Powłoki węglowe o strukturze diamentu (DLC) znane są ze swoich wyjątkowych właściwości mechanicznych i tribologicznych. Do ich wytwarzania powszechnie stosuje się metody fizycznego osadzania z fazy gazowej, takie jak napylanie, wiązka jonów, osadzanie laserowe impulsowe oraz systemy katodowego łuku próżniowego.
Ale jaka jest różnica między powłoką DLC a PVD? Czym powłoka DLC jest lepsza od powłoki PVD?
PVD, czyli fizyczne osadzanie z fazy gazowej, to metoda polegająca na odparowaniu różnych metali, a następnie nałożeniu ich warstw na powierzchnię w ogrzewanej próżni. Natomiast powlekanie DLC to zaawansowana metoda powlekania cienkowarstwowego. Podstawową różnicą jest to, że DLC wykorzystuje rodzaj węgla zamiast natryskiwania grupy metali.
Węgiel ma niewielki rozmiar atomów, wynoszący od ~0.15 do ~0.22 nm średnicy, dzięki czemu może tworzyć grubą warstwę o wysokim współczynniku upakowania.
Zdjęcie autorstwa Mastars na Unsplash
Cóż, w większości procesów osadzania podstawowy mechanizm jest taki sam: atomy węgla otrzymują określoną ilość energii i wbijają się w podłoże. Jednak każdy proces osadzania charakteryzuje się zmienną ilością energii przypadającą na jednostkę jonu. Zróżnicowane procesy osadzania zapewniają powłoki DLC o różnych właściwościach.
Oba materiały spełniają tę samą funkcję, ale DLC zapewnia trwalszą, bardziej wytrzymałą i odporną na zarysowania powłokę.
Powłoki DLC zyskują na popularności w przemyśle ze względu na swoje doskonałe właściwości mechaniczne i tribologiczne. Powłoki DLC są chemicznie obojętne, biokompatybilne i odporne na utlenianie, a ich stabilność termiczna sięga 300°C.
Schmellenmeier po raz pierwszy opisał powłoki węglowe wytwarzane plazmą jarzeniową w obecności acetylenu w 1953 roku . Warstwa węglowa charakteryzowała się dobrą odpornością na zarysowania i twardością. Ze względu na zwiększoną zawartość diamentu i odkryte właściwości w powłokach, powłoki węglowe są stopniowo nazywane DLC.
Jak osadza się powłokę DLC? Jakie techniki stosuje się do nakładania cienkich warstw DLC?
Przyjrzyjmy się temu szczegółowo.
Techniki osadzania DLC
Od kilkudziesięciu lat naukowcy eksperymentują z licznymi metodami generowania warstw węglowych o strukturze diamentopodobnej (DLC). Techniki osadzania DLC można podzielić na fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). Są to dwie główne metody tworzenia warstw DLC.
Źródłem węgla w metodzie PVD jest ciało stałe (grafit), natomiast w metodzie CVD jest gaz (węglowodór, taki jak metan). Procesy napylania łukowego, rozpylania jonowego i laserowego to wszystkie rodzaje PVD.
Metoda CVD, wykorzystująca częstotliwość radiową (RF), prąd stały (DC), jonizację metodą Penninga (PIG) i samorozładowanie, to wszystko metody CVD. Poniższy rysunek przedstawia plazmowe CVD z wyładowaniem RF, plazmowe CVD z PIG oraz łukowe PVD, które wykorzystaliśmy.
Technikę osadzania można podzielić na sześć rodzajów podejść, w zależności od częstości występowania zjawisk lub typu oddziaływania fizycznego, chemicznego lub fizykochemicznego na rdzeniu lub podłożu: mechaniczne, termomechaniczne, termiczne, elektrochemiczne, chemiczne i fizyczne.
Techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PACVD) są najszerzej stosowane spośród nich. Technologie te umożliwiają formowanie warstw w niskich temperaturach poprzez aktywację procesów chemicznych w fazie gazowej, czyli plazmie niskotemperaturowej.
Techniki produkcji DLC
Struktura atomowa
Jakiego rodzaju wiązanie atomowe powoduje uzyskanie dobrych właściwości mechanicznych DLC?
Atomy węgla tworzą trzy różne rodzaje wiązań: sp1, sp2 i sp3. Odmiany alotropowe węgla, takie jak grafit i diament, powstają w wyniku różnych konfiguracji wiązań między atomami węgla. W rezultacie układy wiązań atomowych, które tworzą mikrostrukturę, odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu właściwości materiału, takich jak twardość, moduł Younga, wytrzymałość lub tarcie oraz zużycie, między innymi.
Trendy ulepszeń w powłokach DLC
Jak możemy ulepszyć powłokę DLC? Jakie są najnowsze trendy w zakresie udoskonalania powłok DLC?
Trend udoskonalania powłok DLC poprzez domieszkowanie pierwiastkami obcymi w celu poprawy właściwości DLC rozpoczął się na początku lat 1990. XX wieku . Aby uzyskać pożądane właściwości, powłoki DLC były napylane współnapylaczem z różnymi składnikami. Do pierwiastków wykorzystywanych do poprawy odporności na korozję należały: stib, jod i azot dla uzyskania właściwości elektrycznych, chrom i tytan dla poprawy przyczepności, tarcia i odporności na zużycie, srebro i fluor dla celów medycznych, miedź dla ochrony przed zanieczyszczeniami oraz cyrkon.
Odkryto jednak, że poprawa niektórych właściwości DLC poprzez domieszkowanie pierwiastkami obcymi wymaga kompromisu w zakresie innych właściwości.
Przeprowadzono wiele badań mających na celu zwiększenie wytrzymałości i tarcia DLC poprzez domieszkowanie pierwiastków metalicznych w zakresie od 0.2% do 20% w celu skompensowania twardości i szybkości zużycia DLC. Opublikowano niewiele badań dotyczących twardości, wytrzymałości, naprężeń, tarcia i zużycia DLC w odniesieniu do domieszkowania metali.
Na przykład zmniejszenie naprężenia szczątkowego z 2.5 do 0.5 GPa i współczynnika tarcia z 0.12 do 0.03 przy 18-procentowej zawartości aluminium powoduje zmniejszenie twardości z 24 do 8 GPa, a jednocześnie zwiększenie współczynnika zużycia z 2.5*3^10^-8 do 13*3^10^-8 mm3/Nm.
Podobnie domieszkowanie tytanem w DLC obniża naprężenie szczątkowe z 0.9 do 0.3 GPa i współczynnik tarcia z ~1.0 do ~0.05, ale obniża także twardość z ~10.5 do ~9 GPa.
Ulepszenie powłoki DLC poprzez domieszkowany nanokompozyt DLC
Podłoże do powłoki DLC
Jakiego rodzaju podłoża można użyć do powłoki DLC? Czy podłoże wymaga jakiejś obróbki wstępnej?
Istnieje szeroka gama podłoży, które można zastosować do powłoki DLC. Podłoże musi jednak wytrzymać większość obciążenia, a powłoki DLC mają bardzo cienką warstwę. W związku z tym, jeśli podłoże nie będzie wystarczająco wytrzymałe, aby utrzymać obciążenie stykowe, a tym samym powłokę, może dojść do odkształcenia plastycznego, co doprowadzi do jej przedwczesnego uszkodzenia.
W ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się problemowi ulepszania właściwości twardych powłok DLC poprzez termochemiczną obróbkę wstępną podłoża, co doprowadziło do opracowania nowej metody znanej jako obróbka dupleksowa.
Azotowanie plazmowe stalowego podłoża przed nałożeniem powłoki jest szeroko stosowane w celu poprawy właściwości mechanicznych podłoża i powłoki. Wykazano, że azotowanie plazmowe stalowego podłoża zwiększa nośność kompozytu powłoka-podłoże.
W niektórych przypadkach powłoka DLC może nie przylegać bezpośrednio do podłoża (obrobiona stal nierdzewna). Jednocześnie do wykończenia powłok DLC zastosowano materiały pośrednie w celu poprawy przyczepności.
Wydajność tribologiczna powłoki DLC
Jakie są właściwości tribologiczne powłoki DLC w środowisku wilgotnym i suchym? Jak bardzo jest ona korzystna?
W porównaniu z materiałami masowymi i innymi odpornymi na zużycie powierzchniami powlekanymi, powłoki z węgla diamentopodobnego (DLC) charakteryzują się niskim tarciem i doskonałą odpornością na zużycie. Na tarcie i zużycie folii DLC w dużym stopniu wpływa otoczenie, w tym atmosfera gazowa, wilgotność i temperatura. Wysoce uwodornione folie DLC charakteryzują się minimalnym tarciem w suchym i obojętnym środowisku, natomiast bezwodorowe folie DLC charakteryzują się wysokim tarciem i zużyciem.
W środowisku wilgotnym współczynnik tarcia obu rodzajów folii DLC jest podobny i waha się od 0.05 do 0.2, a bezwodorowe folie DLC zapewniają najlepszą odporność na zużycie. Korzystne właściwości tribologiczne uwodornionych folii DLC mogą zostać zaburzone w wysokich temperaturach z powodu ulatniania się wodoru i grafityzacji struktury folii w niskich temperaturach. Z drugiej strony, bezwodorowe folie DLC wytrzymują wyższe temperatury, pomimo wyższego współczynnika tarcia.
W porównaniu z większością materiałów masowych, powłoki DLC można uznać za powłoki o niskim współczynniku tarcia i dużej odporności na zużycie, takie jak odporne na zużycie powłoki ceramiczne, takie jak TiN. W normalnym środowisku współczynnik tarcia TiN wynosi około 0.5 w porównaniu ze stalą, podczas gdy powłoki DLC mają współczynnik tarcia poniżej 0.2. W porównaniu ze smarowanymi stykami stalowymi i stalowymi, powłoki DLC często wykazują podobny poziom tarcia w stykach niesmarowanych.
Części samochodowe pokryte powłoką DLC
W przypadku styków ślizgowych powłoki DLC przewyższają większość materiałów i powłok odpornych na zużycie, ponieważ szybkość zużycia folii DLC jest od dwóch do trzech rzędów wielkości niższa niż na przykład powłok TiN.
Technika i parametry osadzania regulują szeroki zakres składu i struktury folii DLC. Jak omówiono w różnych badaniach, skład folii, a także parametry testowe (obciążenie i prędkość), środowisko testowe, temperatura i materiał powierzchni oporowej wpływają na tarcie i zużycie folii DLC.
Właściwości powłoki DLC
Jaka jest stabilność powłoki DLC? Jakie właściwości należy wziąć pod uwagę?
Powłoki DLC są chemicznie obojętne, biokompatybilne i odporne na utlenianie, a ich stabilność termiczna sięga 300°C . Jednak oprócz wspomnianych zalet, powłoki DLC charakteryzują się dużymi naprężeniami szczątkowymi i niską wytrzymałością, co ogranicza ich zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań, szczególnie pod względem właściwości mechanicznych.
Wysoka twardość, odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia, wysoka izolacja, wysoka stabilność chemiczna, wysoka barierowość gazowa, wysokie właściwości przeciwpożarowe, wysoka biokompatybilność i wysoka przepuszczalność podczerwieni to cechy charakterystyczne folii DLC. Można wytwarzać folie DLC o płaskiej powierzchni, przeznaczone do pracy w niskich temperaturach ( 200°C ).
Zastosowania przemysłowe
Powłoki węglowe o strukturze diamentu (DLC) stały się najlepszym rozwiązaniem w wymagających zastosowaniach fizycznych, w których elementy są narażone na duże obciążenia lub nadmierne tarcie, zużycie i kontakt z innymi częściami w świecie odpornych na zużycie cienkich warstw. Tylko wysoka twardość powłoki DLC w połączeniu z niskim współczynnikiem tarcia może zapobiec wżerom, zatarciom, zatarciom i w końcu uszkodzeniom części w warunkach rzeczywistych.
Ogólnie rzecz biorąc, powłoki DLC są stosowane w wielu zastosowaniach, w których preferowane są powłoki PVD – z wyjątkiem narzędzi skrawających narażonych na wysokie temperatury pracy. Powłoki DLC są szczególnie korzystne, gdy pożądane jest zarówno zmniejszenie zużycia, jak i tarcia. Powłoki DLC zapewniają również przyjemne dla oka, czarne wykończenie.
Oto kilka przykładów typowych zastosowań:
- Samochody: W samochodach stosuje się sworznie tłokowe i dźwigienki zaworowe.
- Medycyna: instrumenty chirurgiczne, protetyka
- Broń palna: Zamki pistoletów, lufy i suwadła stanowią przykłady broni palnej.
- Elementy przemysłowe: Przykładami elementów i maszyn przemysłowych są tłoki, nurniki, koła zębate i uszczelnienia mechaniczne.
- Formowanie wtryskowe: W procesie formowania wtryskowego stosuje się matryce, wypychacze i przesuwne części maszyn.
- Dobra konsumpcyjne: Przykładami dóbr konsumpcyjnych są zegarki naręczne, biżuteria i kije golfowe.
Materiały pokryte powłoką DLC mogą być również wykorzystywane do wydłużenia żywotności i zwiększenia skuteczności sond medycznych, cewników i implantów kardiologicznych. DLC jest również stopowany z metalami o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, takimi jak srebro; srebro nie tylko zmniejsza naprężenia ściskające, ale również posiada właściwości antybakteryjne. Pomimo faktu, że wykonano już wiele badań, konieczne są dalsze badania w celu stworzenia i wprowadzenia na rynek urządzeń medycznych opartych na DLC.
Wniosek
Powłoki PVD i DLC charakteryzują się podobnymi mechanizmami osadzania. Natomiast ze względu na mały rozmiar atomów węgla, powłoka może tworzyć grubą warstwę o wysokim współczynniku upakowania. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) to dwie główne metody osadzania powłok DLC.
Istnieją trzy rodzaje wiązań: sp1, sp2 i sp3, które odpowiadają za dobre właściwości mechaniczne. Powłokę DLC można ulepszyć poprzez domieszkowanie innymi pierwiastkami. Do powlekania DLC można stosować szeroką gamę podłoży. Jednak obróbka wstępna podłoża zyskała duże zainteresowanie i jest znana jako obróbka duplexowa.
Powłoka DLC charakteryzuje się najlepszymi parametrami tribologicznymi zarówno w środowisku wilgotnym, jak i suchym. Powłoka ta jest stabilna do 300°C . Powłoka DLC znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym, medycznym, formowaniu wtryskowym i komponentach przemysłowych.
Czy było to dla Ciebie pomocne? Jeśli masz inne zdanie na temat tego bloga, daj nam znać, komentując poniżej.
