Покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) известны своими исключительными механическими и трибологическими качествами. Для создания этих покрытий обычно используются методы физического осаждения из паровой фазы, такие как распыление, ионно-лучевое, импульсное лазерное осаждение и катодно-вакуумно-дуговые системы.
Но в чем разница между DLC и PVD-покрытием? Чем покрытие DLC лучше покрытия PVD?
PVD или физическое осаждение из паровой фазы — это метод, который включает в себя испарение различных металлов и последующее наслоение их на поверхность в нагретом вакууме. В то время как DLC-покрытие представляет собой усовершенствованный метод тонкопленочного покрытия. Основное отличие состоит в том, что DLC использует разновидность углерода вместо напыления на группу металлов.
Углерод имеет небольшой атомный размер, от ~0.15 до ~0.22 нм в диаметре, и, следовательно, может создавать толстую пленку с высоким коэффициентом упаковки.
Что ж, для большинства процессов осаждения основной механизм один и тот же: атомам углерода передается определенное количество энергии и они врезаются в подложку. Однако каждый процесс осаждения имеет различное количество энергии на единицу иона. Различные процессы осаждения позволяют получить DLC-покрытия с различными свойствами.
Оба они выполняют одну и ту же функцию, но DLC обеспечивает более высокое, долговечное и устойчивое к царапинам покрытие.
Покрытия DLC набирают популярность в промышленности благодаря своим превосходным механическим и трибологическим свойствам. DLC-покрытия химически инертны, биосовместимы, устойчивы к окислению, имеют термическую стабильность до 300 ° C.
Шмелленмайер впервые в истории описал углеродные покрытия, полученные с помощью плазмы тлеющего разряда в присутствии газообразного ацетилена. 1953. Углеродный слой показал хорошую устойчивость к царапинам и твердость. Из-за повышенного содержания алмазов и свойств, обнаруженных в покрытиях. Итак, углеродные покрытия постепенно называют DLC.
Как наносится DLC-покрытие? Какие методы используются для тонкопленочного покрытия DLC?
Давайте рассмотрим это подробно.
Методы нанесения DLC
В течение нескольких десятилетий ученые экспериментировали с многочисленными методами создания слоев алмазоподобного углерода (DLC). Методы осаждения DLC можно разделить на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — два основных метода создания слоев DLC.
Источником углерода в методе PVD является твердое вещество (графит), тогда как источником углерода в методе CVD является газ (углеводород, такой как метан). Процессы дугового напыления, напыления и лазерного осаждения из паровой фазы относятся к типам PVD.
Радиочастотный (RF), постоянный ток (DC), ионизационный датчик Пеннинга (PIG) и саморазряд — все это методы CVD. На рисунке ниже показаны CVD плазмы радиочастотного разряда, CVD плазмы PIG и PVD дуги, которые мы использовали.
Технику нанесения можно разделить на шесть видов подходов, основанных на преобладании явлений или типе физического, химического или физико-химического взаимодействия на ядре или подложке: механическом, термомеханическом, термическом, электрохимическом, химическом и физическом.
Среди них наиболее широко используются методы плазменного химического осаждения из паровой фазы (PACVD). Эти технологии позволяют формировать слои при низких температурах за счет активации химических процессов в газовой фазе, представляющей собой низкотемпературную плазму.
Техники производства DLC
Атомная структура
Какой тип атомных связей обеспечивает хорошие механические свойства DLC?
Атомы углерода образуют три различных типа связей: sp1, sp2 и sp3. Аллотропы углерода, такие как графит и алмаз, образуются различными конфигурациями связей между атомами углерода. В результате модели атомных связей, которые приводят к микроструктуре, играют ключевую роль в формировании свойств материала, включая твердость, модуль Юнга, прочность или трение, а также износ и другие.
Тенденции совершенствования DLC-покрытий
Как мы можем улучшить DLC-покрытие? Какие последние тенденции доступны для улучшения DLC-покрытий?
Тенденция к улучшению DLC-покрытий при использовании легирования посторонними элементами для улучшения характеристик DLC началась еще в начале 1990-х годов. 1990s. Для достижения желаемых свойств покрытия DLC напылялись различными компонентами. Среди элементов, используемых для улучшения коррозии, были сурьма, йод и азот для электрических свойств, хром и титан для адгезии, трения и износа, серебро и фтор для медицинских целей, медь для защиты от обрастания и цирконий.
Однако было обнаружено, что улучшение некоторых качеств DLC с помощью легирования посторонними элементами требует компромисса по другим характеристикам.
Было проведено множество исследований с целью повышения ударной вязкости и трения DLC путем легирования металлическими элементами в диапазоне от 0.2 процента до 20% для компенсации твердости и износа DLC. Было опубликовано мало исследований твердости, вязкости, напряжений, трения и износа DLC в связи с легированием металлом.
Например, снижение остаточных напряжений с 2.5 до 0.5 ГПа и коэффициента трения с 0.12 до 0.03 при 18 процентах алюминия снижает твердость с 24 до 8 ГПа при увеличении скорости изнашивания с 2.5*3^ 10^-8 до 13*. 3^10^-8 мм3/Нм.
Аналогично, легирование титаном в DLC снижает остаточное напряжение с 0.9 до 0.3 ГПа и коэффициент трения с ~ 1.0 до ~ 0.05, но также снижает твердость с ~ 10.5 до ~ 9 ГПа.
Улучшение покрытия DLC легированным нанокомпозитом DLC
Подложка для покрытия DLC
Какую подложку можно использовать для покрытия DLC? Требуется ли какая-либо предварительная обработка основания?
Существует широкий спектр подложек, которые можно использовать для нанесения DLC-покрытия. Но подложка должна выдерживать большую часть приложенной нагрузки, а покрытия DLC имеют очень тонкий природный слой. Таким образом, пластическая деформация произойдет, если подложка недостаточно прочна, чтобы выдержать контактную нагрузку и, следовательно, покрытие, что приведет к преждевременному выходу покрытия из строя.
В последние годы задаче улучшения свойств твердых DLC-покрытий путем термохимической предварительной обработки подложки уделяется большое внимание, что привело к разработке нового метода, известного как дуплексное лечение.
Плазменное азотирование стальной подложки перед нанесением покрытия широко применяется для улучшения механических свойств подложки и покрытия. Было показано, что плазменное азотирование стальной подложки увеличивает несущую способность композита покрытие-подложка.
В некоторых случаях DLC может не прилипать непосредственно к подложке (обработанная нержавеющая сталь). В то же время для отделки DLC-покрытий использовались материалы промежуточного слоя с целью улучшения адгезии.
Трибологические характеристики покрытия DLC
Каковы трибологические характеристики покрытия DLC во влажной и сухой среде? Насколько это выгодно?
По сравнению с сыпучими материалами и другими поверхностями с износостойким покрытием, покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) имеют низкое трение и большую износостойкость. На характеристики трения и износа DLC-пленок большое влияние оказывает окружающая среда, включая газовую атмосферу, влажность и температуру. Высокогидрированные пленки DLC имеют минимальное трение в сухой и инертной среде, а пленки DLC, не содержащие водорода, имеют высокое трение и износ.
Во влажной среде коэффициент трения обоих типов DLC-пленок аналогичен и составляет от 0.05 до 0.2, а лучшую износостойкость обеспечивают безводородные DLC-пленки. Полезные трибологические свойства гидрогенизированные пленки DLC могут разрушаться при высоких температурах из-за выделения водорода и графитизации структуры пленки при низких температурах. С другой стороны, безводородные пленки DLC могут выдерживать более высокие температуры, несмотря на более высокий коэффициент трения.
По сравнению с большинством сыпучих материалов, DLC-покрытия можно рассматривать как покрытия с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, такие как износостойкие керамические покрытия, такие как TiN. В обычных условиях TiN имеет коэффициент трения примерно 0.5 по сравнению со сталью, тогда как пленки DLC имеют коэффициент трения менее 0.2. По сравнению со стальными контактами с граничной смазкой и стальными контактами, DLC-покрытия часто демонстрируют одинаковые уровни трения в контактах без смазки.
Автомобильные детали с DLC-покрытием
В скользящих контактах DLC-покрытия превосходят большинство износостойких материалов и покрытий, так как скорость изнашивания DLC-пленок на два-три порядка ниже, чем, например, у TiN-покрытий.
Методика и параметры осаждения регулируют широкий диапазон составов и структур DLC-пленок. Как обсуждалось в различных исследованиях, состав пленки, а также параметры испытаний (нагрузка и скорость), испытательная среда, температура и материал контрлица влияют на характеристики трения и износа DLC-пленок.
Свойства DLC-покрытия
Насколько стабильно покрытие DLC? Какой тип недвижимости следует учитывать?
DLC-покрытия химически инертны, биосовместимы, устойчивы к окислению, имеют термическую стабильность до 300 ° C. Однако, помимо вышеупомянутых преимуществ, DLC-покрытия обладают большими остаточными напряжениями и низкой ударной вязкостью, что ограничивает их использование в широком спектре применений, особенно с точки зрения механических характеристик.
Высокая твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения, высокая изоляция, высокая химическая стабильность, высокие газобарьерные свойства, высокие противогорючие свойства, высокая биосовместимость и высокая проницаемость для инфракрасного излучения — все это характеристики DLC-пленок. Низкая температура (200 ° C) Можно изготавливать DLC-пленки с плоскими поверхностями.
Промышленное применение
Покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) стали лучшим решением для требовательных физических применений, где компоненты подвергаются высоким нагрузкам или чрезмерному трению, износу и контакту с другими деталями в мире износостойких тонких пленок. Только высокая твердость DLC-покрытия в сочетании с низким коэффициентом трения может предотвратить изъязвление, истирание, заедание деталей и, в конечном итоге, выход из строя в полевых условиях в таких условиях.
В целом, покрытия DLC используются во многих областях применения, для которых особое внимание уделяется покрытиям PVD, за исключением режущих инструментов, которые подвергаются высоким рабочим температурам. Покрытия DLC особенно полезны, когда требуется снижение износа и трения. Покрытия DLC также обеспечивают приятную для глаз черную отделку.
Вот несколько примеров распространенных приложений:
- Автомобиль: В автомобилях используются поршневые пальцы и коромысла.
- Медицинские: хирургические инструменты, протезирование
- Огнестрельное оружие. Затворы, стволы и затворные рамы пистолета являются примерами огнестрельного оружия.
- Промышленные компоненты. Поршни, плунжеры, шестерни и механические уплотнения являются примерами промышленных компонентов и машин.
- Литье под давлением: при литье под давлением используются штампы, выталкиватели и детали скользящих машин.
- Потребительские товары: наручные часы, ювелирные изделия и клюшки для гольфа являются примерами потребительских товаров.
Материалы с DLC-покрытием также можно использовать для продления срока службы и эффективности медицинских зондов, катетеров и сердечных имплантатов. DLC также легирован антимикробными металлами, такими как серебро; Серебро не только снижает сжимающие напряжения, но также обладает антибактериальными свойствами. Несмотря на то, что уже проделана большая работа, необходимы дополнительные исследования для создания и коммерциализации медицинских устройств на основе DLC.
Заключение
Покрытия PVD и DLC имеют схожие механизмы нанесения. Тогда как из-за небольшого размера атомов углерода он может создавать толстый слой с высоким коэффициентом упаковки. Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD) являются двумя основными методами нанесения DLC-покрытия.
Существует три типа связи sp1, sp2 и sp3, которые отвечают за хорошие механические свойства. Покрытие DLC можно улучшить путем легирования другими элементами. Для покрытия DLC можно использовать широкий спектр подложек. Однако предварительной обработке субстрата уделяется много внимания, и она известна как дуплексная обработка.
Покрытие DLC показывает лучшие трибологические характеристики как во влажной, так и в сухой среде. Это покрытие стабильно до 300 ° C. Покрытие DLC широко применяется в автомобильных, медицинских, литьевых и промышленных компонентах.
Это было полезно для вас? Если у вас есть другие мнения об этом блоге. Дайте нам знать, комментируя ниже.
