Полное руководство по DLC-покрытию (алмазоподобное покрытие)

Для металлических и пластиковых деталей существует множество методов обработки поверхности, и DLC-покрытие — один из самых важных и широко применяемых. В этой статье мы вместе разберёмся, что такое DLC-покрытие, каковы его характеристики, преимущества и области применения.

Что такое DLC-покрытие?

DLC-покрытие, также известное как алмазоподобное углеродное покрытие, представляет собой специальное покрытие поверхности (нанокомпозитное покрытие) с алмазоподобными свойствами: твёрдостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и химической инертностью. DLC-покрытие обычно состоит из углерода и водорода и наносится на поверхность различных материалов методами физического осаждения испарением или химического осаждения из паровой фазы.

DLC — это метастабильная форма алмазоподобного аморфного углерода с определённым соотношением связей sp2 и sp3. Его часто используют для повышения твёрдости и износостойкости поверхностей материалов при одновременном снижении трения и адгезии поверхности. Алмазоподобное углеродное (DLC) покрытие — новое технологическое достижение в покрытиях PVD + PECVD, получившее широкое признание в промышленности.

Краткая история DLC-покрытия

В 1970-х годах Сол и Рональд из Германии использовали ионно-лучевое осаждение для нанесения одновалентных ионов углерода на подложку при комнатной температуре с получением DLC-плёнок.

В 1984 году Линь Сиган и соавторы применили технологию низкоэнергетического ионно-лучевого осаждения для получения алмазоподобных углеродных плёнок и предварительно исследовали их механические, оптические и электрические свойства.

После 1990-х годов исследователи начали изучать легированный DLC и продолжали осваивать новые типы DLC-покрытий и разрабатывать более совершенные методы осаждения для улучшения их характеристик. DLC-покрытия стали зрелой технологией и широко применяются в различных отраслях, включая медицину, аэрокосмическую отрасль и электронное оборудование.

Типы DLC-покрытий

• a-C = аморфный углерод без водорода
• ta-C = тетраэдрически связанный аморфный углерод без водорода
• a-C: H = аморфный углерод с водородом
• a-C:H: Me = аморфный углерод с водородом, легированный металлом (Me = W, Ti)
• ta-C:H = тетраэдрически связанный аморфный углерод с водородом
• a-C:H:Si = аморфный углерод с водородом, легированный Si
• a-C:Me = аморфный углерод без водорода, легированный металлом (Me = Ti)
• a-C:H:X = аморфный углерод с водородом, легированный неметаллом

Свойства DLC-покрытия

Твёрдость: Благодаря алмазоподобной структуре DLC-покрытие обладает высокой твёрдостью — более 2300HV, что в 10 раз твёрже графита. Это делает его очень эффективным для повышения поверхностной твёрдости и износостойкости материалов. Такая твёрдость обеспечивает его широкое применение в механических деталях, режущих инструментах и подшипниках.

Низкий коэффициент трения: Гладкая поверхность DLC-покрытия имеет низкий коэффициент трения (0,05–0,1), образуя на поверхности изделия самосмазывающийся слой трения, что помогает снижать потери на трение. Это особенно полезно в условиях, где смазочные материалы ограничены или не могут использоваться, например в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и промышленном оборудовании.

Коррозионная стойкость: DLC-покрытия обладают определённой стойкостью к химической коррозии, что помогает повысить коррозионную стойкость материалов. Это обусловливает их применение в морской среде, химической промышленности и медицинских изделиях.

Термостойкость: DLC-покрытия обладают хорошей стабильностью в условиях высоких температур и выдерживают нагрев до 450 °C. Это позволяет широко применять их в высокотемпературных процессах и деталях автомобильных двигателей.

Биосовместимость: Некоторые типы DLC-покрытий соответствуют стандартам для медицинских имплантатов и биосовместимы с организмом человека, что обеспечивает их широкое применение в медицине, например в искусственных суставах, имплантатах и хирургических инструментах.

Электропроводность: Некоторые типы DLC-покрытий обладают хорошей электропроводностью, что обусловливает их применение в электронных устройствах, датчиках и дисплеях.

Преимущества DLC-покрытия

Коррозионная и износостойкость: Защитный слой, обеспечиваемый покрытием DLC, помогает сохранять целостность и функциональность основного материала даже в жёстких условиях эксплуатации.

Долговечность: Покрытия DLC известны своей исключительной долговечностью. Благодаря высокой твёрдости, коррозионной стойкости и износостойкости такие покрытия служат длительное время. Эта долговечность гарантирует, что материал с покрытием остаётся устойчивым к износу и выцветанию при условии надлежащего ухода за основным материалом.

Экологичность: Покрытия DLC не используют вредных химических веществ и в целом безопаснее как для окружающей среды, так и для операторов, участвующих в процессе нанесения покрытия.

Улучшенный внешний вид: Покрытия DLC придают изделиям красивый серо-чёрный вид и повышают их визуальное качество.

Универсальность: Изменяя условия осаждения и добавляя легирующие элементы, можно адаптировать характеристики покрытий DLC под различные задачи применения.

Осаждение покрытия DLC

На рынке существует несколько методов осаждения покрытий DLC, включая ионно-лучевой, электронно-лучевой, PAVCD, магнетронное распыление, катодно-дуговой и лазерный. Сегодня для покрытий DLC применяются PVD и PAVCD, поскольку они считаются наиболее стабильными и обеспечивают наивысшее качество. Ниже мы в основном рассмотрим технологии PVD и PACVD:

Технология PVD

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) — это современная технология нанесения тонких плёнок, при которой материал мишени (исходный материал) физически переводится в газообразное или плазменное состояние в вакуумной среде и затем осаждается на поверхность подложки. Это одна из основных технологий поверхностного производства, применяемых в настоящее время. Она включает три основные категории: вакуумное термическое напыление, вакуумное магнетронное напыление и вакуумное дуговое ионное напыление.

Плёнки, осаждённые по технологии PVD, обладают высокой твёрдостью, высокой износостойкостью (низким коэффициентом трения), отличной коррозионной стойкостью и химической стабильностью, что обеспечивает длительный срок службы плёнки. Кроме того, плёнка значительно улучшает декоративные свойства изделия.

Технология PVD — это экологичный метод обработки поверхности, позволяющий действительно получать покрытия микронного уровня без загрязнения окружающей среды. С её помощью можно создавать различные плёнки из чистых металлов (например, алюминия, титана, циркония, хрома и др.), нитридные плёнки (TiN, ZrN, CrN, TiAlN) и карбидные плёнки (TiC, TiCN), а также оксидные плёнки (например, TiO).

Толщина плёнки PVD находится в микронном диапазоне и относительно невелика — обычно от 0,3 мкм до 5 мкм. Толщина декоративных покрытий, как правило, составляет от 0,3 мкм до 1 мкм. Поэтому покрытие улучшает различные физические и химические свойства поверхности изделия, незначительно влияя на его исходные размеры, что исключает необходимость последующей обработки.

Износостойкость: Покрытия PVD очень твёрдые и износостойкие, что делает их идеальными для поверхностей, подвергающихся частому использованию и износу.

Коррозионная стойкость: Покрытия PVD обеспечивают дополнительный слой защиты от коррозии, что делает их хорошим выбором для наружных условий и морской среды.

Улучшенная эстетика: Покрытия PVD могут наноситься в различных цветах, что обеспечивает широкий выбор эстетических решений.

Экологичность: Процессы нанесения покрытий PVD не выделяют вредных химических веществ, что делает их более экологичными по сравнению с другими процессами нанесения покрытий.

Технология PACVD

PACVD — сокращение от Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение из паровой фазы с плазменной активацией). Этот метод осаждения широко применяется для нанесения покрытий типа алмазоподобного углерода (DLC). Процесс протекает в вакууме, и все реагенты процесса PACVD находятся в газообразном состоянии. В отличие от PVD, газофазный процесс осаждения позволяет наносить покрытия на 3D-объекты без необходимости вращения. Покрытия PACVD содержат около 70% связей sp3 и являются аморфными. Связи sp3 обеспечивают сверхвысокую твёрдость покрытия (10–40 ГПа). При температуре ниже 200 ℃ PACVD позволяет наносить покрытия на широкий спектр непроводящих и проводящих материалов подложки.

• Последующая обработка не требуется
• Возможность нанесения на широкий спектр подложек
• Отсутствие деформации высокоточных подложек
• Газофазный процесс обеспечивает равномерность покрытия

Советы по улучшению адгезии покрытия DLC к материалу подложки

Оптимизация обработки поверхности: Очистка и придание шероховатости поверхности подложки: для повышения поверхностной энергии и площади контакта между покрытием и подложкой можно применять такие методы, как обработка наждачной бумагой, пескоструйная обработка и кислотное травление, что улучшает адгезию.

Термическая обработка: Согласование коэффициентов теплового расширения материала покрытия и подложки позволяет снизить напряжения, вызванные изменениями температуры.

Использование связующих агентов: Нанесение или погружение связующего агента между покрытием и подложкой позволяет органическим молекулам химически реагировать с поверхностью подложки, образуя прочные химические связи, которые улучшают адгезию.

Ионная имплантация: Введение металлических элементов в поверхность подложки методом ионной имплантации позволяет создать промежуточный слой с хорошей адгезией к материалу покрытия, что повышает прочность сцепления.

Легирование: Добавление легирующих элементов в материал подложки делает его более совместимым с материалом покрытия и повышает прочность сцепления.

Использование композитных покрытий: Добавление одного или нескольких промежуточных слоёв с высокой адгезией между покрытием и подложкой, например металлов, керамики или других полимерных материалов, улучшает адгезию между покрытием и подложкой.

Применение DLC-покрытия

DLC-покрытие улучшает характеристики материалов, продлевает срок службы и повышает их коррозионную стойкость. Оно широко применяется в пресс-формах, медицине, автомобилестроении и режущем инструменте.

Пресс-формы

DLC-покрытие отличается гладкой поверхностью, низким коэффициентом трения, лёгким извлечением из формы, износостойкостью и хорошей теплопроводностью. Покрытие обладает чрезвычайно высокой твёрдостью, и его трудно повредить высоконапорным потоком материала и частицами, что позволяет увеличить срок службы пресс-формы. Поэтому его часто используют для изготовления различных пресс-форм, в том числе: штампов, литьевых форм и форм для полупроводников. Например: пуансонов, матриц, деталей точной вырубки и тиснения.

Медицина

DLC-покрытие обладает хорошей биосовместимостью, что позволяет биологическим тканям и имплантированным искусственным материалам сосуществовать без реакции отторжения. Его можно использовать в качестве поверхностного покрытия для материалов искусственных суставов, стоматологических материалов, искусственных костей, материалов искусственных сердечных клапанов, хирургических игл и медицинских катетеров.

Автомобилестроение

DLC-покрытие хорошо выполняет функции смазки и износостойкости в условиях сухого трения без смазочного масла и является хорошим выбором для деталей автомобильных двигателей. Поршневое кольцо в автомобильном двигателе совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре, и поверхность кольца постоянно скользит по внутренней стенке цилиндра, что приводит к большим потерям на трение и существенно влияет на энергопотребление и срок службы двигателя.

Инструмент

DLC-покрытие имеет низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Оно позволяет эффективно увеличить срок службы режущего инструмента и придать ему превосходные комплексные механические свойства, что значительно повышает эффективность механообработки. DLC-покрытие стало идеальным материалом покрытия для инструмента из быстрорежущей стали и твёрдого сплава.

Часто задаваемые вопросы

Какие бывают цвета DLC-покрытия?

Цвет DLC-покрытия зависит от толщины, структуры и легирующих добавок, и фиксированного цвета не существует. В зависимости от технологии нанесения и состава материала оно может иметь разные цвета — от бесцветного и прозрачного до серо-чёрного и даже коричневого или жёлтого. Наиболее распространённым является чёрно-серое покрытие.

Каковы ограничения DLC-покрытия?

DLC-покрытия создают внутренние напряжения в процессе осаждения, что может привести к деформации подложки или даже к отслаиванию покрытия. Чрезмерное напряжение также может снизить износостойкость и ударопрочность покрытия. Если покрытие неоднородно, характеристики отдельных участков снижаются. Более высокая стоимость по сравнению с другими покрытиями.

Заключение

Прочитав эту статью, вы наверняка получили более чёткое представление о DLC-покрытии. В последние годы DLC-покрытие применяется всё шире в различных областях — от автомобильных деталей до инструмента для станков, от прецизионных медицинских изделий до обычных пружин.

DEK — глобальный производитель деталей на заказ. Выбрав DEK в качестве партнёра, вы сможете воспользоваться передовой технологией DLC-покрытия. Свяжитесь с нами сейчас чтобы начать свой проект!