ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングは、その優れた機械的品質と摩擦学的品質で知られています。これらのコーティングの作成には、スパッタリング、イオン ビーム、パルス レーザー蒸着、陰極真空アーク システムなどの物理蒸着法が一般的に使用されます。
しかし、DLC と PVD コーティングの違いは何ですか? DLC コーティングは PVD コーティングよりもどのように優れていますか?
PVD (Physical Vapor Deposition) は、さまざまな金属を蒸発させ、加熱した真空中でそれらを表面に積層する方法です。一方、DLC コーティングは薄膜コーティングの先進的な方法です。主な違いは、DLC が金属群にスプレーするのではなく、一種のカーボンを使用することです。
炭素は原子サイズが小さく、直径が約 0.15 ～約 0.22 nm であるため、高い充填率を持つ厚い膜を作成できます。
ほとんどの堆積プロセスでは、基本的なメカニズムは同じです。炭素原子に一定量のエネルギーが与えられ、基板に衝突します。ただし、各蒸着プロセスの単位イオンあたりのエネルギー量は異なります。さまざまな堆積プロセスにより、DLC コーティングにさまざまな特性が提供されます。
どちらも同じ機能を実行しますが、DLC はより高品質で耐久性があり、傷のつきにくい仕上げを提供します。
DLC コーティングは、その優れた機械的特性と摩擦学的特性により、業界で人気が高まっています。 DLC コーティングは化学的に不活性、生体適合性、耐酸化性があり、熱安定性が最高です。 300°C.
シュメレンマイヤーは、アセチレンガスの存在下でグロー放電プラズマによって生成される炭素コーティングについて初めて説明しました。 1953。カーボン層は良好な耐傷性と硬度を示した。これは、コーティングで発見されたダイヤモンドのような割合と特性が増加したためです。そのため、カーボンコーティングは徐々にDLCと呼ばれるようになりました。
DLCコーティングはどのようにして成膜されるのでしょうか？ DLC薄膜コーティングにはどのような技術が使われていますか?
これを詳しく調べてみましょう。
DLC 成膜技術
科学者たちは数十年にわたり、ダイヤモンド状炭素 (DLC) 層を生成するための数多くの方法を実験してきました。 DLC 堆積技術は、物理蒸着 (PVD) と化学蒸着 (CVD) に分類でき、DLC 層を作成する 2 つの主な方法です。
PVD 法の炭素源は固体 (グラファイト) ですが、CVD アプローチの炭素源は気体 (メタンなどの炭化水素) です。アーク、スパッタ、レーザー蒸着プロセスはすべて PVD の一種です。
高周波 (RF)、直流 (DC)、ペニング電離真空計 (PIG)、および自己放電はすべて CVD 法です。以下の図は、使用した RF 放電プラズマ CVD、PIG プラズマ CVD、およびアーク PVD を示しています。
蒸着技術は次のように分類できます。 XNUMX種類 現象の蔓延、またはコアまたは基板上の物理的、化学的、または物理化学的相互作用の種類（機械的、熱機械的、熱的、電気化学的、化学的、および物理的）に基づくアプローチの種類。
その中で、プラズマ支援化学気相成長 (PACVD) 技術が最も広く採用されています。これらの技術は、低温プラズマである気相中の化学プロセスを活性化することにより、低温での層の形成を可能にします。
DLC制作テクニック
原子構造
どのような原子結合が DLC の優れた機械的特性を生み出すのでしょうか?
炭素原子は、sp1、sp2、sp3 の XNUMX 種類の結合を形成します。グラファイトやダイヤモンドなどの炭素同素体は、炭素原子間のさまざまな結合構成によって形成されます。その結果、微細構造を生み出す原子結合パターンは、硬度、ヤング率、靭性、摩擦、摩耗などの材料特性を誘発する上で重要な役割を果たします。
DLCコーティングの改良傾向
DLC コーティングを改善するにはどうすればよいですか? DLC コーティングの改善に利用できる最新の傾向は何ですか?
DLC 特性を改善するために異元素ドーピングを使用しながら DLC コーティングを改善する傾向は、初期に始まりました。 1990s。望ましい特性を達成するために、DLC コーティングはさまざまな成分とともに同時スパッタリングされました。電気的特性にはスティビウム、ヨウ素、窒素、接着、摩擦、磨耗にはクロムとチタン、医療目的には銀とフッ素、防汚には銅、腐食改善にはジルコニウムが使用されています。
しかし、異種元素のドーピングによって一部の DLC 品質を改善するには、他の特性とのトレードオフが必要であることが判明しました。
金属元素を 0.2% ～ 20% DLC の硬度と摩耗率を補うためです。金属ドーピングに関連した DLC の硬度、靭性、応力、摩擦、摩耗に関する研究はほとんど発表されていません。
たとえば、2.5 パーセントのアルミニウムで残留応力を 0.5 から 0.12 GPa、摩擦係数を 0.03 から 18 に下げると、硬度が 24 GPa から 8 GPa に低下し、摩耗率が 2.5*3^ 10^-8 から 13* に増加します。 3^10^-8mm3/Nm。
同様に、DLC にチタンをドーピングすると、残留応力が 0.9 から 0.3 GPa に、摩擦係数が 1.0 から 0.05 に低下しますが、硬度も 10.5 から 9 GPa に低下します。
DLCコーティング用基板
DLCコーティングに使用できる基材にはどのようなものがありますか?下地処理に必要な前処理はありますか？
DLC コーティングに使用できる基材の範囲は多岐にわたります。ただし、基材は加えられる荷重のほとんどに耐える必要がありますが、DLC コーティングの自然層は非常に薄いです。したがって、基材が接触荷重をサポートするのに十分な強度がない場合、したがってコーティングが不十分な場合、塑性変形が発生し、コーティングの早期破損が発生します。
近年、熱化学的な基材前処理によって硬質DLCコーティングの特性を改善するという課題が大きな注目を集めており、それが、として知られる新しい方法の開発につながりました。 二重処理.
コーティングの堆積前に鋼基板をプラズマ窒化することは、基板とコーティングの機械的特性を改善するために広く採用されています。鋼基板をプラズマ窒化すると、コーティングと基板の複合材料の耐荷重能力が向上することが実証されています。
状況によっては、DLC が基板に直接付着しない場合があります (処理されたステンレス鋼)。同時に、密着性を向上させるために、DLC コーティングの仕上げに中間層材料が使用されました。
DLCコーティングのトライボロジー性能
湿気の多い乾燥した環境における DLC コーティングの摩擦学的性能はどのようなものですか?どれくらい有益ですか？
バルク材料や他の耐摩耗性コーティング表面と比較して、ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングは摩擦が低く、耐摩耗性に優れています。 DLC膜の摩擦・摩耗性能は、ガス雰囲気、湿度、温度などの周囲環境に大きく影響されます。高度に水素化された DLC フィルムは、乾燥した不活性環境では摩擦が最小限に抑えられますが、水素を含まない DLC フィルムは摩擦と摩耗が高くなります。
湿潤環境では、どちらのタイプの DLC フィルムの摩擦係数も同様で、0.05 ～ 0.2 の範囲であり、水素を含まない DLC フィルムが最高の耐摩耗性を発揮します。有益なトライボロジー特性 水素化DLC膜 高温では水素の流出と低温での膜構造の黒鉛化により破壊される可能性があります。一方、水素を含まない DLC 膜は、摩擦係数が高いにもかかわらず、より高い温度に耐えることができます。
ほとんどのバルク材料と比較して、DLC コーティングは、TiN のような耐摩耗性セラミック コーティングなど、優れた耐摩耗性を備えた低摩擦コーティングと考えることができます。通常の環境では、TiN の摩擦係数はおよそ 0.5 スチールと比較した場合、DLC フィルムの摩擦値は 0.2 未満です。境界潤滑された鋼と鋼の接点を比較すると、DLC コーティングは多くの場合、潤滑されていない接点で同様の摩擦レベルを示します。
DLCコーティングされた自動車部品
DLC フィルムの摩耗率は、たとえば TiN コーティングよりも 2 ～ 3 桁低いため、滑り接触では、DLC コーティングはほとんどの耐摩耗性材料およびコーティングよりも優れた性能を発揮します。
堆積技術と堆積パラメータは、DLC 膜の幅広い組成と構造を制御します。さまざまな研究で議論されているように、膜の組成、試験パラメータ (負荷と速度)、試験環境、温度、および対向面の材質は、DLC 膜の摩擦および摩耗性能に影響を与えます。
DLCコーティングの特性
DLCコーティングはどのくらい安定していますか？どのようなタイプのプロパティを考慮する必要がありますか?
DLC コーティングは化学的に不活性、生体適合性、耐酸化性があり、熱安定性が最高です。 300°C。しかし、前述の利点に加えて、DLC コーティングは残留応力が大きく靭性が低いため、特に機械的性能の点で、幅広い用途での使用が制限されています。
高硬度、耐摩耗性、低摩擦係数、高絶縁性、高化学的安定性、高ガスバリア性、高耐燃焼性、高生体適合性、高赤外線透過性はすべてDLC膜の特性です。低温（200°C） 表面が平坦なDLC膜を作製できます。
産業用アプリケーション
ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングは、耐摩耗性薄膜の世界において、コンポーネントが高負荷や過剰な摩擦、磨耗、他の部品との接触にさらされるような、要求の厳しい物理的用途に最適なソリューションとして浮上しました。 DLC コーティングの高い硬度と低い摩擦係数だけが、部品の孔食、かじり、焼き付き、そして最終的にはこのような条件下での現場での故障を防ぐことができます。
一般に、DLC コーティングは、高い動作温度にさらされる切断器具を除いて、PVD コーティングが重視されている用途の多くに採用されています。 DLC コーティングは、摩耗と摩擦の軽減の両方が必要な場合に特に有益です。 DLCコーティングにより、目に心地よい黒色仕上げも施されています。
一般的なアプリケーションの例をいくつか示します。
- 自動車：自動車にはピストンピンとロッカーアームが使用されています。
- 医療: 手術器具、補綴物
- 銃器: ピストル スライド、バレル、ボルト キャリアはすべて銃器の例です。
- 産業用コンポーネント: ピストン、プランジャー、ギア、メカニカル シールは、産業用コンポーネントおよび機械の例です。
- 射出成形：金型、エジェクターピン、摺動機械部品はすべて射出成形で使用されます。
- 消費財: 腕時計、宝飾品、ゴルフクラブなどが消費財の例です。
DLC コーティングされた材料は、医療プローブ、カテーテル、心臓インプラントの寿命と有効性を延長するために使用することもできます。 DLC は銀などの抗菌金属と合金化されています。銀は圧縮応力を下げるだけでなく、抗菌特性も備えています。すでに多くの研究が行われているにもかかわらず、DLC ベースの医療機器を作成して商品化するには、さらなる研究が必要です。
結論
PVD コーティングと DLC コーティングはどちらも堆積メカニズムに類似点があります。一方、炭素原子サイズが小さいため、高い充填率を備えた厚い層を作成できます。物理蒸着 (PVD) と化学蒸着 (CVD) は、DLC コーティングを蒸着する 2 つの主な方法です。
良好な機械的特性を担う結合には、sp1、sp2、sp3 の XNUMX 種類があります。 DLC コーティングは、他の元素をドーピングすることで改善できます。 DLC コーティングには広範囲の基板を使用できます。しかし、基材の前処理は大きな注目を集めており、二重処理として知られています。
DLC コーティングは、湿気の多い環境と乾燥した環境の両方で最高の摩擦性能を発揮します。このコーティングは次まで安定しています。 300°C。 DLC コーティングは、自動車、医療、射出成形、産業用部品に幅広く応用されています。
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