Deimanto pavidalo anglies (DLC) dangos yra žinomos dėl savo išskirtinių mechaninių ir tribologinių savybių. Šioms dangoms sukurti dažniausiai naudojami fizikiniai garų nusodinimo metodai, tokie kaip dulkių siurbimas, jonų pluošto nusodinimas, impulsinis lazerinis nusodinimas ir katodinės vakuuminės lanko sistemos.
Kuo skiriasi DLC ir PVD dangos? Kuo DLC danga geresnė už PVD dangą?
PVD arba fizikinis garų nusodinimas yra metodas, kurio metu įvairūs metalai išgarinami ir vėliau sluoksniuojami ant paviršiaus kaitinamame vakuume. Tuo tarpu DLC dengimas yra pažangus plonasluoksnio dengimo metodas. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad DLC naudoja anglies rūšį, o ne purškia ant metalų grupės.
Anglies atominis dydis yra mažas – nuo ~0.15 iki ~0.22 nm, todėl ji gali sukurti storą plėvelę su dideliu pakavimo koeficientu.
Nuotrauka Meistarai on Unsplash
Na, daugumos nusodinimo procesų pagrindinis mechanizmas yra tas pats: anglies atomams suteikiamas tam tikras energijos kiekis ir jie daužomi į pagrindą. Tačiau kiekvienas nusodinimo procesas turi kintamą energijos kiekį jono vienetui. Įvairūs nusodinimo procesai suteikia DLC dangoms skirtingas savybes.
Abu jie atlieka tą pačią funkciją, tačiau DLC suteikia aukštesnę, patvaresnę ir atsparesnę įbrėžimams apdailą.
DLC dangos populiarėja pramonėje dėl savo puikių mechaninių ir tribologinių savybių. DLC dangos yra chemiškai inertiškos, biologiškai suderinamos ir atsparios oksidacijai, o jų terminis stabilumas siekia iki 300 ° C.
Schmellenmeier pirmą kartą aprašė anglies dangas, pagamintas naudojant švytėjimo išlydžio plazmą acetileno dujų akivaizdoje. 1953Anglies sluoksnis pasižymėjo geru atsparumu įbrėžimams ir kietumu. Dėl padidėjusios deimanto pavidalo dalies ir dangose aptiktų savybių. Todėl anglies dangos pamažu vadinamos DLC.
Kaip nusodinama DLC danga? Kokie DLC plonasluoksnės dangos gamybos būdai naudojami?
Panagrinėkime tai išsamiai.
DLC nusodinimo metodai
Jau kelis dešimtmečius mokslininkai eksperimentuoja su daugybe metodų, kaip sukurti deimanto tipo anglies (DLC) sluoksnius. DLC nusodinimo metodus galima suskirstyti į fizikinį garų nusodinimą (PVD) ir cheminį garų nusodinimą (CVD) – tai du pagrindiniai DLC sluoksnių kūrimo metodai.
PVD metode anglies šaltinis yra kieta medžiaga (grafitas), o CVD metode anglies šaltinis yra dujos (angliavandenilis, pvz., metanas). Lankinis, dulkinimo ir lazerinis garų nusodinimo procesai yra PVD tipai.
Radijo dažnio (RF), nuolatinės srovės (DC), Peningo jonizacijos matuoklio (PIG) ir savaiminio išlydžio metodai yra CVD. Žemiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti mūsų naudoti RF išlydžio plazmos CVD, PIG plazmos CVD ir lanko PVD.
Nusodinimo techniką galima suskirstyti į šešių rūšių metodų, pagrįstų reiškinių paplitimu arba fizinės, cheminės ar fizikocheminės sąveikos su šerdimi ar substratu tipu: mechaninis, termomechaninis, terminis, elektrocheminis, cheminis ir fizikinis.
Plazminiu būdu pagreitintas cheminis garų nusodinimas (PACVD) yra plačiausiai naudojamas metodas. Šios technologijos leidžia formuoti sluoksnius žemoje temperatūroje, aktyvuodamos cheminius procesus dujų fazėje, kuri yra žemos temperatūros plazma.
DLC gamybos metodai
Atominė struktūra
Kokio tipo atominis ryšys lemia geras DLC mechanines savybes?
Anglies atomai sudaro trijų skirtingų tipų ryšius: sp1, sp2 ir sp3. Anglies alotropai, tokie kaip grafitas ir deimantas, susidaro dėl įvairių anglies atomų jungčių konfigūracijų. Dėl to atominių jungčių modeliai, sukuriantys mikrostruktūrą, vaidina pagrindinį vaidmenį nustatant medžiagos savybes, įskaitant kietumą, Youngo modulį, tvirtumą ar trintį ir dilimą.
DLC dangų tobulinimo tendencijos
Kaip galime patobulinti DLC dangą? Kokios yra naujausios DLC dangų tobulinimo tendencijos?
DLC dangų tobulinimo tendencija, naudojant svetimkūnių legiravimą DLC charakteristikoms gerinti, prasidėjo pradžioje. 1990sNorint pasiekti norimas savybes, DLC dangos buvo kartu purškiamos su įvairiais komponentais. Tarp elementų, naudotų korozijai pagerinti, buvo stibis, jodas ir azotas elektrinėms savybėms, chromas ir titanas – sukibimui, trinčiai ir dilimui, sidabras ir fluoras – medicininiais tikslais, varis – apsaugai nuo užsiteršimo, o cirkonis.
Tačiau buvo nustatyta, kad norint pagerinti kai kurias DLC savybes pridedant pašalinių elementų, reikia kompromiso su kitomis savybėmis.
Buvo atlikta daug tyrimų, siekiant padidinti DLC tvirtumą ir trintį, įmaišant metalinių elementų nuo 0.2 iki 20% kompensuoti DLC kietumą ir dilimo greitį. Paskelbta nedaug tyrimų apie DLC kietumą, tvirtumą, įtempius, trintį ir dilimą, atsižvelgiant į metalo legiravimą.
Pavyzdžiui, sumažinus liekamąjį įtempį nuo 2.5 iki 0.5 GPa ir trinties koeficientą nuo 0.12 iki 0.03 naudojant 18 procentų aliuminio, kietumas sumažėja nuo 24 iki 8 GPa, o dilimo greitis padidėja nuo 2.5*3^10^-8 iki 13*3^10^-8 mm3/Nm.
Panašiai titano legiravimas DLC sumažina liekamąjį įtempį nuo 0.9 iki 0.3 GPa ir trinties koeficientą nuo ~1.0 iki ~0.05, tačiau taip pat sumažina kietumą nuo ~10.5 iki ~9 GPa.
DLC dangos patobulinimas legiruotu DLC nanokompozitu
DLC dangos pagrindas
Kokį pagrindą galima naudoti DLC dangai? Ar reikalingas koks nors išankstinis pagrindo apdorojimas?
DLC dangai galima naudoti daugybę pagrindų. Tačiau pagrindas turi atlaikyti didžiąją dalį apkrovos, o DLC dangos turi labai ploną natūralią plėvelę. Taigi, jei pagrindas nėra pakankamai tvirtas, kad atlaikytų kontaktinę apkrovą ir dėl to dangą, atsiras plastinė deformacija, dėl kurios danga anksčiau laiko suges.
Pastaraisiais metais daug dėmesio skirta kietųjų DLC dangų savybių gerinimo užduotimi, taikant termocheminį substrato išankstinį apdorojimą, todėl buvo sukurtas naujas metodas, žinomas kaip dvipusis gydymas.
Plieno pagrindo plazminis azotinimas prieš dangos nusodinimą buvo plačiai taikomas siekiant pagerinti pagrindo ir dangos mechanines savybes. Įrodyta, kad plieno pagrindo plazminis azotinimas padidina dangos ir pagrindo kompozito apkrovą.
Kai kuriais atvejais DLC gali tiesiogiai neprilipti prie pagrindo (pvz., apdorotas nerūdijantis plienas). Tuo pačiu metu, siekiant pagerinti sukibimą, DLC dangoms užbaigti buvo naudojamos tarpinio sluoksnio medžiagos.
DLC dangos tribologinės savybės
Kokios yra DLC dangos tribologinės savybės drėgnoje ir sausoje aplinkoje? Kiek tai naudinga?
Palyginti su biriomis medžiagomis ir kitais dilimui atspariais dengtais paviršiais, deimanto pavidalo anglies (DLC) dangos pasižymi maža trintimi ir dideliu atsparumu dilimui. DLC plėvelių trinties ir dilimo savybėms didelę įtaką daro supanti aplinka, įskaitant dujų atmosferą, drėgmę ir temperatūrą. Labai hidrintos DLC plėvelės pasižymi minimalia trintimi sausoje ir inertiškoje aplinkoje, tačiau vandenilio neturinčios DLC plėvelės pasižymi didele trintimi ir dilimu.
Drėgnoje aplinkoje abiejų tipų DLC plėvelių trinties koeficientas yra panašus – nuo 0.05 iki 0.2, o vandenilio neturinčios DLC plėvelės pasižymi geriausiu atsparumu dilimui. Naudingos DLC plėvelių tribologinės savybės hidrintos DLC plėvelės gali būti pažeistos aukštoje temperatūroje dėl vandenilio išsiskyrimo ir plėvelės struktūros grafitizacijos žemoje temperatūroje. Kita vertus, vandenilio neturinčios DLC plėvelės gali atlaikyti aukštesnę temperatūrą, nepaisant didesnio trinties koeficiento.
Lyginant su dauguma birių medžiagų, DLC dangas galima laikyti mažo trinties dangomis, pasižyminčiomis dideliu atsparumu dilimui, tokiomis kaip dilimui atsparios keraminės dangos, tokios kaip TiN. Įprastoje aplinkoje TiN trinties koeficientas yra maždaug 0.5 palyginti su plienu, o DLC plėvelių trinties vertė yra mažesnė nei 0.2. Lyginant suteptus plieninius ir plieninius kontaktus, DLC dangos dažnai pasižymi panašiu trinties lygiu neteptuose kontaktuose.
DLC dengtos automobilių dalys
Slystančių kontaktų atveju DLC dangos pranoksta daugumą atsparių dilimui medžiagų ir dangų, nes DLC plėvelių dilimo greitis yra dviem ar trimis dydžio eilėmis mažesnis nei, pavyzdžiui, TiN dangų.
Nusodinimo technika ir parametrai reguliuoja platų DLC plėvelių sudėčių ir struktūrų diapazoną. Kaip aptarta įvairiuose tyrimuose, plėvelės sudėtis, taip pat bandymo parametrai (apkrova ir greitis), bandymo aplinka, temperatūra ir atraminio paviršiaus medžiaga turi įtakos DLC plėvelių trinties ir dilimo savybėms.
DLC dangos savybės
Kiek DLC danga yra stabili? Į kokias savybes reikėtų atsižvelgti?
DLC dangos yra chemiškai inertiškos, biologiškai suderinamos ir atsparios oksidacijai, o jų terminis stabilumas siekia iki 300 ° CTačiau, be minėtų privalumų, DLC dangos pasižymi dideliais liekamaisiais įtempiais ir mažu tvirtumu, todėl jų naudojimas įvairiose srityse yra ribotas, ypač kalbant apie mechanines savybes.
Didelis kietumas, atsparumas dilimui, mažas trinties koeficientas, gera izoliacija, didelis cheminis stabilumas, didelės dujų barjero savybės, didelės apsaugos nuo degimo savybės, didelis biologinis suderinamumas ir didelis infraraudonųjų spindulių pralaidumas – visa tai yra DLC plėvelių savybės. Žema temperatūra (200 ° C) Galima pagaminti DLC plėveles su plokščiais paviršiais.
Pramoninis taikymas
Deimanto pavidalo anglies (DLC) dangos iškilo kaip geriausias sprendimas sudėtingoms fizikinėms reikmėms, kai komponentai patiria dideles apkrovas arba pernelyg didelę trintį, dilimą ir sąlytį su kitomis dalimis, atsparių dilimui plonų plėvelių pasaulyje. Tik didelis DLC dangos kietumas kartu su mažu trinties koeficientu gali apsaugoti dalis nuo įdubimų, įbrėžimų, įstrigimo ir galiausiai gedimų lauke tokiomis sąlygomis.
Apskritai DLC dangos naudojamos daugelyje sričių, kurioms PVD dangos yra ypač svarbios, išskyrus pjovimo instrumentus, kurie veikiami aukštos temperatūros. DLC dangos yra ypač naudingos, kai norima sumažinti ir dilimą, ir trintį. DLC dangos taip pat suteikia juodą paviršių, kuris yra malonus akiai.
Štai keletas įprastų programų pavyzdžių:
- Automobilis: Automobiliuose naudojami stūmokliniai kaiščiai ir svirties svirtys.
- Medicina: chirurginiai instrumentai, protezai
- Šaunamieji ginklai: Pistoleto užraktai, vamzdžiai ir spynų laikikliai yra šaunamųjų ginklų pavyzdžiai.
- Pramoniniai komponentai: Stūmokliai, stūmokliai, krumpliaračiai ir mechaniniai sandarikliai yra pramoninių komponentų ir mašinų pavyzdžiai.
- Liejimas įpurškimu: Įpurškimo liejimui naudojami štampai, išmetimo kaiščiai ir stumdomos mašinos dalys.
- Vartojimo prekės: Rankiniai laikrodžiai, papuošalai ir golfo lazdos yra vartojimo prekių pavyzdžiai.
DLC dengtos medžiagos taip pat galėtų būti naudojamos medicininių zondų, kateterių ir širdies implantų tarnavimo laikui ir efektyvumui pailginti. DLC taip pat buvo legiruotas su antimikrobiniais metalais, tokiais kaip sidabras; sidabras ne tik sumažina gniuždymo įtempius, bet ir pasižymi antibakterinėmis savybėmis. Nepaisant to, kad jau atlikta daug darbo, reikia atlikti daugiau tyrimų, siekiant sukurti ir komercializuoti DLC pagrindu veikiančius medicinos prietaisus.
Išvada
PVD ir DLC dangos turi panašių nusodinimo mechanizmų. Kadangi dėl mažo anglies atomo dydžio jos gali sukurti storą sluoksnį su dideliu pakavimo koeficientu. Fizikinis garų nusodinimas (PVD) ir cheminis garų nusodinimas (CVD) yra du pagrindiniai DLC dangų nusodinimo metodai.
Yra trys jungimo tipai – sp1, sp2 ir sp3 –, kurie lemia geras mechanines savybes. DLC dangą galima pagerinti legiruojant kitais elementais. DLC dangai gali būti naudojamas platus pagrindų spektras. Tačiau daug dėmesio sulaukė išankstinis pagrindų apdorojimas, vadinamas dvipusiu apdorojimu.
DLC danga pasižymi geriausiomis tribologinėmis savybėmis tiek drėgnoje, tiek sausoje aplinkoje. Ši danga yra stabili iki 300 ° CDLC danga plačiai taikoma automobilių, medicinos, liejimo ir pramonės komponentuose.
Ar tai jums buvo naudinga? Jei turite kitų nuomonių apie šį tinklaraštį, praneškite mums komentaruose apačioje.
