Покриття з алмазоподібного вуглецю (DLC) відомі своїми винятковими механічними та трибологічними якостями. Для створення цих покриттів зазвичай використовуються фізичні методи осадження з парової фази, такі як напилення, іонний промінь, імпульсне лазерне осадження та катодні вакуумно-дугові системи.
Але яка різниця між покриттям DLC і PVD? Чим DLC-покриття краще за PVD-покриття?
PVD, або фізичне осадження з парової фази, — це метод, який включає випаровування різноманітних металів і подальше нанесення їх на поверхню в нагрітому вакуумі. Тоді як DLC-покриття є вдосконаленим методом тонкоплівкового покриття. Основна відмінність полягає в тому, що DLC використовує різновид вуглецю замість напилення на групу металів.
Вуглець має малий атомний розмір, коливається від ~0.15 до ~0.22 нм у діаметрі, і, отже, може створювати товсту плівку з високим коефіцієнтом упаковки.
Що ж, для більшості процесів осадження основний механізм однаковий: атомам вуглецю надається певна кількість енергії, і вони вбиваються в підкладку. Проте кожен процес осадження має змінну кількість енергії на одиницю іона. Різноманітні процеси осадження забезпечують покриття DLC різними властивостями.
Обидва вони виконують однакову функцію, але DLC забезпечує вищу, міцнішу та стійкішу до подряпин обробку.
Покриття DLC набувають популярності в промисловості завдяки своїм чудовим механічним і трибологічним властивостям. Покриття DLC є хімічно інертними, біосумісними та стійкими до окислення, з термічною стабільністю до 300 °C.
Шмелленмаєр вперше описав вуглецеві покриття, отримані за допомогою плазми тліючого розряду в присутності газу ацетилену. 1953. Карбоновий шар продемонстрував хорошу стійкість до подряпин і твердість. Через підвищену алмазоподібну частку та властивості, виявлені в покриттях. Так, карбонові покриття поступово називають DLC.
Як наноситься покриття DLC? Які методи використовуються для тонкоплівкового покриття DLC?
Розглянемо це детально.
Методи осадження DLC
Протягом кількох десятиліть вчені експериментували з численними методами створення шарів алмазоподібного вуглецю (DLC). Методи осадження DLC можна класифікувати як фізичне осадження з парової фази (PVD) і хімічне осадження з парової фази (CVD). Це два основні методи створення шарів DLC.
Джерелом вуглецю в методі PVD є тверда речовина (графіт), тоді як джерелом вуглецю в підході CVD є газ (вуглеводень, наприклад метан). Процеси дугового, напилювального та лазерного осадження з парової фази є типами PVD.
Радіочастота (RF), постійний струм (DC), іонізаційний датчик Пеннінга (PIG) і саморозряд — це всі методи CVD. На малюнку нижче зображено CVD плазми радіочастотного розряду, CVD плазми PIG та дугового PVD, які ми використовували.
Техніку осадження можна розділити на категорії шість видів підходів, заснованих на поширеності явищ або типі фізичної, хімічної або фізико-хімічної взаємодії на ядрі або субстраті: механічний, термомеханічний, термічний, електрохімічний, хімічний і фіз.
Методи хімічного осадження з газової фази (PACVD) є найбільш широко використовуваними серед них. Ці технології дозволяють утворювати шари при низьких температурах шляхом активації хімічних процесів у газовій фазі, яка є низькотемпературною плазмою.
Техніка виробництва DLC
Будова атомів
Який вид атомного зв’язку забезпечує хороші механічні властивості DLC?
Атоми вуглецю утворюють три різні типи зв’язків: sp1, sp2 і sp3. Алотропи вуглецю, такі як графіт і алмаз, утворюються різними конфігураціями зв’язків між атомами вуглецю. Як наслідок, схеми зв’язків атомів, які створюють мікроструктуру, відіграють ключову роль у створенні якостей матеріалу, включаючи твердість, модуль Юнга, в’язкість або тертя та знос, серед іншого.
Тенденції вдосконалення покриття DLC
Як ми можемо покращити покриття DLC? Які останні тенденції доступні для вдосконалення покриття DLC?
Тенденція до вдосконалення DLC-покриттів з використанням легування сторонніми елементами для покращення характеристик DLC почалася на початку 1990s. Щоб досягти бажаних властивостей, DLC-покриття були нанесені разом із різноманітними компонентами. Корінь, йод і азот для електричних якостей, хром і титан для адгезії, тертя і зношування, срібло і фтор для медичних цілей, мідь для захисту від обростання та цирконій були серед елементів, які використовувалися для покращення корозії.
Однак було виявлено, що покращення деяких якостей DLC за допомогою легування сторонніми елементами вимагає компромісу щодо інших характеристик.
Було проведено багато досліджень для підвищення міцності та тертя DLC шляхом легування металевих елементів у діапазоні від 0.2 відсотка до 20% щоб компенсувати твердість і швидкість зносу DLC. Було опубліковано небагато досліджень щодо твердості DLC, ударної в’язкості, напруг, тертя та зношування у зв’язку з легуванням металом.
Наприклад, зменшення залишкової напруги з 2.5 до 0.5 ГПа та коефіцієнта тертя з 0.12 до 0.03 за допомогою 18 відсотків алюмінію знижує твердість з 24 до 8 ГПа, а швидкість зношування збільшується з 2.5*3^ 10^-8 до 13* 3^10^-8 мм3 /Нм.
Подібним чином легування титаном у DLC знижує залишкову напругу з 0.9 до 0.3 ГПа та коефіцієнт тертя з ~1.0 до ~0.05, але також знижує твердість з ~10.5 до ~9 ГПа.
Покращення DLC-покриття за допомогою легованого DLC-нанокомпозиту
Підкладка для DLC покриття
Яку підкладку можна використовувати для покриття DLC? Чи потрібна якась попередня обробка субстрату?
Існує широкий спектр підкладок, які можна використовувати для покриття DLC. Але підкладка повинна нести більшу частину прикладеного навантаження, але покриття DLC мають дуже тонкий природний шар. Отже, пластична деформація відбудеться, якщо підкладка недостатньо міцна, щоб витримати контактне навантаження і, отже, покриття, що призведе до раннього руйнування покриття.
В останні роки завдання покращення властивостей твердих покриттів DLC шляхом термохімічної попередньої обробки підкладки привернуло велику увагу, що призвело до розробки нового методу, відомого як дуплексне лікування.
Плазмове азотування сталевої підкладки перед нанесенням покриття широко використовується для покращення механічних якостей підкладки та покриття. Було показано, що плазмове азотування сталевої підкладки підвищує здатність до навантаження композиту покриття-підкладка.
У деяких випадках DLC може не прилипати безпосередньо до основи (оброблена нержавіюча сталь). У той же час для фінішної обробки DLC-покриттів використовувалися матеріали проміжного шару з метою покращення адгезії.
Трибологічні характеристики покриття DLC
Які трибологічні показники покриття DLC у вологому та сухому середовищі? Наскільки це вигідно?
Порівняно з насипними матеріалами та іншими зносостійкими поверхнями з покриттям алмазоподібні вуглецеві (DLC) покриття мають низьке тертя та високу зносостійкість. На показники тертя та зношування плівок DLC сильно впливає навколишнє середовище, зокрема газова атмосфера, вологість і температура. Сильно наводнені плівки DLC мають мінімальне тертя в сухому та інертному середовищі, але безводневі плівки DLC мають високе тертя та знос.
У вологому середовищі коефіцієнт тертя обох типів плівок DLC схожий і становить від 0.05 до 0.2, а безводневі плівки DLC забезпечують найкращу зносостійкість. Корисні трибологічні властивості гідрогенізовані плівки DLC можуть бути порушені при високих температурах через витік водню та графітизацію структури плівки при низьких температурах. З іншого боку, безводневі плівки DLC можуть витримувати більш високі температури, незважаючи на вищий коефіцієнт тертя.
У порівнянні з більшістю сипучих матеріалів, DLC-покриття можна розглядати як покриття з низьким коефіцієнтом тертя з високою зносостійкістю, наприклад, зносостійкі керамічні покриття, такі як TiN. У нормальному середовищі TiN має коефіцієнт тертя приблизно 0.5 у порівнянні зі сталлю, тоді як плівки DLC мають коефіцієнт тертя менше 0.2. Порівняно зі сталевими контактами зі сталевим змащенням із граничним змащенням і сталевими контактами DLC-покриття часто показують подібні рівні тертя в незмащених контактах.
Автомобільні деталі з покриттям DLC
У ковзних контактах покриття DLC перевершують більшість зносостійких матеріалів і покриттів, оскільки швидкість зносу плівок DLC на два-три порядки нижча, ніж, наприклад, покриття TiN.
Техніка осадження та параметри осадження регулюють широкий діапазон композицій і структур у плівках DLC. Як обговорювалося в різних дослідженнях, склад плівки, а також параметри випробувань (навантаження та швидкість), випробувальне середовище, температура та матеріал протилежної поверхні впливають на тертя та зношування плівок DLC.
Властивості DLC покриття
Наскільки DLC покриття стабільне? Який тип властивостей слід розглянути?
Покриття DLC є хімічно інертними, біосумісними та стійкими до окислення, з термічною стабільністю до 300 °C. Однак, на додаток до вищезазначених переваг, покриття DLC мають великі залишкові напруги та низьку в’язкість, що обмежує їх використання в широкому діапазоні застосувань, особливо з точки зору механічних характеристик.
Висока твердість, зносостійкість, низький коефіцієнт тертя, висока ізоляція, висока хімічна стабільність, високі газові бар’єрні властивості, високі властивості проти горіння, висока біосумісність та висока інфрачервона проникність – усі характеристики плівок DLC. Низькотемпературний (200 ° C) Можна створювати DLC-плівки з плоскими поверхнями.
Промислове застосування
Алмазоподібні вуглецеві (DLC) покриття стали найкращим рішенням для вимогливих фізичних застосувань, де компоненти піддаються високим навантаженням або надмірному тертю, зношенню та контакту з іншими частинами у світі зносостійких тонких плівок. Лише велика твердість DLC-покриття разом із низьким коефіцієнтом тертя може запобігти появі точок, задиранням, заїданням і, зрештою, поломці деталей у польових умовах за таких умов.
Загалом DLC-покриття використовуються для багатьох застосувань, для яких наголошувалося на PVD-покриттях — за винятком ріжучих інструментів, які піддаються високим робочим температурам. Покриття DLC є особливо корисними, коли потрібно зменшити знос і тертя. Покриття DLC також забезпечує приємне для ока чорне покриття.
Ось кілька прикладів поширених програм:
- Автомобілі: поршневі пальці та коромисла використовуються в автомобілях.
- Медицина: хірургічні інструменти, протезування
- Вогнепальна зброя. Прикладами вогнепальної зброї є затвори, стволи та затворні рами.
- Промислові компоненти: поршні, плунжери, шестерні та механічні ущільнення є прикладами промислових компонентів і машин.
- Лиття під тиском: для лиття під тиском використовуються матриці, виштовхувальні штифти та ковзаючі деталі машин.
- Споживчі товари: наручні годинники, ювелірні вироби та ключки для гольфу є прикладами споживчих товарів.
Матеріали з DLC-покриттям також можна використовувати для продовження терміну служби та ефективності медичних зондів, катетерів і серцевих імплантатів. DLC також був легований антимікробними металами, такими як срібло; Срібло не тільки знижує напругу стиску, але й має антибактеріальні властивості. Незважаючи на те, що вже зроблено багато роботи, необхідні додаткові дослідження для створення та комерціалізації медичних пристроїв на основі DLC.
Висновок
Покриття PVD і DLC мають подібні механізми осадження. Тоді як завдяки малому атомному розміру вуглецю він може створити товстий шар із високим коефіцієнтом упаковки. Фізичне осадження з парової фази (PVD) і хімічне осадження з газової фази (CVD) є двома основними методами нанесення покриття DLC.
Існує три типи склеювання sp1, sp2 і sp3, які відповідають за хороші механічні властивості. Покриття DLC можна покращити шляхом легування іншими елементами. Для DLC-покриття можна використовувати широкий діапазон підкладок. Але попередня обробка субстрату привернула багато уваги і відома як дуплексна обробка.
Покриття DLC демонструє найкращі трибологічні характеристики як у вологому, так і в сухому середовищі. Це покриття стійке до 300 °C. Покриття DLC широко застосовується в автомобільних, медичних, лиття під тиском і промислових компонентах.
чи було це корисно для вас? Якщо у вас є інші погляди на цей блог. Дайте нам знати, залишивши коментар нижче.
