD.
La radiofrequenza (RF), la corrente continua (CC), il misuratore di ionizzazione Penning (PIG) e l'autoscarica sono tutti metodi CVD. La figura seguente illustra il CVD al plasma a scarica RF, il CVD al plasma PIG e il PVD ad arco che abbiamo utilizzato.
La tecnica di deposizione può essere classificata in sei tipi di approcci basati sulla prevalenza dei fenomeni o sul tipo di interazione fisica, chimica o fisico-chimica sul nucleo o sul substrato: meccanica, termomeccanica, termica, elettrochimica, chimica e fisica.
Tra queste, le tecniche di deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma (PACVD) sono le più utilizzate. Queste tecnologie consentono la formazione di strati a bassa temperatura attivando processi chimici nella fase gassosa, che è un plasma a bassa temperatura.
Tecniche di produzione dei DLC
Struttura atomica
Che tipo di legame atomico provoca la produzione di buone proprietà meccaniche DLC?
Gli atomi di carbonio formano tre diversi tipi di legami: sp1, sp2 e sp3. Gli allotropi del carbonio, come la grafite e il diamante, sono formati da varie configurazioni di legame tra atomi di carbonio. Di conseguenza, i modelli di legame atomico che danno origine alla microstruttura svolgono un ruolo chiave nell'indurre qualità del materiale tra cui durezza, modulo di Young, tenacità o attrito e usura, tra gli altri.
Tendenze di miglioramento nel rivestimento DLC
Come possiamo migliorare il rivestimento DLC? Quali sono le ultime tendenze disponibili per il miglioramento del rivestimento DLC?
Classificazione del rivestimento DLC
La tendenza al miglioramento del rivestimento DLC utilizzando il drogaggio con elementi estranei per migliorare le caratteristiche del DLC è iniziata presto 1990 secondi. Per ottenere le proprietà desiderate, i rivestimenti DLC sono stati co-sputterizzati con una varietà di componenti. Stibio, iodio e azoto per qualità elettriche, cromo e titanio per adesione, attrito e usura, argento e fluoro per scopi medicinali, rame per antivegetativa e zirconio erano tra gli elementi utilizzati per migliorare la corrosione.
Tuttavia, è stato scoperto che il miglioramento di alcune qualità del DLC con il doping di elementi estranei richiede un compromesso su altre caratteristiche.
Sono stati condotti molti studi per aumentare la tenacità e l'attrito del DLC drogando elementi metallici nell'intervallo dallo 0.2% allo XNUMX%. 20% per compensare la durezza e il tasso di usura del DLC. Sono state pubblicate poche ricerche sulla durezza, tenacità, stress, attrito e usura del DLC in relazione al doping del metallo.
Ad esempio, riducendo la tensione residua da 2.5 a 0.5 GPa e il coefficiente di attrito da 0.12 a 0.03 con il 18% di alluminio si riduce la durezza da 24 a 8 GPa mentre si aumenta il tasso di usura da 2.5*3^ 10^-8 a 13* 3^10^-8mm3/Nm.
Allo stesso modo, il drogaggio del titanio nel DLC riduce lo stress residuo da 0.9 a 0.3 GPa e il coefficiente di attrito da ~1.0 a ~0.05, ma abbassa anche la durezza da ~10.5 a ~9 GPa.
Miglioramento del rivestimento DLC mediante nanocomposito DLC drogato
Substrato per rivestimento DLC
Che tipo di substrato può essere utilizzato per il rivestimento DLC? È necessario un pretrattamento per il substrato?
Esiste una vasta gamma di substrati che possono essere utilizzati per il rivestimento DLC. Tuttavia, il substrato deve sopportare la maggior parte del carico applicato, ma i rivestimenti DLC hanno uno strato naturale molto sottile. Pertanto, se il substrato non è abbastanza resistente da sostenere il carico di contatto e quindi il rivestimento, si verificherà una deformazione plastica, con conseguente cedimento precoce del rivestimento.
Negli ultimi anni, il compito di migliorare le proprietà dei rivestimenti DLC duri mediante pretrattamento termochimico del substrato ha ricevuto molta attenzione, portando allo sviluppo di un nuovo metodo noto come trattamento duplex.
La nitrurazione al plasma del substrato di acciaio prima della deposizione del rivestimento è stata ampiamente impiegata per migliorare le qualità meccaniche del substrato e del rivestimento. È stato dimostrato che la nitrurazione al plasma del substrato di acciaio aumenta la capacità di carico del composito rivestimento-substrato.
In alcune circostanze il DLC potrebbe non aderire direttamente al substrato (acciaio inossidabile trattato). Allo stesso tempo, sono stati utilizzati materiali di strato intermedio per rifinire i rivestimenti DLC al fine di migliorare l'adesione.
Prestazioni tribologiche del rivestimento DLC
Quali sono le prestazioni tribologiche del rivestimento DLC in un ambiente umido e secco? Quanto è vantaggioso?
Rispetto ai materiali sfusi e ad altre superfici rivestite resistenti all'usura, i rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) presentano un basso attrito e un'elevata resistenza all'usura. Le prestazioni di attrito e usura delle pellicole DLC sono fortemente influenzate dall'ambiente circostante, compresa l'atmosfera gassosa, l'umidità e la temperatura. Le pellicole DLC altamente idrogenate hanno un attrito minimo in ambienti asciutti e inerti, ma le pellicole DLC prive di idrogeno presentano attrito e usura elevati.
In un ambiente umido, il coefficiente di attrito di entrambi i tipi di pellicole DLC è simile, compreso tra 0.05 e 0.2, e le pellicole DLC prive di idrogeno forniscono la migliore resistenza all'usura. Le benefiche caratteristiche tribologiche di film DLC idrogenati può essere distrutto ad alte temperature a causa dell'effusione di idrogeno e della grafitizzazione della struttura del film a basse temperature. Le pellicole DLC prive di idrogeno, invece, possono resistere a temperature più elevate pur avendo un coefficiente di attrito più elevato.
Rispetto alla maggior parte dei materiali sfusi, i rivestimenti DLC possono essere considerati rivestimenti a basso attrito con grande resistenza all'usura, come i rivestimenti ceramici resistenti all'usura come TiN. In un ambiente normale, il TiN ha un coefficiente di attrito di circa 0.5 rispetto all'acciaio, mentre le pellicole DLC hanno un valore di attrito inferiore a 0.2. Se confrontati con i contatti in acciaio lubrificati perimetrali rispetto ai contatti in acciaio, i rivestimenti DLC spesso mostrano livelli di attrito simili nei contatti non lubrificati.
Parti automobilistiche rivestite in DLC
Nei contatti striscianti, i rivestimenti DLC superano la maggior parte dei materiali e rivestimenti resistenti all'usura, poiché i tassi di usura dei film DLC sono inferiori di due o tre ordini di grandezza rispetto, ad esempio, ai rivestimenti TiN.
La tecnica di deposizione e i parametri di deposizione regolano un'ampia gamma di composizioni e strutture nei film DLC. Come discusso in varie ricerche, la composizione della pellicola, nonché i parametri di prova (carico e velocità), l'ambiente di prova, la temperatura e il materiale della controfaccia, influenzano l'attrito e le prestazioni di usura delle pellicole DLC.
Proprietà del rivestimento DLC
Quanto rivestimento DLC è stabile? Che tipo di immobili dovrebbero essere considerati?
I rivestimenti DLC sono chimicamente inerti, biocompatibili e resistenti all'ossidazione, con una stabilità termica fino a 300 ° C. Tuttavia, oltre ai vantaggi sopra menzionati, i rivestimenti DLC presentano elevate tensioni residue e bassa tenacità, limitandone l’uso in un’ampia gamma di applicazioni, in particolare in termini di prestazioni meccaniche.
Elevata durezza, resistenza all'usura, basso coefficiente di attrito, elevato isolamento, elevata stabilità chimica, elevate capacità di barriera ai gas, elevate qualità anti-combustione, elevata biocompatibilità ed elevata permeabilità agli infrarossi sono tutte caratteristiche delle pellicole DLC. Bassa temperatura (200 ° C) È possibile realizzare pellicole DLC con superfici piane.
Applicazioni Industriali
I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) sono emersi come la migliore soluzione per applicazioni fisiche impegnative in cui i componenti sono soggetti a carichi elevati o attrito eccessivo, usura e contatto con altre parti nel mondo dei film sottili resistenti all'usura. Solo la grande durezza di un rivestimento DLC, insieme a un basso coefficiente di attrito, può impedire alle parti di vaiolarsi, gripparsi, gripparsi ed eventualmente rompersi sul campo in queste condizioni.
In generale, i rivestimenti DLC vengono impiegati per molte delle applicazioni per le quali sono stati privilegiati i rivestimenti PVD, ad eccezione degli strumenti da taglio soggetti a temperature operative elevate. I rivestimenti DLC sono particolarmente utili quando si desidera ridurre sia l'usura che l'attrito. I rivestimenti DLC forniscono anche una finitura nera piacevole alla vista.
Ecco alcuni esempi di applicazioni comuni:
- Automobile: nelle automobili vengono utilizzati perni dei pistoni e bilancieri.
- Medicina: strumenti chirurgici, protesi
- Armi da fuoco: carrelli per pistole, canne e porta-otturatore sono tutti esempi di armi da fuoco.
- Componenti industriali: pistoni, stantuffi, ingranaggi e tenute meccaniche sono esempi di componenti e macchinari industriali.
- Stampaggio a iniezione: matrici, perni di espulsione e parti di macchine scorrevoli sono tutti utilizzati nello stampaggio a iniezione.
- Beni di consumo: orologi da polso, gioielli e mazze da golf sono esempi di beni di consumo.
I materiali rivestiti in DLC potrebbero essere utilizzati anche per prolungare la durata e l’efficacia di sonde mediche, cateteri e impianti cardiaci. Il DLC è stato anche legato con metalli antimicrobici come l'argento; l'argento non solo riduce gli stress da compressione, ma possiede anche proprietà antibatteriche. Nonostante sia già stato fatto molto lavoro, sono necessarie ulteriori ricerche per creare e commercializzare dispositivi medici basati su DLC.
Conclusione
I rivestimenti PVD e DLC presentano entrambi somiglianze nei meccanismi di deposizione. Invece, a causa delle piccole dimensioni atomiche del carbonio, può creare uno strato spesso con un elevato fattore di riempimento. La deposizione fisica da fase vapore (PVD) e la deposizione chimica da fase vapore (CVD) sono due metodi principali per depositare il rivestimento DLC.
Esistono tre tipi di legame sp1, sp2 e sp3 che sono responsabili di buone proprietà meccaniche. Il rivestimento DLC può essere migliorato drogandosi con altri elementi. Per il rivestimento DLC è possibile utilizzare una vasta gamma di substrati. Tuttavia, il pretrattamento del substrato ha ricevuto molta attenzione ed è noto come trattamento duplex.
Il rivestimento DLC mostra le migliori prestazioni tribologiche sia in ambienti umidi che asciutti. Questo rivestimento è stabile fino a 300 ° C. Esiste una vasta applicazione del rivestimento DLC nei componenti automobilistici, medicali, nello stampaggio a iniezione e industriali.
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