Diamantliknande kolbeläggningar (DLC) är kända för sina exceptionella mekaniska och tribologiska egenskaper. Fysiska ångavsättningsmetoder som sputtering, jonstråle, pulserad laseravsättning och katodiska vakuumbågsystem används ofta för att skapa dessa beläggningar.
Men, vad är skillnaden mellan DLC och PVD-beläggning? Hur är en DLC-beläggning bättre än PVD-beläggning?
PVD, eller Physical Vapor Deposition, är en metod som innebär att en mängd olika metaller förångas och sedan appliceras på en yta i ett uppvärmt vakuum. DLC-beläggning är däremot en avancerad metod för tunnfilmsbeläggning. Den primära skillnaden är att DLC använder en sorts kol istället för att spruta på en grupp metaller.
Kol har en liten atomstorlek, från ~0.15 till ~0.22 nm i diameter, och kan därför skapa en tjock film med hög packningsfaktor.
För de flesta deponeringsprocesser är den grundläggande mekanismen densamma: kolatomer ges en viss mängd energi och pressas in i substratet. Varje deponeringsprocess har dock en variabel mängd energi per jonenhet. Olika deponeringsprocesser ger DLC-beläggningar med olika egenskaper.
De utför båda samma funktion, men DLC ger en högre, mer hållbar och mer reptålig finish.
DLC-beläggningar blir alltmer populära inom branschen på grund av sina överlägsna mekaniska och tribologiska egenskaper. DLC-beläggningar är kemiskt inerta, biokompatibla och oxidationsbeständiga, med en termisk stabilitet på upp till 300 ° C.
Schmellenmeier beskrev kolbeläggningar framställda med glimurladdningsplasma i närvaro av acetylengas för första gången i 1953Kolskiktet uppvisade god reptålighet och hårdhet. På grund av den ökade andelen diamantliknande egenskaper som upptäckts i beläggningarna kallas kolbeläggningar gradvis för DLC.
Hur deponeras DLC-beläggning? Vilka tekniker används för DLC-tunnfilmsbeläggning?
Låt oss utforska detta i detalj.
DLC-deponeringstekniker
Under flera decennier har forskare experimenterat med många metoder för att generera diamantliknande kollager (DLC). DLC-deponeringsteknikerna kan kategoriseras i fysisk ångdeponering (PVD) och kemisk ångdeponering (CVD), vilka är de två huvudsakliga metoderna för att skapa DLC-lager.
Kolkällan i PVD-metoden är ett fast ämne (grafit), medan kolkällan i CVD-metoden är en gas (ett kolväte såsom metan). Båg-, sputter- och laserångavsättningsprocesserna är alla typer av PVD.
Radiofrekvens (RF), likström (DC), Penningjoniseringsmätare (PIG) och självurladdning är alla CVD-metoder. Figuren nedan visar de RF-urladdningsplasma-CVD, PIG-plasma-CVD och båg-PVD som vi använde.
Deponeringstekniken kan kategoriseras i sex sorter av tillvägagångssätt baserade på förekomsten av fenomen eller typen av fysikalisk, kemisk eller fysikalisk-kemisk interaktion på kärnan eller substratet: mekanisk, termomekanisk, termisk, elektrokemisk, kemisk och fysikalisk.
Plasmaassisterad kemisk ångdeponering (PACVD) är de mest använda av dem. Dessa tekniker möjliggör bildandet av lager vid låga temperaturer genom att aktivera kemiska processer i gasfasen, som är ett lågtemperaturplasma.
DLC-produktionstekniker
Atomstruktur
Vilken typ av atombindning orsakar goda mekaniska egenskaper hos DLC?
Kolatomer bildar tre olika typer av bindningar: sp1, sp2 och sp3. Kolallotroper, såsom grafit och diamant, bildas genom olika bindningskonfigurationer mellan kolatomer. Som ett resultat spelar de atomära bindningsmönster som ger upphov till mikrostrukturen en nyckelroll för att inducera materialegenskaper inklusive hårdhet, elasticitetsmodul, seghet eller friktion och slitage, bland annat.
Förbättringstrender inom DLC-beläggning
Hur kan vi förbättra DLC-beläggningen? Vilka är de senaste trenderna för förbättring av DLC-beläggning?
Klassificering av DLC-beläggning
Trenden med förbättringar av DLC-beläggningar vid användning av främmande elementdopning för att förbättra DLC-egenskaperna började tidigt 1990sFör att uppnå de önskade egenskaperna samförstoftrades DLC-beläggningar med en mängd olika komponenter. Stibium, jod och kväve för elektriska egenskaper, krom och titan för vidhäftning, friktion och slitage, silver och fluor för medicinska ändamål, koppar för antifouling och zirkonium var bland de element som användes för korrosionsförbättring.
Det har emellertid upptäckts att förbättring av vissa DLC-egenskaper med doping av främmande element kräver en avvägning av andra egenskaper.
Många studier har gjorts för att öka segheten och friktionen hos DLC genom att dopa metallelement i intervallet 0.2 procent till 20% för att kompensera för DLC:s hårdhet och slitagehastighet. Få forskning om DLC:s hårdhet, seghet, spänningar, friktion och slitage i relation till metalldopning har publicerats.
Till exempel, om man minskar restspänningen från 2.5 till 0.5 GPa och friktionskoefficienten från 0.12 till 0.03 med 18 procent aluminium, minskas hårdheten från 24 till 8 GPa samtidigt som slitagehastigheten ökar från 2.5*3^10^-8 till 13*3^10^-8 mm3/Nm.
På liknande sätt sänker titandopning i DLC restspänningen från 0.9 till 0.3 GPa och friktionskoefficienten från ~1.0 till ~0.05, men det sänker också hårdheten från ~10.5 till ~9 GPa.
Förbättring av DLC-beläggning med dopad DLC-nanokomposit
Substrat för DLC-beläggning
Vilken typ av substrat kan användas för DLC-beläggning? Krävs någon förbehandling av substratet?
Det finns ett brett utbud av substrat som kan användas för DLC-beläggning. Substratet måste dock bära det mesta av den applicerade belastningen, men DLC-beläggningar har ett mycket tunt naturlager. Så plastisk deformation kommer att uppstå om substratet inte är tillräckligt starkt för att stödja kontaktbelastningen och därmed beläggningen, vilket resulterar i tidigt beläggningsbrott.
Under senare år har arbetet med att förbättra egenskaperna hos hårda DLC-beläggningar genom termokemisk förbehandling av substrat fått mycket uppmärksamhet, vilket har lett till utvecklingen av en ny metod som kallas en dubbelbehandling.
Plasmanitrering av stålsubstratet före beläggningsavsättning har använts i stor utsträckning för att förbättra substratets och beläggningens mekaniska egenskaper. Plasmanitrering av stålsubstratet har visat sig öka den lastbärande förmågan hos beläggning-substrat-kompositen.
DLC-beläggningarna kan under vissa omständigheter inte fästa direkt på underlaget (behandlat rostfritt stål). Samtidigt användes mellanliggande lagermaterial för att avsluta DLC-beläggningarna för att förbättra vidhäftningen.
Tribologisk prestanda hos DLC-beläggning
Vilka är de tribologiska egenskaperna hos DLC-beläggning i en fuktig och torr miljö? Hur mycket fördelaktigt är det?
Jämfört med bulkmaterial och andra slitstarka belagda ytor har diamantliknande kol (DLC) beläggningar låg friktion och hög slitstyrka. Friktions- och slitageprestanda hos DLC-filmer påverkas starkt av den omgivande miljön, inklusive gasatmosfär, fuktighet och temperatur. Höghydrogenerade DLC-filmer har minimal friktion i torra och inerta miljöer, men vätefria DLC-filmer har hög friktion och slitage.
I en fuktig miljö är friktionskoefficienten för båda typerna av DLC-filmer likartad och varierar från 0.05 till 0.2, och vätefria DLC-filmer ger bäst slitstyrka. De fördelaktiga tribologiska egenskaperna hos hydrerade DLC-filmer kan brytas ner vid höga temperaturer på grund av väteutgjutning och grafitisering av filmstrukturen vid låga temperaturer. De vätefria DLC-filmerna, å andra sidan, kan motstå högre temperaturer trots att de har en högre friktionskoefficient.
I jämförelse med de flesta bulkmaterial kan DLC-beläggningar betraktas som lågfriktionsbeläggningar med hög slitstyrka, såsom slitstarka keramiska beläggningar som TiN. I en normal miljö har TiN en friktionskoefficient på ungefär 0.5 jämfört med stål, medan DLC-filmer har ett friktionsvärde på mindre än 0.2. Jämfört med gränssmorda stålkontakter kontra stålkontakter uppvisar DLC-beläggningar ofta liknande friktionsnivåer i osmorda kontakter.
DLC-belagda bildelar
I glidkontakter överträffar DLC-beläggningar de flesta slitstarka material och beläggningar, eftersom slitagehastigheterna för DLC-filmer är två till tre storleksordningar lägre än till exempel TiN-beläggningar.
Deponeringstekniken och deponeringsparametrarna reglerar ett brett spektrum av sammansättningar och strukturer i DLC-filmer. Som diskuterats i olika undersökningar påverkar filmens sammansättning, såväl som testparametrar (belastning och hastighet), testmiljö, temperatur och motytematerial, friktions- och slitageprestanda hos DLC-filmer.
Egenskaper hos DLC-beläggning
Hur mycket DLC-beläggning är stabil? Vilken typ av egenskaper bör beaktas?
DLC-beläggningar är kemiskt inerta, biokompatibla och oxidationsbeständiga, med en termisk stabilitet på upp till 300 ° CUtöver de ovannämnda fördelarna har DLC-beläggningar dock stora restspänningar och låg seghet, vilket begränsar deras användning inom ett brett spektrum av tillämpningar, särskilt när det gäller mekanisk prestanda.
Hög hårdhet, slitstyrka, låg friktionskoefficient, hög isolering, hög kemisk stabilitet, hög gasbarriärförmåga, höga antibrännegenskaper, hög biokompatibilitet och hög infraröd permeabilitet är alla egenskaper hos DLC-filmer. Låg temperatur (200 ° C) DLC-filmer med plana ytor kan tillverkas.
Industrial Applications
Diamantliknande kolbeläggningar (DLC) har framstått som den bästa lösningen för krävande fysiska tillämpningar där komponenter utsätts för höga belastningar eller överdriven friktion, slitage och kontakt med andra delar i världen av slitstarka tunnfilmer. Endast den höga hårdheten hos en DLC-beläggning, tillsammans med en låg friktionskoefficient, kan förhindra att delar gropfräts, gallras, kärvar och så småningom går sönder i fält under dessa förhållanden.
Generellt sett används DLC-beläggningar för många av de tillämpningar som PVD-beläggningar har betonats för – med undantag för skärinstrument som utsätts för höga driftstemperaturer. DLC-beläggningar är särskilt fördelaktiga när både slitage- och friktionsreducering önskas. DLC-beläggningar ger också en svart yta som är behaglig för ögat.
Här är några exempel på vanliga tillämpningar:
- Bil: Kolvstift och vipparmar används i bilar.
- Medicin: kirurgiska instrument, proteser
- Skjutvapen: Pistolspipor, pipor och slutstyckshållare är alla exempel på skjutvapen.
- Industriella komponenter: Kolvar, plungers, kugghjul och mekaniska tätningar är exempel på industriella komponenter och maskiner.
- Formsprutning: Formar, utstötarstift och glidande maskindelar används alla vid formsprutning.
- Konsumtionsvaror: Armbandsur, smycken och golfklubbor är exempel på konsumtionsvaror.
DLC-belagda material skulle också kunna användas för att förlänga livslängden och effektiviteten hos medicinska sonder, katetrar och hjärtimplantat. DLC har också legerats med antimikrobiella metaller som silver; silver minskar inte bara tryckspänningar, utan har också antibakteriella egenskaper. Trots att mycket arbete redan har gjorts behövs mer forskning för att skapa och kommersialisera DLC-baserade medicintekniska produkter.
Slutsats
PVD- och DLC-beläggning har båda likheter i avsättningsmekanismer. På grund av den lilla kolatomstorleken kan den skapa ett tjockt lager med hög packningsfaktor. Fysisk ångavsättning (PVD) och kemisk ångavsättning (CVD) är två huvudmetoder för att avsätta DLC-beläggning.
Det finns tre typer av bindning, sp1, sp2 och sp3, som ansvarar för goda mekaniska egenskaper. DLC-beläggning kan förbättras genom dopning med andra element. En mängd olika substrat kan användas för DLC-beläggning. Men förbehandling av substrat har fått mycket uppmärksamhet och är känd som dubbelbehandling.
DLC-beläggningen visar bäst tribologisk prestanda i både fuktiga och torra miljöer. Denna beläggning är stabil upp till 300 ° CDet finns en omfattande tillämpning av DLC-beläggning inom bil-, medicin-, formsprutnings- och industrikomponenter.
Var det hjälpsamt för dig? Om du har några andra åsikter om den här bloggen, låt oss veta genom att kommentera nedan.
