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光润--浅谈DLC薄膜及运用

发布时间:2019-09-10 浏览次数:载入中... 来源:http://www.grvacuum.com/
世界能源的1/2-1/3消耗于摩擦,机械零件80%失效原因是磨损;因此磨损是材料研究的重要命题;耐磨、减摩材料开发活跃,成为摩擦学研究的重点。摩擦学包括摩擦、磨损和润滑三部分。

自从上世纪70年代DLC薄膜问世以来,经过几十年的发展和探索,逐渐形成了现在的物理沉积和化学气相沉积的DLC(类金刚石涂层)薄膜。 早期的涂层以硬度作为主要指标,往往追求高硬度以获得较好的抗磨性能。但是这些镀层的摩擦系数普遍较高,以TiN为例其摩擦系数在干摩擦状态下一般在0.4以上。高硬度的薄膜往往具有较大的脆性,易剥落、开裂。当前涂层面临的挑战不仅应具有长的使用寿命而且有很好的自润滑功能。近年来,在保证镀层具有高硬度的前提下减小镀层摩擦系数的研究成为热点,耐磨减摩镀层的概念也随之引入。

DLC膜的性能
“DLC”是英文“DIAMOND-LIKE CARBON”的缩写。DLC是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似,同时又具有石墨原子组成结构的物质。类金刚石薄膜(DLC)是一种非晶态薄膜,由于具有高硬度和高弹性模量,低摩擦因数,耐磨损以及良好的真空摩擦学特性,很适合于作为耐磨涂层,从而引起了摩擦学界的重视。目前制备DLC薄膜的方法很多, 不同的制备方法所用的碳源以及到达基体表面的离子能量不同, 沉积的DLC 膜的结构和性能存在很大差别, 摩擦学性能也不相同。

根据2005年德国工程师学会发布的“碳涂层”标准,DLC薄膜主要分为以下七类:

a-C:非晶碳

ta-C:四面体非晶碳

a-C:Me(Me=W /Ti/Mo/Al等金属):金属掺杂非晶碳

a-C:H:含氢非晶碳

ta-C:H:四面体形含氢非晶碳

a-C:H:Me(Me=W /Ti/Mo/Al等金属):金属掺杂含氢非晶碳

a-C:H:X(X=Si/O/N/F/B等):改性含氢非晶碳

DLC形式的碳膜因其高硬度、低摩擦系数成为一种具有应用前景的镀层,但其通常具有较高的内应力因而薄膜沉积的厚度受到限制。类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜,是英文词汇Diamond Like Carbon的简称,它是一类性质近似于金刚石,具有高硬度,高电阻率。良好光学性能等,同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。主要包含sp2和sp3两种杂化键,而在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。了它作为刀具对钢铁材料的加工应用。以sp2杂化为主的高硬度类石墨膜,具有较高的硬度,又有低的摩擦系数,内应力比较小,因而可以沉积相对较厚的膜层,在与钢铁材料接触时不会出现触媒反应,是一种优异的抗磨减摩镀层。

DLC膜是一种共价键形式的非晶碳材料,它主要以SP2和SP3两种杂化方式存在,而DLC膜的性质也主要由SP2和SP3键的相对含量所决定,由于SP3键的含量变化范围宽,在不同工艺条件下制备的DLC膜的性能也有所不同。

DLC膜的性能包括:低摩擦系数、高耐磨性、高导热率、高电阻率、高硬度、良好的光学透过性和生物相容性,所以现在被应用在机械、汽车、电子、光学、医疗等领域。纯DLC膜具有优异的耐蚀性,各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。

DLC膜层运用
提高材料的耐磨性应该从提高硬度,减小摩擦系数两个方面着手。单纯提高材料的硬度并不一定使材料的耐磨性有很大的提高。以商用较多的TiN薄膜为例,硬度在20-30GPa,但其摩擦系数一般在0.5左右,其磨损率在相同试验条件下比DLC膜高一个数量级。TiN薄膜磨损产生的颗粒引起磨粒磨损,加剧磨损的程度。而DLC膜磨损的产物是微小的C,具有固体润滑的作用,能够减小摩擦系数,降低比磨损率。

在工具镀领域我们实际上主要是利用了DLC的两大主要性能:

摩擦性能: DLC膜不仅具有优异的耐磨性,而且具有很低的摩擦系数,一般低于0.2,是一种优异的表面抗磨损改性膜。DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化,其摩擦系数较低可达0.005。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数,但加入H能提高润滑作用,环境也对摩擦系数有一定的影响。但总的来说,DLC膜与传统的硬质薄膜(如上述的TiN、TiC、TiAlN等)相比,在摩擦系数方面具有明显优势,这些传统硬质薄膜的摩擦系数都在0.4以上。 DLC膜在磨损过程中,接触面存在的摩擦变形在DLC膜表面产生微小的C,从而在摩擦配副的接触面上形成一层转移膜,使接触面成为DLC膜的相互对磨,因而能够减小摩擦力,提高薄膜的抗磨损性,起到固体润滑的作用。

高硬度DLC膜具有相对适中的硬度,较低的摩擦系数、低磨损率和优异的抗腐蚀性能。添加Cr元素后,可以调节高硬度类石墨膜的硬度和韧性,并能提高膜基结合强度,Cr含量在一定范围内,膜基结合强度能够达到非常理想的结果,而且具有良好的摩擦磨损性能。在一定载荷范围内,类石墨膜的摩擦系数随着载荷的提高而降低。DLC膜具有抗磨减摩的特性,是一种具有广阔应用前景的抗磨减摩镀层。

耐腐蚀性: 纯DLC膜具有优异的耐蚀性,各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺杂有其他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降,这是由于掺杂的元素首先被侵蚀,从而破坏了膜的连续性所致。

PVD涂层技术目前已经应用在活塞环、缸套、活塞销、挺杆、凸轮等零件来解决表面性能的需求,满足发动机节能、环保、小型化和生物能源应用带来的零件过早失效甚至不能使用的境况。目前,欧美发达地区使用CrN、a-C:H:Me或a-C:H涂层提高零部件的使用性能,如柴油喷射器零部件、活塞环、齿轮、轴瓦、活塞销和气门已成为零件制造环节中的重要一部分。

汽车零部件:DLC在发动机部件成功应用的是掺杂金属的DLC(a-C:H:Me),Me-DLC的典型应用是涡轮增压柴油机燃油喷射器部件和轴承。Me-DLC涂层硬度在1200~2000Hv之间变化,与钢干磨摩擦系数通常在0.1~0.2之间。Me-DLC涂层的抗冲击疲劳的能力特别地得到了认可。

切削刀具:钻头、铣刀DLC膜可以应用于钻头和铣刀上,特别是掺杂金属的DLC膜,它不仅具有高的硬度,还具有低的摩擦系数、抗有色金属粘结。许多具有延展性的金属或合金,在切削时容易出现沾粘刀具现象。高温时更与刀具产生反应造成加工困难,工具寿命减短。像这类的刀具如镀上DLC膜后可解决问题。镀有DLC膜的刀具适合用来加工铜合金、铝镁合金、陶瓷、碳化钨、铅合金、含碳材料(石墨、塑料及复合材料、橡胶)等。但由于碳原子会溶到铁系材料内,因此不适合用来加工含铁、钴、镍等材料。

零部件上的应用:DLC膜在许多关键零部件也能发挥其优良的性能,在缝纫机配件-旋梭上镀DLC膜替代原来的电镀硬铬处理,不但避免了污染环境的问题,而且,明显提高工件表面硬度及耐磨性,使用寿命提高了10倍以上,同时,也因表面膜层摩擦系数降低后,使机器运行过程中产生的噪音变小。

钟表的表带,机芯等都可以沉积DLC涂层,达到耐磨的效果。目前市场上很多高端钟表品牌推出了不少DLC系列的产品。

同时在汽车零部件上活塞环、缸套、活塞销、挺杆、凸轮等零件来解决表面性能的需求,满足发动机节能、环保、小型化和生物能源应用带来的零件过早失效甚至不能使用的境况。

模具表面上的应用:DLC膜具有高硬度、表面平滑、低磨擦系数、易脱模、耐磨耗、耐酸碱、热导性佳及低温制程等特性。材料的高压冲刷与颗粒很难对其造成损伤,因而远比其它材料更适合应用在模具的保护上,大幅度地增加模具使用寿命。协助散热,改善模流性质、增加脱膜性、成型率及复制率,缩短制程时间、提升产品良率、并减少拆模及清模的时间及次数。

特殊的耐腐蚀性应用:DLC膜可以在一些特殊的场合作为耐腐蚀性涂层,可以很好的保护基体。某种类型模具上沉积总厚度为2.5um的DLC膜层后,在100℃的强碱溶液中可以保持10小时以上不腐蚀。

结论
DLC膜具有相对适中的硬度,较低的摩擦系数、低磨损率和优异的抗腐蚀性能。添加Me元素后,可以调节高硬度类石墨膜的硬度和韧性,并能提高膜基结合强度,Me含量在一定范围内,膜基结合强度能够达到非常理想的结果,而且具有良好的摩擦磨损性能。在一定载荷范围内,类石墨膜的摩擦系数随着载荷的提高而降低。DLC膜具有抗磨减摩的特性,是一种具有广阔应用前景的抗磨减摩镀层。
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