Diamantachtige koolstofcoatings (DLC) staan bekend om hun uitzonderlijke mechanische en tribologische eigenschappen. Fysische dampafzettingsmethoden zoals sputteren, ionenbundel, gepulseerde laserafzetting en kathodische vacuümboogsystemen worden vaak gebruikt om deze coatings te maken.
Maar wat is het verschil tussen DLC en PVD-coating? Hoe is een DLC-coating beter dan PVD-coating?
PVD, of Physical Vapour Deposition, is een methode waarbij verschillende metalen worden verdampt en vervolgens in een verwarmd vacuüm op een oppervlak worden aangebracht. Terwijl DLC-coating een geavanceerde methode is voor dunnefilmcoating. Het belangrijkste onderscheid is dat DLC een soort koolstof gebruikt in plaats van op een groep metalen te spuiten.
Koolstof heeft een kleine atoomgrootte, variërend van ~0.15 tot ~0.22 nm in diameter, en kan daarom een dikke film met een hoge pakkingsfactor creëren.
Welnu, voor de meeste afzettingsprocessen is het basismechanisme hetzelfde: koolstofatomen krijgen een bepaalde hoeveelheid energie en worden in het substraat gestoten. Elk afzettingsproces heeft echter een variabele hoeveelheid energie per ioneenheid. Gevarieerde depositieprocessen zorgen ervoor dat DLC-coatings verschillende eigenschappen hebben.
Ze vervullen allebei dezelfde functie, maar DLC zorgt voor een hogere, duurzamere en krasbestendigere afwerking.
DLC-coatings winnen aan populariteit in de industrie vanwege hun superieure mechanische en tribologische eigenschappen. DLC-coatings zijn chemisch inert, biocompatibel en oxidatiebestendig, met een thermische stabiliteit van maximaal 300 ° C.
Schmellenmeier beschreef voor het eerst koolstofcoatings geproduceerd met gloeiontladingsplasma in aanwezigheid van acetyleengas 1953. De koolstoflaag vertoonde een goede krasvastheid en hardheid. Vanwege het toegenomen diamantachtige aandeel en de eigenschappen die in de coatings zijn ontdekt. Koolstofcoatings worden dus geleidelijk DLC genoemd.
Hoe wordt de DLC-coating aangebracht? Welke technieken worden gebruikt voor DLC dunne filmcoating?
Laten we dit in detail onderzoeken.
DLC-afzettingstechnieken
Wetenschappers hebben tientallen jaren geëxperimenteerd met talloze methoden om diamantachtige koolstoflagen (DLC) te genereren. De DLC-depositietechnieken kunnen worden onderverdeeld in Physical Vapour Deposition (PVD) en Chemical Vapour Deposition (CVD) zijn de twee belangrijkste methoden voor het maken van DLC-lagen.
De koolstofbron in de PVD-methode is een vaste stof (grafiet), terwijl de koolstofbron in de CVD-benadering een gas is (een koolwaterstof zoals methaan). De boog-, sputter- en laserdampafzettingsprocessen zijn allemaal soorten PVD.
Radiofrequentie (RF), gelijkstroom (DC), Penning-ionisatiemeter (PIG) en zelfontlading zijn allemaal CVD-methoden. De onderstaande afbeelding toont de RF-ontladingsplasma-CVD, PIG-plasma-CVD en boog-PVD die we hebben gebruikt.
De depositietechniek kan worden onderverdeeld in: zes soorten van benaderingen gebaseerd op de prevalentie van verschijnselen of het type fysische, chemische of fysisch-chemische interactie op de kern of het substraat: mechanisch, thermomechanisch, thermisch, elektrochemisch, chemisch en fysisch.
Plasma-geassisteerde chemische dampdepositietechnieken (PACVD) worden het meest gebruikt. Deze technologieën maken de vorming van lagen bij lage temperaturen mogelijk door chemische processen in de gasfase, een plasma op lage temperatuur, te activeren.
DLC-productietechnieken
Atoom structuur
Welk soort atomaire binding zorgt voor goede mechanische DLC-eigenschappen?
Koolstofatomen vormen drie verschillende soorten bindingen: sp1, sp2 en sp3. Koolstofallotropen, zoals grafiet en diamant, worden gevormd door verschillende bindingsconfiguraties tussen koolstofatomen. Als gevolg hiervan spelen de atomaire bindingspatronen die aanleiding geven tot de microstructuur een sleutelrol bij het induceren van materiaalkwaliteiten, waaronder hardheid, Young's modulus, taaiheid of wrijving en slijtage.
Trends van verbetering in DLC-coating
Hoe kunnen we de DLC-coating verbeteren? Wat zijn de nieuwste trends voor verbetering van DLC-coating?
De trend van verbetering van de DLC-coating terwijl doping met vreemde elementen werd gebruikt om de DLC-eigenschappen te verbeteren, begon al in het begin 1990s. Om de gewenste eigenschappen te bereiken, werden DLC-coatings samen met een verscheidenheid aan componenten gesputterd. Stibium, jodium en stikstof voor elektrische eigenschappen, chroom en titanium voor hechting, wrijving en slijtage, zilver en fluor voor medicinale doeleinden, koper voor aangroeiwerende eigenschappen en zirkonium behoorden tot de elementen die werden gebruikt voor corrosieverbetering.
Er is echter ontdekt dat het verbeteren van sommige DLC-kwaliteiten met doping van vreemde elementen een afweging tussen andere kenmerken noodzakelijk maakt.
Er zijn veel onderzoeken gedaan om de taaiheid en wrijving van DLC te vergroten door metalen elementen te doteren in een bereik van 0.2 procent tot 20% om de hardheid en slijtage van DLC te compenseren. Er is weinig onderzoek gepubliceerd naar DLC-hardheid, taaiheid, spanningen, wrijving en slijtage in relatie tot metaaldoping.
Door bijvoorbeeld de restspanning te verlagen van 2.5 naar 0.5 GPa en de wrijvingscoëfficiënt van 0.12 naar 0.03 met 18 procent aluminium, wordt de hardheid verlaagd van 24 naar 8 GPa, terwijl de slijtagesnelheid toeneemt van 2.5*3^ 10^-8 naar 13* 3^10^-8 mm3 /Nm.
Op dezelfde manier verlaagt titaniumdotering in DLC de restspanning van 0.9 naar 0.3 GPa en de wrijvingscoëfficiënt van ~1.0 naar ~0.05, maar het verlaagt ook de hardheid van ~10.5 naar ~9 GPa.
Verbetering van de DLC-coating door gedoteerd DLC-nanocomposiet
Substraat voor DLC-coating
Welk soort substraat kan worden gebruikt voor DLC-coating? Moet het substraat een voorbehandeling ondergaan?
Er is een breed scala aan substraten die kunnen worden gebruikt voor DLC-coating. Maar het substraat moet het grootste deel van de aangebrachte belasting dragen, maar DLC-coatings hebben een zeer dunne natuurlaag. Er zal dus plastische vervorming optreden als het substraat niet sterk genoeg is om de contactbelasting en dus de coating te ondersteunen, wat resulteert in vroegtijdig falen van de coating.
De afgelopen jaren heeft de taak om de eigenschappen van harde DLC-coatings te verbeteren door thermochemische substraatvoorbehandeling veel aandacht gekregen, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe methode die bekend staat als een duplexbehandeling.
Plasmanitreren van het stalen substraat vóór het afzetten van de coating is op grote schaal toegepast om de mechanische eigenschappen van het substraat en de coating te verbeteren. Plasmanitreren van het stalen substraat blijkt het draagvermogen van het coating-substraatcomposiet te vergroten.
Het kan zijn dat de DLC onder bepaalde omstandigheden niet direct aan de ondergrond hecht (behandeld roestvrij staal). Tegelijkertijd werden tussenlaagmaterialen gebruikt om de DLC-coatings af te werken om de hechting te verbeteren.
Tribologische prestaties van DLC Coating
Wat zijn de tribologische prestaties van DLC-coating in een vochtige en droge omgeving? Hoeveel is het voordelig?
Vergeleken met bulkmaterialen en andere slijtvaste gecoate oppervlakken hebben diamantachtige koolstofcoatings (DLC) een lage wrijving en een grote slijtvastheid. De wrijvings- en slijtageprestaties van DLC-films worden sterk beïnvloed door de omgeving, inclusief gasatmosfeer, vochtigheid en temperatuur. Sterk gehydrogeneerde DLC-films hebben minimale wrijving in droge en inerte omgevingen, maar waterstofvrije DLC-films hebben hoge wrijving en slijtage.
In een vochtige omgeving is de wrijvingscoëfficiënt van beide typen DLC-films vergelijkbaar, variërend van 0.05 tot 0.2, en waterstofvrije DLC-films bieden de beste slijtvastheid. De gunstige tribologische kenmerken van gehydrogeneerde DLC-films kan bij hoge temperaturen worden verstoord als gevolg van waterstofeffusie en grafitisering van de filmstructuur bij lage temperaturen. De waterstofvrije DLC-films zijn daarentegen bestand tegen hogere temperaturen, ondanks dat ze een hogere wrijvingscoëfficiënt hebben.
In vergelijking met de meeste bulkmaterialen kunnen DLC-coatings worden gezien als coatings met lage wrijving en een grote slijtvastheid, zoals slijtvaste keramische coatings zoals TiN. In een normale omgeving heeft TiN een wrijvingscoëfficiënt van ongeveer 0.5 in vergelijking met staal, terwijl DLC-films een wrijvingswaarde hebben van minder dan 0.2. In vergelijking met grensgesmeerd staal versus stalen contacten vertonen DLC-coatings vaak vergelijkbare wrijvingsniveaus bij ongesmeerde contacten.
DLC-gecoate auto-onderdelen
Bij glijdende contacten presteren DLC-coatings beter dan de meeste slijtvaste materialen en coatings, aangezien de slijtagesnelheden van DLC-films twee tot drie ordes van grootte lager zijn dan bijvoorbeeld TiN-coatings.
De depositietechniek en depositieparameters regelen een breed scala aan composities en structuren in DLC-films. Zoals besproken in verschillende onderzoeken, beïnvloeden de filmsamenstelling, evenals de testparameters (belasting en snelheid), testomgeving, temperatuur en tegenvlakmateriaal, de wrijvings- en slijtageprestaties van DLC-films.
Eigenschappen van DLC-coating
Hoeveel DLC-coating is stabiel? Met welk type vastgoed moet rekening worden gehouden?
DLC-coatings zijn chemisch inert, biocompatibel en oxidatiebestendig, met een thermische stabiliteit van maximaal 300 ° C. Naast de bovengenoemde voordelen hebben DLC-coatings echter grote restspanningen en een lage taaiheid, waardoor hun gebruik in een breed scala aan toepassingen wordt beperkt, vooral in termen van mechanische prestaties.
Hoge hardheid, slijtvastheid, lage wrijvingscoëfficiënt, hoge isolatie, hoge chemische stabiliteit, hoge gasbarrièremogelijkheden, hoge anti-brandeigenschappen, hoge biocompatibiliteit en hoge infraroodpermeabiliteit zijn allemaal kenmerken van DLC-films. Lage temperatuur (200 ° C) Er kunnen DLC-films met vlakke oppervlakken worden gemaakt.
Industriële toepassingen
Diamantachtige koolstofcoatings (DLC) zijn de beste oplossing gebleken voor veeleisende fysieke toepassingen waarbij componenten worden blootgesteld aan hoge belastingen of overmatige wrijving, slijtage en contact met andere onderdelen in de wereld van slijtvaste dunne films. Alleen de grote hardheid van een DLC-coating, samen met een lage wrijvingscoëfficiënt, kan voorkomen dat onderdelen in deze omstandigheden putjes vormen, vreten, vastlopen en uiteindelijk kapot gaan in het veld.
Over het algemeen worden DLC-coatings gebruikt voor veel van de toepassingen waarvoor de nadruk ligt op PVD-coatings, met uitzondering van snijinstrumenten die worden blootgesteld aan hoge bedrijfstemperaturen. DLC-coatings zijn vooral nuttig wanneer zowel slijtage als wrijvingsreductie gewenst zijn. DLC-coatings zorgen bovendien voor een zwarte afwerking die prettig is voor het oog.
Hier zijn enkele voorbeelden van veel voorkomende toepassingen:
- Automobiel: Zuigerpennen en tuimelaars worden gebruikt in auto's.
- Medisch: chirurgische instrumenten, protheses
- Vuurwapens: Pistoolglijbanen, lopen en grendeldragers zijn allemaal voorbeelden van vuurwapens.
- Industriële componenten: Zuigers, plunjers, tandwielen en mechanische afdichtingen zijn voorbeelden van industriële componenten en machines.
- Spuitgieten: Matrijzen, uitwerppennen en glijdende machineonderdelen worden allemaal gebruikt bij het spuitgieten.
- Consumptiegoederen: Polshorloges, sieraden en golfclubs zijn voorbeelden van consumptiegoederen.
Met DLC gecoate materialen kunnen ook worden gebruikt om de levensduur en effectiviteit van medische sondes, katheters en hartimplantaten te verlengen. DLC is ook gelegeerd met antimicrobiële metalen zoals zilver; Zilver verlaagt niet alleen de drukspanningen, maar bezit ook antibacteriële eigenschappen. Ondanks het feit dat er al veel werk is verzet, is er meer onderzoek nodig om op DLC gebaseerde medische apparaten te creëren en te commercialiseren.
Conclusie
PVD- en DLC-coating hebben beide overeenkomsten in afzettingsmechanismen. Terwijl het, vanwege de kleine koolstofatoomgrootte, een dikke laag met een hoge pakkingsfactor kan creëren. Fysische dampafzetting (PVD) en chemische dampafzetting (CVD) zijn twee belangrijke methoden voor het aanbrengen van DLC-coating.
Er zijn drie soorten verbindingen sp1, sp2 en sp3 die verantwoordelijk zijn voor goede mechanische eigenschappen. DLC-coating kan worden verbeterd door doping met andere elementen. Voor DLC-coating kan een breed scala aan substraten worden gebruikt. Maar substraatvoorbehandeling heeft veel aandacht gekregen en staat bekend als een duplexbehandeling.
DLC-coating vertoont de beste tribologische prestaties in zowel vochtige als droge omgevingen. Deze coating is stabiel tot 300 ° C. Er is een uitgebreide toepassing van DLC-coating in auto-, medische, spuitgiet- en industriële componenten.
was het nuttig voor je? Als je een andere mening hebt over deze blog. Laat het ons weten door hieronder te reageren.
