La guida completa per Rivestimento DLC (Diamond Like Coating)

Esistono diversi metodi di trattamento della superficie sia per i componenti in metallo che per quelli in plastica, e il rivestimento DLC è una delle tecniche più importanti e comunemente utilizzate. In questo articolo scopriremo insieme cos'è il rivestimento DLC, le sue caratteristiche, i vantaggi e le applicazioni.

Che cos'è il rivestimento DLC?

Rivestimento DLC, noto anche come rivestimento di carbonio simile al diamante, è uno speciale rivestimento superficiale (rivestimento nanocomposito) con proprietà simili al diamante, quali durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e inerzia chimica. Il rivestimento DLC è solitamente composto da carbonio e idrogeno e viene applicato sulla superficie di vari materiali mediante deposizione fisica per evaporazione o deposizione chimica da vapore.

Il DLC è una forma metastabile di carbonio amorfo simile al diamante con un rapporto di legami sp2 e sp3. Viene spesso utilizzato per aumentare la durezza e la resistenza all'usura delle superfici dei materiali, riducendo al contempo l'attrito e l'adesione superficiale. Il rivestimento in carbonio simile al diamante (DLC) è un nuovo progresso tecnologico nei rivestimenti PVD + PECVD che ha ottenuto un ampio successo nell'industria commerciale.

Storia di base del rivestimento DLC

Negli anni '70, i tedeschi Sol e Ronald hanno utilizzato la deposizione a fascio ionico per depositare ioni di carbonio monovalenti su un substrato a temperatura ambiente per produrre film DLC.

Nel 1984, Lin Xigang et al. hanno utilizzato la tecnologia di deposizione a fascio ionico a bassa energia per preparare film di carbonio simile al diamante e hanno testato in via preliminare le loro proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche.

Dopo gli anni '90, i ricercatori hanno iniziato a studiare il DLC drogato e hanno continuato a esplorare nuovi tipi di rivestimenti DLC e a sviluppare tecniche di deposizione più avanzate per migliorarne le prestazioni. I rivestimenti DLC sono diventati una tecnologia matura e sono stati ampiamente utilizzati in vari settori, tra cui quello medico, aerospaziale e delle apparecchiature elettroniche.

Tipi di rivestimento DLC

• a-C = carbonio amorfo privo di idrogeno
• ta-C = carbonio amorfo privo di idrogeno legato in modo tetraedrico
• a-C: H = Un carbonio amorfo con idrogeno
• a-C:H: Me = carbonio amorfo drogato di metallo con idrogeno (Me = W, Ti)
• ta-C:H = Carbonio amorfo legato in modo tetraedrico con idrogeno
• a-C:H:Si = Si tratta di carbonio amorfo drogato con idrogeno.
• a-C:Me = carbonio amorfo senza idrogeno drogato con metalli (Me = Ti)
• a-C:H:X = Carbonio amorfo non drogato di metalli con idrogeno

Proprietà del rivestimento DLC

Durezza: Con una struttura simile al diamante, il rivestimento DLC ha una durezza elevata, superiore a 2300HV, 10 volte più dura della grafite. Ciò lo rende molto efficace nel migliorare la durezza superficiale e la resistenza all'usura dei materiali. Questa durezza ne consente l'uso diffuso in parti meccaniche, utensili da taglio e cuscinetti.

Basso coefficiente di attrito: La superficie liscia del rivestimento DLC ha un basso coefficiente di attrito (0,05-0,1), formando uno strato di attrito autolubrificante sulla superficie del prodotto, che contribuisce a ridurre la perdita di attrito. Ciò è particolarmente utile in ambienti in cui i lubrificanti sono limitati o non possono essere utilizzati, come nel settore aerospaziale, automobilistico e industriale.

Resistenza alla corrosione: I rivestimenti DLC presentano una certa resistenza alla corrosione chimica, che contribuisce a migliorare la resistenza alla corrosione dei materiali. Ciò porta ad applicazioni in ambienti marini, nell'industria chimica e nei dispositivi medici.

Stabilità termica: I rivestimenti DLC hanno una buona stabilità in ambienti ad alta temperatura e possono resistere a temperature fino a 450°C. Ciò ne consente l'uso diffuso nei processi ad alta temperatura e nei componenti dei motori automobilistici.

Biocompatibilità: Alcuni tipi di rivestimenti DLC soddisfano gli standard degli impianti medici e sono biocompatibili con il corpo umano, il che li rende ampiamente utilizzati in campo medico, ad esempio nelle articolazioni artificiali, negli impianti e negli strumenti chirurgici.

Conducibilità: Alcuni tipi di rivestimenti DLC hanno una buona conduttività elettrica, che porta ad alcune applicazioni in dispositivi elettronici, sensori e display.

Vantaggi del rivestimento DLC

Resistenza alla corrosione e all'usura: Lo strato protettivo fornito dal rivestimento DLC aiuta a mantenere l'integrità e la funzionalità del materiale sottostante, anche in condizioni ambientali difficili.

Durata: I rivestimenti DLC sono noti per la loro estrema durata. Grazie all'elevata durezza, alla resistenza alla corrosione e all'usura, questi rivestimenti possono essere utilizzati per lunghi periodi. Questa durata garantisce che il materiale rivestito rimanga resistente all'usura o allo sbiadimento, a condizione che il materiale sottostante sia ben mantenuto.

Rispetto dell'ambiente: I rivestimenti DLC non utilizzano sostanze chimiche nocive e sono generalmente più sicuri sia per l'ambiente che per gli operatori coinvolti nel processo di rivestimento.

Aspetto migliorato: I rivestimenti DLC possono conferire agli oggetti un bellissimo aspetto grigio-nero e migliorare la qualità visiva dei prodotti.

Versatilità: Modificando le condizioni di deposizione e aggiungendo droganti, le prestazioni dei rivestimenti DLC possono essere adattate alle varie esigenze applicative.

Deposizione del rivestimento DLC

Sul mercato sono disponibili diversi metodi per la deposizione di rivestimenti DLC, tra cui il fascio di ioni e il fascio di elettroni, PAVCDsputtering, arco catodico e laser. Oggi sul mercato si utilizza la tecnologia PVD e PAVCD per i rivestimenti DLC perché è considerata la più consistente e di qualità. Qui di seguito si parla principalmente della tecnologia PVD e della tecnologia PACVD:

Tecnologia PVD

La deposizione fisica da vapore (PVD) è una nuova tecnologia di deposizione di film sottili che prevede la trasformazione fisica del materiale di destinazione (materiale di partenza) in un gas o in un plasma in un ambiente sotto vuoto e il successivo deposito sulla superficie del substrato. È una delle principali tecniche di produzione di superfici attualmente utilizzate. Comprende principalmente tre categorie principali: rivestimento per evaporazione sotto vuoto, rivestimento per sputtering sotto vuoto e placcatura ionica ad arco sotto vuoto.

I film depositati con la tecnologia di rivestimento PVD presentano un'elevata durezza, un'alta resistenza all'usura (basso coefficiente di attrito), un'eccellente resistenza alla corrosione e una stabilità chimica che si traduce in una maggiore durata del film. Inoltre, il film migliora notevolmente le proprietà decorative del pezzo.

La tecnologia di rivestimento PVD è un metodo di trattamento delle superfici rispettoso dell'ambiente, in grado di ottenere rivestimenti di livello micronico senza inquinamento. Può essere utilizzata per preparare vari film monometallici (come alluminio, titanio, zirconio, cromo, ecc.), film di nitruro (TiN, ZrN, CrN, TiAlN), film di carburo (TiC, TiCN) e film di ossido (come TiO).

Lo spessore del film di rivestimento PVD è nell'ordine dei micron, con uno spessore relativamente sottile, in genere da 0,3μm a 5μm. Lo spessore dei film di rivestimento decorativi è in genere compreso tra 0,3μm e 1μm. Pertanto, può migliorare varie proprietà fisiche e chimiche della superficie del pezzo senza alterare in modo significativo le dimensioni originali, eliminando la necessità di una post-lavorazione.

Vantaggi del PVD

Resistenza all'usura: I rivestimenti PVD sono molto duri e resistenti all'usura e sono quindi ideali per le superfici soggette a uso e usura frequenti.

Resistenza alla corrosione: I rivestimenti PVD possono fornire un ulteriore strato di protezione contro la corrosione, il che li rende una buona scelta per gli ambienti esterni o marini.

Estetica migliorata: I rivestimenti PVD possono essere applicati in vari colori, offrendo un'ampia gamma di opzioni estetiche.

Rispettoso dell'ambiente: I processi di rivestimento PVD non rilasciano sostanze chimiche nocive e sono quindi più rispettosi dell'ambiente rispetto ad altri processi di rivestimento.

Tecnologia PACVD

PACVD è la forma abbreviata di Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition. Questo metodo di deposizione è ampiamente utilizzato per depositare rivestimenti di carbonio simile al diamante. Questo processo è basato sul vuoto e tutti i prodotti del processo PACVD avvengono allo stato gassoso. A differenza della PVD, il processo di deposizione gassosa lo rende adatto a rivestimenti 3D senza necessità di rotazione. I rivestimenti PACVD contengono circa 70% di legame sp3 e sono amorfi. Il legame sp3 è alla base dell'altissima durezza (10-40GPa) del rivestimento. A temperature inferiori a 200℃, il PACVD può depositare rivestimenti per un'ampia gamma di materiali di substrato non conduttivi e conduttivi.

Vantaggi del PACVD

• Il post-trattamento non è necessario
• Può depositarsi su un'ampia gamma di substrati
• Assenza di distorsioni in un substrato di alta precisione
• Utilizza un processo gassoso che consente un rivestimento uniforme

Suggerimenti per migliorare l'adesione del rivestimento DLC al materiale del substrato

Ottimizzazione del trattamento superficiale: Per aumentare l'energia superficiale e l'area di contatto tra il rivestimento e il substrato, si possono utilizzare metodi di pulizia e irruvidimento della superficie del substrato, come l'uso di carta vetrata, la sabbiatura e l'incisione acida, migliorando così l'adesione.

Trattamento termico: La regolazione del coefficiente di espansione termica del rivestimento e del materiale del substrato può ridurre le sollecitazioni causate dalle variazioni di temperatura.

Utilizzo degli agenti di accoppiamento: L'applicazione o l'immersione di un agente di accoppiamento tra il rivestimento e il substrato può consentire alle molecole organiche di reagire chimicamente con la superficie del substrato, formando forti legami chimici che migliorano l'adesione.

Impianto di ioni: L'introduzione di elementi metallici nella superficie del substrato attraverso l'impiantazione ionica può creare uno strato intermedio con una buona adesione al materiale di rivestimento, migliorando così la forza di adesione.

Trattamento di lega: L'aggiunta di elementi di lega al materiale del substrato può renderlo più compatibile e più forte nel legame con il materiale di rivestimento.

Utilizzo di rivestimenti compositi: L'aggiunta di uno o più strati intermedi ad alta adesione tra il rivestimento e il substrato, come metalli, ceramiche o altri materiali polimerici, può migliorare l'adesione tra il rivestimento e il substrato.

Applicazioni del rivestimento DLC

Il rivestimento DLC può migliorare le prestazioni dei materiali, estenderne la durata e migliorarne la resistenza alla corrosione. È ampiamente utilizzato negli stampi, nel settore medico, nelle automobili e negli utensili da taglio.

Stampo

Il rivestimento DLC ha le caratteristiche di superficie liscia, basso coefficiente di attrito, facilità di sformatura, resistenza all'usura e buona conducibilità termica. Il rivestimento ha una durezza estremamente elevata ed è difficile che la raschiatura ad alta pressione e le particelle del materiale lo danneggino, aumentando così la durata dello stampo. Per questo motivo, viene spesso utilizzato per realizzare vari stampi, tra cui: stampi per stampaggio, stampi per stampaggio a iniezione e stampi per semiconduttori. Ad esempio: punzoni, stampi concavi, tranciatura di precisione e parti in rilievo.

Medico

Il rivestimento DLC ha una buona biocompatibilità, in grado di far coesistere pacificamente i tessuti biologici e i materiali artificiali impiantati senza reazioni di rigetto. Può essere utilizzato come rivestimento superficiale per materiali articolari artificiali, materiali dentali, ossa artificiali, materiali per valvole cardiache artificiali, aghi chirurgici e cateteri medici.

Automotive

Il rivestimento DLC può svolgere un buon ruolo nella lubrificazione e nella resistenza all'usura in condizioni di attrito secco senza olio lubrificante ed è una buona scelta per le parti del motore dell'automobile. L'anello del pistone nel motore dell'automobile oscilla su e giù nel cilindro e la superficie dell'anello raschia costantemente la parete interna del cilindro, causando una grande perdita di potenza di attrito, che influisce notevolmente sul consumo energetico e sulla durata del motore.

Strumento

Il rivestimento DLC ha un basso coefficiente di attrito e una forte resistenza all'usura. Può migliorare efficacemente la durata degli utensili da taglio e consentire agli utensili di ottenere eccellenti proprietà meccaniche complete, migliorando così notevolmente l'efficienza della lavorazione. Il rivestimento DLC è diventato un materiale di rivestimento ideale per gli utensili in acciaio ad alta velocità e in metallo duro.

Domande frequenti

Quali sono i colori del rivestimento DLC?

Il colore del rivestimento DLC è influenzato dallo spessore, dalla struttura e dai droganti e non esiste un colore fisso. I colori variano a seconda dei processi di preparazione e dei componenti del materiale, dall'incolore e trasparente al grigio-nero, fino al marrone o al giallo. Il più comune è il rivestimento grigio-nero.

Quali sono i limiti del rivestimento DLC?

I rivestimenti DLC generano tensioni interne durante il processo di deposizione, che possono portare alla deformazione del substrato o addirittura al distacco del rivestimento. Le sollecitazioni eccessive possono anche ridurre la resistenza all'abrasione e agli urti del rivestimento. Se il rivestimento non è omogeneo, le prestazioni di alcune aree saranno ridotte. Costo più elevato rispetto ad altri rivestimenti.

Conclusione

Dopo aver letto questo blog, credo che avrete una comprensione più chiara del rivestimento DLC. Negli ultimi anni, il rivestimento DLC è stato utilizzato sempre più spesso in vari settori, dai componenti automobilistici alle macchine utensili, dai dispositivi medici di precisione alle normali molle.

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