Os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) são conhecidos por suas qualidades mecânicas e tribológicas excepcionais. Métodos físicos de deposição de vapor, como pulverização catódica, feixe de íons, deposição de laser pulsado e sistemas de arco de vácuo catódico, são comumente usados para criar esses revestimentos.
Mas, Qual é a diferença entre o revestimento DLC e PVD? Como um revestimento DLC é melhor que um revestimento PVD?
PVD, ou Deposição Física de Vapor, é um método que envolve vaporizar uma variedade de metais e, em seguida, colocá-los em camadas sobre uma superfície em um vácuo aquecido. Considerando que o revestimento DLC é um método avançado para revestimento de película fina. A principal diferença é que o DLC usa um tipo de carbono em vez de pulverizar um grupo de metais.
O carbono tem um tamanho atômico pequeno, variando de ~0.15 a ~0.22 nm de diâmetro e, portanto, pode criar um filme espesso com alto fator de empacotamento.
Bem, para a maioria dos processos de deposição, o mecanismo básico é o mesmo: os átomos de carbono recebem uma certa quantidade de energia e são golpeados no substrato. No entanto, cada processo de deposição possui uma quantidade variável de energia por unidade de íon. Processos de deposição variados fornecem aos revestimentos DLC propriedades diferentes.
Ambos desempenham a mesma função, mas o DLC oferece um acabamento superior, mais durável e mais resistente a arranhões.
Os revestimentos DLC estão ganhando popularidade na indústria devido às suas propriedades mecânicas e tribológicas superiores. Os revestimentos DLC são quimicamente inertes, biocompatíveis e resistentes à oxidação, com estabilidade térmica de até 300 ° C.
Schmellenmeier descreveu pela primeira vez revestimentos de carbono produzidos com plasma de descarga luminosa na presença de gás acetileno em 1953. A camada de carbono exibiu boa resistência a arranhões e dureza. Devido ao aumento da proporção e propriedades semelhantes ao diamante descobertas nos revestimentos. Assim, os revestimentos de carbono são gradualmente chamados de DLC.
Como é depositado o revestimento DLC? Quais técnicas são usadas para revestimento de filme fino DLC?
Vamos explorar isso em detalhes.
Técnicas de deposição de DLC
Durante várias décadas, os cientistas experimentaram vários métodos para gerar camadas de carbono semelhantes ao diamante (DLC). As técnicas de deposição de DLC podem ser categorizadas em Deposição Física de Vapor (PVD) e Deposição Química de Vapor (CVD) são os dois métodos principais para criar camadas DLC.
A fonte de carbono no método PVD é um sólido (grafite), enquanto a fonte de carbono na abordagem CVD é um gás (um hidrocarboneto como o metano). Os processos de deposição de vapor por arco, pulverização catódica e laser são todos tipos de PVD.
Radiofrequência (RF), corrente contínua (DC), medidor de ionização Penning (PIG) e autodescarga são todos métodos CVD. A figura abaixo mostra o CVD de plasma de descarga de RF, CVD de plasma PIG e PVD de arco que usamos.
A técnica de deposição pode ser categorizada em seis tipos de abordagens baseadas na prevalência de fenômenos ou no tipo de interação física, química ou físico-química no núcleo ou substrato: mecânica, termomecânica, térmica, eletroquímica, química e física.
As técnicas de deposição química por vapor assistida por plasma (PACVD) são as mais amplamente empregadas entre elas. Essas tecnologias permitem a formação de camadas em baixas temperaturas, ativando processos químicos na fase gasosa, que é um plasma de baixa temperatura.
Técnicas de produção de DLC
Estrutura atômica
Que tipo de ligação atômica causa a produção de boas propriedades mecânicas de DLC?
Átomos de carbono formam três tipos diferentes de ligações: sp1, sp2 e sp3. Alótropos de carbono, como grafite e diamante, são formados por várias configurações de ligação entre átomos de carbono. Como resultado, os padrões de ligação atômica que dão origem à microestrutura desempenham um papel fundamental na indução de qualidades materiais, incluindo dureza, módulo de Young, tenacidade ou atrito e desgaste, entre outros.
Tendências de melhoria no revestimento DLC
Como podemos melhorar o revestimento DLC? Quais são as últimas tendências disponíveis para melhoria no revestimento DLC?
Classificação do revestimento DLC
A tendência de melhoria no revestimento DLC enquanto se utiliza dopagem de elementos estranhos para melhorar as características do DLC começou no início 1990s. Para alcançar as propriedades desejadas, os revestimentos DLC foram co-pulverizados com uma variedade de componentes. Estíbio, iodo e nitrogênio para qualidades elétricas, cromo e titânio para adesão, fricção e desgaste, prata e flúor para fins medicinais, cobre para antiincrustante e zircônio estavam entre os elementos utilizados para melhoria da corrosão.
No entanto, descobriu-se que melhorar algumas qualidades do DLC com dopagem de elementos estranhos exige uma compensação em outras características.
Muitos estudos foram feitos para aumentar a tenacidade e o atrito do DLC dopando elementos metálicos na faixa de 0.2% a 20% para compensar a dureza e a taxa de desgaste do DLC. Poucas pesquisas sobre dureza, tenacidade, tensões, atrito e desgaste do DLC em relação à dopagem de metal foram publicadas.
Por exemplo, reduzir a tensão residual de 2.5 para 0.5 GPa e o coeficiente de atrito de 0.12 para 0.03 com 18 por cento de alumínio reduz a dureza de 24 para 8 GPa enquanto aumenta a taxa de desgaste de 2.5*3^ 10^-8 para 13* 3 ^ 10 ^ -8 mm3 /Nm.
Da mesma forma, a dopagem de titânio em DLC reduz a tensão residual de 0.9 para 0.3 GPa e o coeficiente de atrito de ~1.0 para ~0.05, mas também reduz a dureza de ~10.5 para ~9 GPa.
Melhoria no revestimento DLC por nanocompósito DLC dopado
Substrato para revestimento DLC
Que tipo de substrato pode ser usado para revestimento DLC? Existe algum pré-tratamento necessário para o substrato?
Existe uma vasta gama de substratos que podem ser empregados para revestimento DLC. Porém, o substrato deve suportar a maior parte da carga aplicada, mas os revestimentos DLC têm uma camada natural muito fina. Assim, a deformação plástica ocorrerá se o substrato não for suficientemente forte para suportar a carga de contato e, portanto, o revestimento, resultando na falha precoce do revestimento.
Nos últimos anos, a tarefa de melhorar as propriedades de revestimentos DLC duros por pré-tratamento termoquímico de substrato tem recebido muita atenção, levando ao desenvolvimento de um novo método conhecido como tratamento duplex.
A nitretação por plasma do substrato de aço antes da deposição do revestimento tem sido amplamente empregada para melhorar as qualidades mecânicas do substrato e do revestimento. A nitretação por plasma do substrato de aço demonstrou aumentar a capacidade de carga do compósito revestimento-substrato.
O DLC pode não aderir diretamente ao substrato em algumas circunstâncias (aço inoxidável tratado). Ao mesmo tempo, materiais de camada intermediária foram utilizados para finalizar os revestimentos DLC, a fim de melhorar a adesão.
Desempenho tribológico do revestimento DLC
Quais são os desempenhos tribológicos do revestimento DLC em ambiente úmido e seco? Quanto é benéfico?
Em comparação com materiais a granel e outras superfícies revestidas resistentes ao desgaste, os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) apresentam baixo atrito e grande resistência ao desgaste. O desempenho de atrito e desgaste dos filmes DLC é muito influenciado pelo ambiente circundante, incluindo atmosfera gasosa, umidade e temperatura. Os filmes DLC altamente hidrogenados apresentam atrito mínimo em ambientes secos e inertes, mas os filmes DLC isentos de hidrogênio apresentam alto atrito e desgaste.
Em um ambiente úmido, o coeficiente de atrito de ambos os tipos de filmes DLC é semelhante, variando de 0.05 a 0.2, e os filmes DLC sem hidrogênio fornecem a melhor resistência ao desgaste. As características tribológicas benéficas de filmes DLC hidrogenados pode ser interrompido em altas temperaturas devido à efusão de hidrogênio e grafitização da estrutura do filme em baixas temperaturas. Os filmes DLC isentos de hidrogênio, por outro lado, podem suportar temperaturas mais altas apesar de terem um coeficiente de atrito mais alto.
Em comparação com a maioria dos materiais a granel, os revestimentos DLC podem ser considerados revestimentos de baixo atrito com grande resistência ao desgaste, como os revestimentos cerâmicos resistentes ao desgaste, como o TiN. Num ambiente normal, o TiN tem um coeficiente de atrito de aproximadamente 0.5 quando comparados ao aço, enquanto os filmes DLC apresentam um valor de atrito inferior a 0.2. Quando comparados com contatos de aço com lubrificação limite versus contatos de aço, os revestimentos DLC geralmente apresentam níveis de atrito semelhantes em contatos não lubrificados.
Peças automotivas revestidas com DLC
Em contatos deslizantes, os revestimentos DLC superam a maioria dos materiais e revestimentos resistentes ao desgaste, já que as taxas de desgaste dos filmes DLC são duas a três ordens de grandeza menores do que, por exemplo, os revestimentos TiN.
A técnica de deposição e os parâmetros de deposição regulam uma ampla gama de composições e estruturas em filmes DLC. Conforme discutido em diversas pesquisas, a composição do filme, bem como os parâmetros de teste (carga e velocidade), ambiente de teste, temperatura e material de contraface influenciam o desempenho de atrito e desgaste dos filmes DLC.
Propriedades do revestimento DLC
Quanto o revestimento DLC é estável? Que tipo de propriedades devem ser consideradas?
Os revestimentos DLC são quimicamente inertes, biocompatíveis e resistentes à oxidação, com estabilidade térmica de até 300 ° C. Contudo, além das vantagens acima mencionadas, os revestimentos DLC apresentam grandes tensões residuais e baixa tenacidade, limitando a sua utilização numa vasta gama de aplicações, nomeadamente em termos de desempenho mecânico.
Alta dureza, resistência ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, alto isolamento, alta estabilidade química, alta capacidade de barreira a gases, altas qualidades anti-queima, alta biocompatibilidade e alta permeabilidade infravermelha são características dos filmes DLC. Temperatura baixa (200 ° C) Podem ser feitos filmes DLC com superfícies planas.
APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
Os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) surgiram como a melhor solução para aplicações físicas exigentes, onde os componentes estão sujeitos a altas cargas ou atrito excessivo, desgaste e contato com outras peças no mundo dos filmes finos resistentes ao desgaste. Somente a grande dureza de um revestimento DLC, juntamente com um baixo coeficiente de atrito, pode evitar que as peças fiquem corrosivas, desgastadas, emperradas e eventualmente falhem no campo nessas condições.
Em geral, os revestimentos DLC são empregados em muitas das aplicações para as quais os revestimentos PVD têm sido enfatizados – com exceção de instrumentos de corte que estão sujeitos a altas temperaturas operacionais. Os revestimentos DLC são particularmente benéficos quando se deseja reduzir o desgaste e o atrito. Os revestimentos DLC também proporcionam um acabamento preto agradável à vista.
Aqui estão alguns exemplos de aplicações comuns:
- Automóvel: Pinos de pistão e balancins são usados em automóveis.
- Médico: instrumentos cirúrgicos, próteses
- Armas de fogo: lâminas de pistola, canos e porta-ferrolhos são exemplos de armas de fogo.
- Componentes industriais: Pistões, êmbolos, engrenagens e selos mecânicos são exemplos de componentes e máquinas industriais.
- Moldagem por injeção: Matrizes, pinos ejetores e peças de máquinas deslizantes são todos usados na moldagem por injeção.
- Bens de Consumo: Relógios de pulso, joias e tacos de golfe são exemplos de bens de consumo.
Materiais revestidos com DLC também poderiam ser usados para prolongar a vida útil e a eficácia de sondas médicas, cateteres e implantes cardíacos. O DLC também foi ligado a metais antimicrobianos como a prata; a prata não apenas reduz as tensões de compressão, mas também possui propriedades antibacterianas. Apesar de já ter sido feito muito trabalho, são necessárias mais pesquisas para criar e comercializar dispositivos médicos baseados em DLC.
Conclusão
Os revestimentos PVD e DLC têm semelhanças nos mecanismos de deposição. Considerando que, devido ao pequeno tamanho atômico do carbono, pode criar uma camada espessa com alto fator de empacotamento. A deposição física de vapor (PVD) e a deposição química de vapor (CVD) são dois métodos principais para depositar o revestimento DLC.
Existem três tipos de ligação sp1, sp2 e sp3 que são responsáveis por boas propriedades mecânicas. O revestimento DLC pode ser melhorado através da dopagem com outros elementos. Uma vasta gama de substratos pode ser usada para revestimento DLC. Porém, o pré-tratamento do substrato tem recebido muita atenção e é conhecido como tratamento duplex.
O revestimento DLC apresenta o melhor desempenho tribológico em ambientes úmidos e secos. Este revestimento é estável até 300 ° C. Há uma vasta aplicação de revestimento DLC em componentes automotivos, médicos, moldagem por injeção e industriais.
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