Elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar, olağanüstü mekanik ve tribolojik özellikleriyle bilinir. Bu kaplamaları oluşturmak için genellikle püskürtme, iyon ışını, darbeli lazer biriktirme ve katodik vakum ark sistemleri gibi fiziksel buhar biriktirme yöntemleri kullanılır.
Peki, DLC ve PVD kaplama arasındaki fark nedir? DLC kaplama, PVD kaplamaya göre neden daha iyidir?
PVD veya Fiziksel Buhar Biriktirme, çeşitli metallerin buharlaştırılması ve ardından ısıtılmış bir vakumda bir yüzeye katmanlar halinde uygulanmasını içeren bir yöntemdir. DLC kaplama ise ince film kaplama için gelişmiş bir yöntemdir. Temel fark, DLC'nin bir grup metalin üzerine püskürtülmesi yerine bir tür karbon kullanmasıdır.
Karbon, çapı ~0.15 ila ~0.22 nm arasında değişen küçük bir atom boyutuna sahiptir ve bu nedenle yüksek paketleme faktörüne sahip kalın bir film oluşturabilir.
Pek çok kaplama işleminde temel mekanizma aynıdır: karbon atomlarına belirli bir miktarda enerji verilir ve bu enerji alt tabakaya çarparak etki eder. Bununla birlikte, her kaplama işleminde birim iyon başına enerji miktarı değişkendir. Farklı kaplama işlemleri, farklı özelliklere sahip DLC kaplamaları sağlar.
İkisi de aynı işlevi görür, ancak DLC daha yüksek, daha dayanıklı ve çizilmeye karşı daha dirençli bir yüzey sağlar.
DLC kaplamalar, üstün mekanik ve tribolojik özellikleri nedeniyle endüstride giderek daha popüler hale geliyor. DLC kaplamalar kimyasal olarak inert, biyolojik olarak uyumlu ve oksidasyona dayanıklıdır ve 300°C'ye kadar termal kararlılığa sahiptir.
Schmellenmeier, asetilen gazı varlığında parıldayan deşarj plazmasıyla üretilen karbon kaplamaları ilk kez 1953'te tanımladı . Karbon tabakası iyi çizilme direnci ve sertlik sergiledi. Kaplamalarda keşfedilen elmas benzeri oranın ve özelliklerin artması nedeniyle, karbon kaplamalar yavaş yavaş DLC olarak adlandırılmaya başlandı.
DLC kaplama nasıl uygulanır? DLC ince film kaplama için hangi teknikler kullanılır?
Bunu ayrıntılı olarak inceleyelim.
DLC Kaplama Teknikleri
Bilim insanları, onlarca yıldır elmas benzeri karbon (DLC) katmanları üretmek için sayısız yöntem denemiştir. DLC biriktirme teknikleri, Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) ve Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) olmak üzere iki ana yöntem olarak sınıflandırılabilir.
PVD yönteminde karbon kaynağı katı (grafit) iken, CVD yönteminde karbon kaynağı gazdır (metan gibi bir hidrokarbon). Ark, püskürtme ve lazer buhar biriktirme işlemleri, PVD'nin çeşitleridir.
Radyo frekansı (RF), doğru akım (DC), Penning iyonizasyon ölçer (PIG) ve kendiliğinden deşarj, CVD yöntemlerinin tümüdür. Aşağıdaki şekil, kullandığımız RF deşarj plazma CVD, PIG plazma CVD ve ark PVD'yi göstermektedir.
Kaplama tekniği , çekirdek veya alt tabaka üzerindeki olayların yaygınlığına veya fiziksel, kimyasal veya fiziko-kimyasal etkileşim türüne bağlı olarak altı farklı yaklaşıma ayrılabilir : mekanik, termomekanik, termal, elektrokimyasal, kimyasal ve fiziksel.
Bunlar arasında en yaygın kullanılanı plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PACVD) teknikleridir. Bu teknolojiler, düşük sıcaklıklı bir plazma olan gaz fazındaki kimyasal süreçleri aktive ederek düşük sıcaklıklarda katman oluşumunu mümkün kılar.
DLC Üretim Teknikleri
Atomik yapı
Hangi tür atomik bağlar, DLC'nin iyi mekanik özellikler sergilemesine neden olur?
Karbon atomları üç farklı bağ türü oluşturur: sp1, sp2 ve sp3. Grafit ve elmas gibi karbon allotropları, karbon atomları arasındaki çeşitli bağ konfigürasyonları ile oluşur. Sonuç olarak, mikro yapıyı oluşturan atomik bağ desenleri, sertlik, Young modülü, tokluk veya sürtünme ve aşınma gibi malzeme özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar.
DLC kaplamada iyileşme eğilimleri
DLC kaplamayı nasıl geliştirebiliriz? DLC kaplamada iyileştirme için mevcut en son trendler nelerdir?
DLC kaplamanın sınıflandırılması
DLC kaplamaların özelliklerini iyileştirmek için yabancı element katkısı kullanılarak yapılan geliştirme trendi 1990'ların başlarında başladı . İstenilen özellikleri elde etmek için DLC kaplamalar çeşitli bileşenlerle birlikte püskürtüldü. Elektriksel özellikler için stibiyum, iyot ve azot; yapışma, sürtünme ve aşınma için krom ve titanyum; tıbbi amaçlar için gümüş ve flor; kirlenmeyi önlemek için bakır ve korozyonu iyileştirmek için zirkonyum kullanılan elementler arasındaydı.
Ancak, yabancı element katkısıyla bazı DLC özelliklerinin iyileştirilmesinin, diğer özelliklerden ödün vermeyi gerektirdiği keşfedilmiştir.
DLC'nin sertliğini ve aşınma oranını telafi etmek için %0.2 ile %20 arasında metal elementlerle katkılama yoluyla DLC'nin tokluğunu ve sürtünmesini artırmak için birçok çalışma yapılmıştır . Metal katkılamasıyla ilişkili olarak DLC'nin sertliği, tokluğu, gerilimleri, sürtünmesi ve aşınması üzerine yapılan araştırmalar oldukça azdır.
Örneğin, %18 alüminyum ile artık gerilimi 2.5 GPa'dan 0.5 GPa'ya ve sürtünme katsayısını 0.12'den 0.03'e düşürmek, sertliği 24 GPa'dan 8 GPa'ya düşürürken aşınma oranını 2.5*3^10^-8'den 13*3^10^-8 mm3/Nm'ye yükseltir.
Benzer şekilde, DLC'ye titanyum katkısı, artık gerilimi 0.9 GPa'dan 0.3 GPa'ya ve sürtünme katsayısını ~1.0'dan ~0.05'e düşürürken, sertliği de ~10.5 GPa'dan ~9 GPa'ya düşürmektedir.
Katkılı DLC nanokompoziti ile DLC kaplamasında iyileştirme
DLC kaplama için alt tabaka
DLC kaplama için ne tür bir alt tabaka kullanılabilir? Alt tabaka için herhangi bir ön işlem gerekli midir?
DLC kaplama için kullanılabilecek çok çeşitli alt tabakalar mevcuttur. Ancak, alt tabaka uygulanan yükün büyük kısmını taşımalıdır, oysa DLC kaplamalar çok ince bir tabaka halinde üretilir. Bu nedenle, alt tabaka temas yükünü ve dolayısıyla kaplamayı destekleyecek kadar güçlü değilse, plastik deformasyon meydana gelir ve bu da kaplamanın erken bozulmasına yol açar.
Son yıllarda, termokimyasal alt tabaka ön işlemiyle sert DLC kaplamaların özelliklerinin iyileştirilmesi konusu büyük ilgi görmüş ve bu da çift katmanlı işlem olarak bilinen yeni bir yöntemin geliştirilmesine yol açmıştır.
Kaplama işleminden önce çelik alt tabakanın plazma nitrürleme işlemi, alt tabakanın ve kaplamanın mekanik özelliklerini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Çelik alt tabakanın plazma nitrürleme işleminin, kaplama-alt tabaka kompozitinin yük taşıma kapasitesini artırdığı gösterilmiştir.
Bazı durumlarda (işlenmiş paslanmaz çelik gibi) DLC doğrudan alt tabakaya yapışmayabilir. Aynı zamanda, yapışmayı iyileştirmek için DLC kaplamalarının son katmanında ara katman malzemeleri kullanılmıştır.
DLC Kaplamanın Tribolojik Performansı
DLC kaplamanın nemli ve kuru ortamlardaki tribolojik performansı nedir? Ne kadar faydalıdır?
Yığın malzemeler ve diğer aşınmaya dayanıklı kaplamalı yüzeylerle karşılaştırıldığında, elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar düşük sürtünme ve yüksek aşınma direncine sahiptir. DLC filmlerinin sürtünme ve aşınma performansı, gaz atmosferi, nem ve sıcaklık dahil olmak üzere çevresel faktörlerden büyük ölçüde etkilenir. Yüksek oranda hidrojenlenmiş DLC filmler kuru ve inert ortamlarda minimum sürtünmeye sahipken, hidrojensiz DLC filmler yüksek sürtünme ve aşınmaya sahiptir.
Nemli bir ortamda, her iki DLC film türünün sürtünme katsayısı benzer olup 0.05 ile 0.2 arasında değişmektedir ve hidrojen içermeyen DLC filmler en iyi aşınma direncini sağlamaktadır. Hidrojenli DLC filmlerin faydalı tribolojik özellikleri , düşük sıcaklıklarda hidrojen salınımı ve film yapısının grafitlenmesi nedeniyle yüksek sıcaklıklarda bozulabilir. Öte yandan, hidrojen içermeyen DLC filmler, daha yüksek sürtünme katsayısına sahip olmalarına rağmen daha yüksek sıcaklıklara dayanabilirler.
Çoğu dökme malzemeye kıyasla, DLC kaplamalar, TiN gibi aşınmaya dayanıklı seramik kaplamalar gibi, yüksek aşınma direncine sahip düşük sürtünmeli kaplamalar olarak düşünülebilir. Normal bir ortamda, TiN'nin çeliğe kıyasla sürtünme katsayısı yaklaşık 0.5 iken , DLC filmlerinin sürtünme değeri 0.2'den azdır. Sınır yağlamalı çelik-çelik temaslarıyla karşılaştırıldığında, DLC kaplamalar genellikle yağlanmamış temaslarda benzer sürtünme seviyeleri gösterir.
DLC kaplamalı otomotiv parçaları
Kaymalı temaslarda, DLC kaplamalar, aşınmaya dayanıklı malzemelerin ve kaplamaların çoğundan daha iyi performans gösterir; çünkü DLC filmlerinin aşınma oranları, örneğin TiN kaplamalara göre iki ila üç kat daha düşüktür.
Kaplama tekniği ve kaplama parametreleri, DLC filmlerinde çok çeşitli bileşim ve yapıları düzenler. Çeşitli araştırmalarda tartışıldığı gibi, film bileşimi, test parametreleri (yük ve hız), test ortamı, sıcaklık ve karşı yüzey malzemesi, DLC filmlerinin sürtünme ve aşınma performansını etkiler.
DLC Kaplamanın Özellikleri
DLC kaplamanın ne kadarı stabildir? Hangi özellikler dikkate alınmalıdır?
DLC kaplamalar kimyasal olarak inert, biyolojik olarak uyumlu ve oksidasyona dayanıklıdır ve 300°C'ye kadar termal kararlılığa sahiptir . Bununla birlikte, yukarıda belirtilen avantajlara ek olarak, DLC kaplamalar yüksek artık gerilmelere ve düşük tokluğa sahiptir, bu da özellikle mekanik performans açısından geniş bir uygulama yelpazesinde kullanımını sınırlamaktadır.
Yüksek sertlik, aşınma direnci, düşük sürtünme katsayısı, yüksek yalıtım, yüksek kimyasal kararlılık, yüksek gaz bariyeri kapasitesi, yüksek yanmazlık özellikleri, yüksek biyouyumluluk ve yüksek kızılötesi geçirgenlik, DLC filmlerinin özellikleridir. Düz yüzeyli düşük sıcaklıkta ( 200 °C ) DLC filmleri üretilebilir.
Endüstriyel Uygulamalar
Elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar, aşınmaya dayanıklı ince filmler dünyasında, bileşenlerin yüksek yüklere veya aşırı sürtünmeye, aşınmaya ve diğer parçalarla temasa maruz kaldığı zorlu fiziksel uygulamalar için en iyi çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Sadece DLC kaplamanın yüksek sertliği, düşük sürtünme katsayısı ile birlikte, parçaların bu koşullar altında çukurlaşmasını, aşınmasını, sıkışmasını ve nihayetinde sahada arızalanmasını önleyebilir.
Genel olarak, DLC kaplamalar, yüksek çalışma sıcaklıklarına maruz kalan kesici aletler hariç, PVD kaplamaların vurgulandığı birçok uygulama için kullanılır. DLC kaplamalar, hem aşınma hem de sürtünme azaltımı istendiğinde özellikle faydalıdır. DLC kaplamalar ayrıca göze hoş gelen siyah bir görünüm sağlar.
İşte yaygın uygulamalara dair bazı örnekler:
- Otomobil: Otomobillerde piston pimleri ve külbütör kolları kullanılır.
- Tıp: cerrahi aletler, protezler
- Ateşli silahlar: Tabanca sürgüleri, namluları ve sürgü taşıyıcıları ateşli silahlara örnek olarak verilebilir.
- Endüstriyel bileşenler: Pistonlar, dalgıçlar, dişliler ve mekanik contalar, endüstriyel bileşenlere ve makinelere örnek olarak verilebilir.
- Enjeksiyon kalıplama: Enjeksiyon kalıplamada kalıplar, ejektör pimleri ve kayar makine parçaları kullanılır.
- Tüketim Malları: Kol saatleri, mücevherler ve golf sopaları tüketim mallarına örnek olarak verilebilir.
DLC kaplı malzemeler, tıbbi probların, kateterlerin ve kalp implantlarının ömrünü ve etkinliğini uzatmak için de kullanılabilir. DLC ayrıca gümüş gibi antimikrobiyal metallerle alaşımlandırılmıştır; gümüş sadece sıkıştırma gerilimlerini düşürmekle kalmaz, aynı zamanda antibakteriyel özelliklere de sahiptir. Çok sayıda çalışma yapılmış olmasına rağmen, DLC tabanlı tıbbi cihazların üretilmesi ve ticarileştirilmesi için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.
Sonuç
PVD ve DLC kaplama yöntemlerinin her ikisi de biriktirme mekanizmalarında benzerlikler göstermektedir. Bununla birlikte, küçük karbon atom boyutu nedeniyle, yüksek paketleme faktörüne sahip kalın bir katman oluşturabilir. Fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD), DLC kaplama biriktirmek için kullanılan iki ana yöntemdir.
İyi mekanik özelliklerden sorumlu olan sp1, sp2 ve sp3 olmak üzere üç tür bağlama vardır. DLC kaplama, diğer elementlerle katkılama yoluyla iyileştirilebilir. DLC kaplama için çok çeşitli alt tabakalar kullanılabilir. Ancak, alt tabaka ön işlemi büyük ilgi görmüştür ve çift katmanlı işlem olarak bilinir.
DLC kaplama, hem nemli hem de kuru ortamlarda en iyi tribolojik performansı gösterir. Bu kaplama 300°C'ye kadar stabildir . DLC kaplamanın otomotiv, tıp, enjeksiyon kalıplama ve endüstriyel bileşenlerde geniş bir uygulama alanı vardır.
Bu yazı sizin için faydalı oldu mu? Bu blog yazısıyla ilgili başka görüşleriniz varsa, lütfen aşağıdaki yorum bölümünden bize bildirin.
