Полное руководство по Покрытие DLC (алмазоподобное покрытие)

Существуют различные методы обработки поверхности как металлических, так и пластиковых деталей, и покрытие DLC является одним из наиболее важных и часто используемых методов. В этой статье мы вместе узнаем, что такое DLC-покрытие, его характеристики, преимущества и области применения.

Что такое DLC-покрытие?

DLC-покрытиеТакже известное как алмазоподобное углеродное покрытие - это специальное покрытие поверхности (нанокомпозитное покрытие), обладающее алмазоподобными свойствами, такими как твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и химическая инертность. DLC-покрытие обычно состоит из углерода и водорода и наносится на поверхность различных материалов методом физического осаждения из испарения или химического осаждения из паровой фазы.

DLC - это метастабильная форма алмазоподобного аморфного углерода с соотношением связей sp2 и sp3. Он часто используется для повышения твердости и износостойкости поверхностей материалов при одновременном снижении трения и адгезии поверхностей. Покрытие из алмазоподобного углерода (DLC) - это новое технологическое достижение в области PVD + PECVD покрытий, которое достигло широкого успеха в коммерческой промышленности.

Основные сведения о покрытии DLC

В 1970-х годах Сол и Рональд из Германии использовали ионно-лучевое осаждение для нанесения моновалентных ионов углерода на подложку при комнатной температуре для получения пленок DLC.

В 1984 году Лин Сиган и др. использовали технологию низкоэнергетического осаждения ионным пучком для получения алмазоподобных углеродных пленок и предварительно протестировали их механические, оптические и электрические свойства.

После 1990-х годов исследователи начали изучать легированные DLC и продолжили исследовать новые типы DLC-покрытий и разрабатывать более совершенные методы осаждения для улучшения их характеристик. DLC-покрытия стали зрелой технологией и широко используются в различных отраслях промышленности, включая медицинскую, аэрокосмическую и электронное оборудование.

Типы покрытий DLC

• a-C = аморфный углерод без водорода
• ta-C = тетраэдрически связанный безводородный аморфный углерод
• a-C: H = Аморфный углерод с водородом
• a-C:H: Me = допированный металлами аморфный углерод с водородом (Me = W, Ti)
• ta-C:H = тетраэдрически связанный аморфный углерод с водородом
• a-C:H:Si = это аморфный углерод, легированный водородом.
• a-C:Me = аморфный углерод, не содержащий водорода, легированный металлами (Me = Ti)
• a-C:H:X = аморфный углерод, не легированный металлами, с водородом

Свойства DLC-покрытия

Твердость: Имея алмазоподобную структуру, DLC-покрытие обладает высокой твердостью: твердость покрытия превышает 2300HV, что в 10 раз тверже графита. Это делает его очень эффективным в повышении твердости поверхности и износостойкости материалов. Такая твердость позволяет широко использовать его 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 фрикционный слой, который помогает снизить потери на трение. Это особенно полезно в условиях, когда применение смазочных материалов ограничено или невозможно, например, в аэрокосмической, автомобильной промышленности и промышленном оборудовании.

Устойчивость к коррозии: DLC-покрытия обладают определенной устойчивостью к химической коррозии, что позволяет повысить коррозионную стойкость материалов. Это позволяет применять их в морской среде, химической промышленности и медицинских приборах.

Термическая стабильность: DLC-покрытия обладают хорошей стабильностью в высокотемпературных средах и могут выдерживать температуру до 450°C. Это позволяет широко использовать их в высокотемпературных процессах и компонентах автомобильных двигателей.

Биосовместимость: Некоторые типы DLC-покрытий соответствуют стандартам медицинских имплантатов и биосовместимы с человеческим организмом, что позволяет широко использовать их в медицине, например, в искусственных суставах, имплантатах и хирургических инструментах.

Проводимость: Некоторые типы DLC-покрытий обладают хорошей электропроводностью, что позволяет использовать их в электронных устройствах, датчиках и дисплеях.

Преимущества DLC-покрытия

Устойчивость к коррозии и износу: Защитный слой, обеспечиваемый DLC-покрытием, помогает сохранить целостность и функциональность основного материала даже в суровых условиях окружающей среды.

Долговечность: DLC-покрытия известны своей чрезвычайной долговечностью. Обладая высокой твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью, эти покрытия могут использоваться в течение длительного времени. Такая долговечность гарантирует, что материал с покрытием остается устойчивым к износу или выцветанию при условии хорошего ухода за основным материалом.

Экологичность: При нанесении DLC-покрытий не используются вредные химические вещества, что в целом безопасно как для окружающей среды, так и для операторов, участвующих в процессе нанесения покрытия.

Улучшенный внешний вид: DLC-покрытия могут придавать объектам красивый серо-черный вид и улучшать визуальное качество изделий.

Универсальность: Изменяя условия осаждения и добавляя легирующие добавки, можно изменять характеристики DLC-покрытий для удовлетворения различных потребностей.

Нанесение DLC-покрытия

На рынке существует несколько методов нанесения DLC-покрытий, включая ионный луч, электронный луч, PAVCDнапыление, катодная дуга и лазер. На современном рынке для нанесения DLC-покрытий используются технологии PVD и PAVCD, поскольку они считаются наиболее последовательными и качественными. Ниже мы рассмотрим в основном технологии PVD и PACVD:

Технология PVD

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) - это новая технология осаждения тонких пленок, которая заключается в физическом превращении целевого материала (исходного материала) в газ или плазму в вакуумной среде и последующем осаждении его на поверхность подложки. В настоящее время это одна из основных технологий изготовления поверхностей. В основном она включает в себя три основные категории: нанесение покрытия методом вакуумного испарения, нанесение покрытия методом вакуумного напыления и вакуумное дуговое ионное покрытие.

Пленки, нанесенные с помощью технологии PVD-покрытия, обладают высокой твердостью, высокой износостойкостью (низкий коэффициент трения), отличной коррозионной стойкостью и химической стабильностью, что приводит к увеличению срока службы пленки. Кроме того, пленка значительно улучшает декоративные свойства заготовки.

Технология нанесения покрытий PVD - это экологически чистый метод обработки поверхности, позволяющий получать покрытия микронного уровня без загрязнения окружающей среды. Она может использоваться для получения различных металлических пленок (таких как алюминий, титан, цирконий, хром и т. д.), нитридных (TiN, ZrN, CrN, TiAlN) и карбидных (TiC, TiCN) пленок, а также оксидных (таких как TiO).

Толщина пленки PVD-покрытия находится в микронном диапазоне, при этом она относительно тонкая, обычно от 0,3 мкм до 5 мкм. Толщина декоративных пленок покрытия обычно составляет от 0,3 мкм до 1 мкм. Таким образом, она может улучшить различные физические и химические свойства поверхности заготовки без существенного влияния на ее исходные размеры, устраняя необходимость в последующей обработке.

Преимущества PVD

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

Устойчивость к коррозии: Покрытия PVD обеспечивают дополнительный слой защиты от коррозии, что делает их хорошим выбором для использования на открытом воздухе или в морской среде.

Улучшенная эстетика: PVD-покрытия могут быть нанесены в различных цветах, обеспечивая широкий спектр эстетических возможностей.

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

Технология PACVD

PACVD - это сокращение от Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition. Этот метод осаждения широко используется для нанесения алмазоподобных углеродных покрытий. Этот процесс основан на вакууме, и все процессы PACVD происходят в газообразном состоянии. В отличие от PVD, процесс осаждения в газообразном состоянии делает его пригодным для нанесения 3D-покрытий без необходимости вращения. Покрытия PACVD содержат около 70% sp3-связей и являются аморфными. Связи sp3 обуславливают сверхвысокую твердость (10-40GPa) покрытия. При температуре ниже 200℃ PACVD может наносить покрытия на широкий спектр непроводящих и проводящих материалов подложки.

Преимущества PACVD

• Послеоперационная обработка не требуется
• Возможность нанесения на широкий спектр подложек
• Отсутствие искажений в высокоточной подложке
• Используется газообразный процесс, обеспечивающий равномерное покрытие

Советы по улучшению сцепления DLC-покрытия и материала подложки

Оптимизация обработки поверхности: Очистка и придание шероховатости поверхности подложки, такие методы, как использование наждачной бумаги, пескоструйная обработка и кислотное травление, могут быть использованы для увеличения поверхностной энергии и площади контакта между покрытием и подложкой, тем самым повышая адгезию.

Термообработка: Приведение коэффициента теплового расширения покрытия и материала подложки в соответствие может уменьшить напряжение, вызванное изменениями температуры.

Использование агентов связи: Нанесение или погружение связующего агента между покрытием и подложкой позволяет органическим молекулам вступать в химическую реакцию с поверхностью подложки, образуя прочные химические связи, которые улучшают адгезию.

Ионная имплантация: Внедрение металлических элементов в поверхность подложки путем ионной имплантации может создать промежуточный слой с хорошей адгезией к материалу покрытия, тем самым повышая прочность сцепления.

Легирование Обработка: Добавление легирующих элементов в материал подложки может сделать его более совместимым и прочным в сцеплении с материалом покрытия.

Использование композитных покрытий: Добавление одного или нескольких промежуточных слоев с высокой адгезией между покрытием и подложкой, таких как металлы, керамика или другие полимерные материалы, может улучшить адгезию между покрытием и подложкой.

Области применения DLC-покрытия

DLC-покрытие позволяет улучшить эксплуатационные характеристики материалов, продлить срок службы и повысить коррозионную стойкость материалов. Оно широко используется в пресс-формах, медицине, автомобилях и режущих инструментах.

Плесень

DLC-покрытие обладает такими характеристиками, как гладкая поверхность, низкий коэффициент трения, легкая распалубка, износостойкость и хорошая теплопроводность. Покрытие обладает чрезвычайно высокой твердостью, и его трудно повредить высоким давлением и частицами материала, что может увеличить срок службы пресс-формы. Поэтому его часто используют для изготовления различных пресс-форм, в том числе: штамповочных форм, форм для литья под давлением и форм для полупроводников. Например: пуансоны, вогнутые формы, прецизионные заготовки и детали для тиснения.

Медицина

DLC-покрытие обладает хорошей биосовместимостью, благодаря чему биологические ткани и имплантированные искусственные материалы могут мирно сосуществовать без реакции отторжения. Оно может использоваться в качестве поверхностного покрытия для искусственных материалов суставов, стоматологических материалов, искусственных костей, искусственных материалов сердечных клапанов, хирургических игл и медицинских катетеров.

Автомобили

Покрытие DLC может играть хорошую роль в смазке и износостойкости в условиях сухого трения без смазочного масла, и является хорошим выбором для деталей автомобильного двигателя. Поршневое кольцо в автомобильном двигателе совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре, и поверхность кольца постоянно скребет внутреннюю стенку цилиндра, что приводит к большим потерям мощности на трение, что значительно влияет на энергопотребление и срок службы двигателя.

Инструмент

Покрытие DLC обладает низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Оно может эффективно увеличить срок службы режущих инструментов и позволить инструментам получить отличные комплексные механические свойства, тем самым значительно повышая эффективность обработки. DLC-покрытие стало идеальным материалом для покрытия инструментов из высокоскоростной стали и твердого сплава.

Вопросы и ответы

Что такое цвета покрытия DLC?

Цвет DLC-покрытия зависит от толщины, структуры и легирующих добавок, и не имеет фиксированного цвета. В зависимости от процесса подготовки и компонентов материала оно может иметь различные цвета: от бесцветного и прозрачного до серо-черного и даже коричневого или желтого. Наиболее распространенным является черно-серое покрытие.

Каковы ограничения DLC-покрытия？

В процессе осаждения DLC-покрытий возникают внутренние напряжения, которые могут привести к деформации подложки или даже к отслаиванию покрытия. Чрезмерные напряжения также могут снизить устойчивость покрытия к истиранию и ударам. Если покрытие не является однородным, характеристики отдельных участков будут снижены. Более высокая стоимость по сравнению с другими покрытиями.

Заключение

После прочтения этого блога, я думаю, вы должны иметь более четкое представление о DLC-покрытии. В последние годы DLC-покрытие все чаще используется в различных областях, от автомобильных деталей до станков, как прецизионных медицинских приборов, так и обычных пружин.

DEK является мировым производителем деталей на заказ. Если вы выберете DEK в качестве партнера, вы сможете испытать лучшие технологии нанесения DLC-покрытий. Свяжитесь с нами сейчас чтобы начать свой проект!