Der vollständige Leitfaden für DLC-Beschichtung (Diamantähnliche Beschichtung)

Sowohl für Metall- als auch für Kunststoffteile gibt es verschiedene Methoden der Oberflächenbehandlung, und die DLC-Beschichtung ist eine der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Techniken. In diesem Artikel erfahren wir gemeinsam, was eine DLC-Beschichtung ist, ihre Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen.

Was ist eine DLC-Beschichtung?

DLC-Beschichtungauch bekannt als diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung, ist eine spezielle Oberflächenbeschichtung (Nanokompositbeschichtung) mit diamantähnlichen Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und chemische Inertheit. DLC-Beschichtungen bestehen in der Regel aus Kohlenstoff und Wasserstoff und werden durch physikalische Aufdampfung oder chemische Abscheidung aus der Gasphase auf die Oberfläche verschiedener Materialien aufgebracht.

DLC ist eine metastabile Form von diamantartigem amorphem Kohlenstoff mit einem Verhältnis von sp2 und sp3 Bindungen. Es wird häufig verwendet, um die Härte und Verschleißfestigkeit von Materialoberflächen zu erhöhen und gleichzeitig Reibung und Oberflächenhaftung zu verringern. Die Beschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) ist ein neuer technologischer Fortschritt im Bereich der PVD- und PECVD-Beschichtungen, der sich in der kommerziellen Industrie weitgehend durchgesetzt hat.

Eine grundlegende Geschichte der DLC-Beschichtung

In den 1970er Jahren nutzten Sol und Ronald aus Deutschland die Ionenstrahlabscheidung, um einwertige Kohlenstoffionen bei Raumtemperatur auf einem Substrat abzuscheiden und DLC-Schichten herzustellen.

1984 nutzten Lin Xigang et al. die Technologie der Ionenstrahlabscheidung mit niedriger Energie, um diamantähnliche Kohlenstoffschichten herzustellen, und testeten vorab ihre mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften.

Nach den 1990er Jahren begannen die Forscher mit der Untersuchung von dotiertem DLC und setzten die Erforschung neuer Arten von DLC-Beschichtungen und die Entwicklung fortschrittlicherer Abscheidetechniken zur Verbesserung ihrer Leistung fort. DLC-Beschichtungen haben sich zu einer ausgereiften Technologie entwickelt und werden in verschiedenen Branchen wie der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt und der Elektronikindustrie eingesetzt.

Arten der DLC-Beschichtung

• a-C = wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff
• ta-C = tetraedrisch gebundener wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff
• a-C: H = Ein amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:H: Me = metalldotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff (Me = W, Ti)
• ta-C:H = Ein tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:H:Si = Si-dotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:Me = metalldotierter wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff (Me = Ti)
• a-C:H:X = Ein nicht-metalldotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff

Eigenschaften der DLC-Beschichtung

Härte: Mit ihrer diamantähnlichen Struktur weist die DLC-Beschichtung eine hohe Härte auf, mit einer Schichthärte von mehr als 2300HV, was 10-mal härter ist als Graphit. Dies macht sie sehr effektiv bei der Verbesserung der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit von Materialien. Diese Härte ermöglicht eine breite Verwendung in mechanischen Teilen, Schneidwerkzeugen und Lagern.

Niedriger Reibungskoeffizient: Die glatte Oberfläche der DLC-Beschichtung hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten (0,05-0,1) und bildet eine selbstschmierende Reibungsschicht auf der Produktoberfläche, die dazu beiträgt, den Reibungsverlust zu verringern. Dies ist besonders nützlich in Umgebungen, in denen Schmiermittel nur begrenzt oder gar nicht verwendet werden können, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und bei Industrieanlagen.

Korrosionsbeständigkeit: DLC-Beschichtungen weisen eine gewisse Beständigkeit gegen chemische Korrosion auf, was zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Materialien beiträgt. Dies führt zu Anwendungen in Meeresumgebungen, in der chemischen Industrie und in medizinischen Geräten.

Thermische Stabilität: DLC-Beschichtungen weisen eine gute Stabilität in Hochtemperaturumgebungen auf und können Temperaturen von bis zu 450 °C standhalten. Dies ermöglicht ihren weit verbreiteten Einsatz in Hochtemperaturprozessen und bei Komponenten von Kraftfahrzeugmotoren.

Biokompatibilität: Einige Arten von DLC-Beschichtungen erfüllen die Normen für medizinische Implantate und sind mit dem menschlichen Körper biokompatibel, so dass sie in der Medizin weit verbreitet sind, z. B. in künstlichen Gelenken, Implantaten und chirurgischen Instrumenten.

Leitfähigkeit: Einige Arten von DLC-Beschichtungen haben eine gute elektrische Leitfähigkeit, was zu einigen Anwendungen in elektronischen Geräten, Sensoren und Displays führt.

Vorteile der DLC-Beschichtung

Korrosions- und Verschleißbeständigkeit: Die Schutzschicht der DLC-Beschichtung trägt dazu bei, die Integrität und Funktionalität des darunter liegenden Materials auch unter rauen Umweltbedingungen zu erhalten.

Langlebigkeit: DLC-Beschichtungen sind für ihre extreme Haltbarkeit bekannt. Dank ihrer hohen Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit können diese Beschichtungen über einen langen Zeitraum verwendet werden. Diese Haltbarkeit sorgt dafür, dass das beschichtete Material verschleißfest bleibt und nicht verblasst, solange das darunterliegende Material gut gepflegt wird.

Umweltfreundlichkeit: DLC-Beschichtungen kommen ohne schädliche Chemikalien aus und sind im Allgemeinen sowohl für die Umwelt als auch für die am Beschichtungsprozess beteiligten Personen sicherer.

Verbessertes Erscheinungsbild: DLC-Beschichtungen können Gegenständen ein schönes grau-schwarzes Aussehen verleihen und die optische Qualität von Produkten verbessern.

Vielseitigkeit: Durch Änderung der Abscheidungsbedingungen und Zugabe von Dotierstoffen kann die Leistung von DLC-Beschichtungen auf die verschiedenen Anwendungsanforderungen zugeschnitten werden.

Abscheidung der DLC-Beschichtung

Für die Abscheidung von DLC-Beschichtungen gibt es auf dem Markt mehrere Verfahren, darunter Ionen- und Elektronenstrahl, PAVCDSputtern, kathodischer Lichtbogen und Laser. Auf dem heutigen Markt werden PVD- und PAVCD-Verfahren für DLC-Beschichtungen verwendet, da sie als die beständigsten und hochwertigsten gelten. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die PVD- und die PACVD-Technologie eingegangen:

PVD-Technik

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist eine neuartige Technologie zur Abscheidung dünner Schichten, bei der das Zielmaterial (Ausgangsmaterial) in einer Vakuumumgebung physikalisch in ein Gas oder Plasma umgewandelt und dann auf die Substratoberfläche abgeschieden wird. Es ist eines der wichtigsten Verfahren zur Oberflächenherstellung, das derzeit eingesetzt wird. Sie umfasst im Wesentlichen drei Hauptkategorien: Vakuumverdampfungsbeschichtung, Vakuumzerstäubungsbeschichtung und Vakuumbogenionenbeschichtung.

Mit der PVD-Beschichtungstechnologie aufgebrachte Schichten weisen eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit (niedriger Reibungskoeffizient), eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und chemische Stabilität auf, was zu einer längeren Lebensdauer der Schicht führt. Außerdem verbessert die Schicht die dekorativen Eigenschaften des Werkstücks erheblich.

Die PVD-Beschichtungstechnologie ist eine umweltfreundliche Oberflächenbehandlungsmethode, mit der Beschichtungen im Mikrometerbereich ohne Umweltverschmutzung erzielt werden können. Sie kann zur Herstellung verschiedener Einzelmetallschichten (wie Aluminium, Titan, Zirkonium, Chrom usw.), Nitridschichten (TiN, ZrN, CrN, TiAlN) und Karbidschichten (TiC, TiCN) sowie Oxidschichten (wie TiO) verwendet werden.

Die Dicke des PVD-Beschichtungsfilms liegt im Mikrometerbereich, mit einer relativ geringen Dicke, im Allgemeinen 0,3μm bis 5μm. Die Dicke der dekorativen Beschichtungsfilme beträgt in der Regel 0,3μm bis 1μm. Daher können verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften der Werkstückoberfläche verbessert werden, ohne die ursprünglichen Abmessungen wesentlich zu verändern, so dass eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist.

Vorteile von PVD

Abnutzungswiderstand: PVD-Beschichtungen sind sehr hart und verschleißfest, was sie ideal für Oberflächen macht, die häufig benutzt und abgenutzt werden.

Korrosionsbeständigkeit: PVD-Beschichtungen können einen zusätzlichen Schutz gegen Korrosion bieten, was sie zu einer guten Wahl für Außen- oder Meeresumgebungen macht.

Verbesserte Ästhetik: PVD-Beschichtungen können in verschiedenen Farben aufgetragen werden und bieten eine breite Palette an ästhetischen Optionen.

Umweltfreundlich: PVD-Beschichtungsverfahren setzen keine schädlichen Chemikalien frei und sind damit umweltfreundlicher als andere Beschichtungsverfahren.

PACVD-Technologie

PACVD ist die Kurzform für Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition. Diese Abscheidungsmethode wird häufig zur Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten verwendet. Dieses Verfahren basiert auf Vakuum, und alle Prozesse des PACVD-Verfahrens finden in einem gasförmigen Zustand statt. Im Gegensatz zu PVD eignet sich der gasförmige Abscheidungsprozess für 3D-Beschichtungen, bei denen keine Rotation erforderlich ist. PACVD-Beschichtungen enthalten etwa 70% sp3-Bindungen und sind amorph. Die sp3-Bindung ist für die extrem hohe Härte (10-40 GPa) der Beschichtung verantwortlich. Bei einer Temperatur von unter 200℃ können mit dem PACVD-Verfahren Beschichtungen für eine breite Palette von nichtleitenden und leitenden Substratmaterialien aufgebracht werden.

Vorteile von PACVD

• Eine Nachbehandlung ist nicht erforderlich
• Kann auf einem breiten Spektrum von Substraten ablagern
• Kein Auftreten von Verzerrungen bei einem hochpräzisen Substrat
• Verwendet ein gasförmiges Verfahren, das eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht

Tipps zur Verbesserung der Bindung zwischen DLC-Beschichtung und Substratmaterial

Optimierung der Oberflächenbehandlung: Durch Reinigen und Aufrauen der Substratoberfläche, z. B. mit Sandpapier, Sandstrahlen und Säureätzen, kann die Oberflächenenergie und die Kontaktfläche zwischen der Beschichtung und dem Substrat erhöht werden, wodurch die Haftung verbessert wird.

Wärmebehandlung: Die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Beschichtung und des Trägermaterials aneinander kann die durch Temperaturschwankungen verursachten Spannungen verringern.

Verwendung von Kopplungsagenten: Durch das Auftragen oder Eintauchen eines Haftvermittlers zwischen der Beschichtung und dem Substrat können organische Moleküle chemisch mit der Substratoberfläche reagieren und starke chemische Bindungen bilden, die die Haftung verbessern.

Ionen-Implantation: Das Einbringen von Metallelementen in die Substratoberfläche durch Ionenimplantation kann eine Zwischenschicht mit guter Adhäsion zum Beschichtungsmaterial erzeugen und dadurch die Haftfestigkeit erhöhen.

Legierungsbehandlung: Das Hinzufügen von Legierungselementen zum Substratmaterial kann dessen Kompatibilität mit dem Beschichtungsmaterial verbessern und dessen Bindung stärken.

Verwendung von Verbundwerkstoff-Beschichtungen: Das Hinzufügen einer oder mehrerer Zwischenschichten mit hoher Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat, wie z. B. Metalle, Keramiken oder andere polymere Materialien, kann die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat verbessern.

Anwendungen der DLC-Beschichtung

DLC-Beschichtungen können die Leistung von Materialien verbessern, die Lebensdauer verlängern und die Korrosionsbeständigkeit von Materialien erhöhen. Sie ist weit verbreitet in Formen, Medizintechnik, Automobilen und Schneidwerkzeugen.

Schimmelpilz

Die DLC-Beschichtung hat die Eigenschaften einer glatten Oberfläche, eines niedrigen Reibungskoeffizienten, einer leichten Entformbarkeit, einer hohen Verschleißfestigkeit und einer guten Wärmeleitfähigkeit. Die Beschichtung hat eine extrem hohe Härte, und es ist schwierig für die Hochdruck-Scheuern und Partikel des Materials, es zu beschädigen, die die Lebensdauer der Form erhöhen können. Daher wird es häufig für die Herstellung verschiedener Formen verwendet, darunter Stanzformen, Spritzgussformen und Halbleiterformen. Zum Beispiel: Stanzen, konkave Formen, Präzisionsstanzen und Prägeteile.

Medizinische

Die DLC-Beschichtung weist eine gute Biokompatibilität auf, so dass biologisches Gewebe und implantierte künstliche Materialien friedlich nebeneinander bestehen können, ohne dass es zu Abstoßungsreaktionen kommt. Sie kann als Oberflächenbeschichtung für künstliche Gelenkmaterialien, zahnmedizinische Materialien, künstliche Knochen, künstliche Herzklappenmaterialien, chirurgische Nadeln und medizinische Katheter verwendet werden.

Automobilindustrie

Die DLC-Beschichtung kann eine gute Rolle bei der Schmierung und Verschleißfestigkeit unter trockenen Reibungsbedingungen ohne Schmieröl spielen und ist eine gute Wahl für Teile von Automobilmotoren. Der Kolbenring im Automotor bewegt sich im Zylinder auf und ab, und die Ringoberfläche schabt ständig an der Innenwand des Zylinders, was zu einem großen Reibungsverlust führt, der den Energieverbrauch und die Lebensdauer des Motors stark beeinträchtigt.

Werkzeug

Die DLC-Beschichtung hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Verschleißfestigkeit. Sie kann die Lebensdauer von Zerspanungswerkzeugen effektiv verbessern und ermöglicht es den Werkzeugen, ausgezeichnete umfassende mechanische Eigenschaften zu erhalten, wodurch die Bearbeitungseffizienz erheblich verbessert wird. Die DLC-Beschichtung hat sich zu einem idealen Beschichtungsmaterial für Hochgeschwindigkeitsstahl und Hartmetallwerkzeuge entwickelt.

FAQs

Was sind DLC-Beschichtungsfarben?

Die Farbe der DLC-Beschichtung hängt von der Dicke, der Struktur und den Dotierstoffen ab, und es gibt keine feste Farbe. Je nach Herstellungsverfahren und Materialkomponenten weist sie unterschiedliche Farben auf, die von farblos und transparent über grau-schwarz bis hin zu braun oder gelb reichen. Am häufigsten ist die schwarz-graue Beschichtung.

Was sind die Grenzen der DLC-Beschichtung？?

DLC-Beschichtungen erzeugen während des Abscheidungsprozesses innere Spannungen, die zu einer Verformung des Substrats oder sogar zum Abplatzen der Beschichtung führen können. Übermäßige Spannungen können auch die Abrieb- und Stoßfestigkeit der Beschichtung verringern. Wenn die Beschichtung nicht homogen ist, wird die Leistung in bestimmten Bereichen verringert. Höhere Kosten im Vergleich zu anderen Beschichtungen.

Schlussfolgerung

Nach der Lektüre dieses Blogs haben Sie sicher ein besseres Verständnis der DLC-Beschichtung. In den letzten Jahren wurde die DLC-Beschichtung immer häufiger in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von Automobilteilen über Werkzeugmaschinen bis hin zu medizinischen Präzisionsgeräten und gewöhnlichen Federn.

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