Возможно, вы видели его на корпусе-дорогих часов, на поршневых пальцах автомобильного двигателя или даже на фрезе для резки алюминиевых сплавов. Он полностью черный, гладкий на ощупь, но при этом на удивление твердый.
Что такое DLC? Поскольку они оба черные, в чем разница между версиями,-содержащими водород, и версиями,-без водорода? Почему его коэффициент трения волшебным образом меняется на противоположный при изменении окружающей среды?
Во-первых, что такое DLC? «Шизофрения» углерода
DLC означает Diamond-Like Carbon. Перевод прост: углерод подобен алмазу.
Почему его описывают как «похожий» на бриллиант, а не на бриллиант?
Потому что углерод — это «двусторонний-элемент.
Когда атомы углерода плотно упакованы вместе (sp3-связи), это алмаз, самое твердое вещество в природе.
Когда атомы углерода расположены неплотно (sp2-связи), это мягкий и скользкий графит.
Что интересно в покрытиях DLC, так это их аморфная структура. Они не имеют фиксированной кристаллической формы; вместо этого они представляют собой мешанину,-содержащую как твердые алмазные связи (sp3), так и скользкие графитовые связи (sp2).
Вкратце: DLC насильно сочетает в себе «твердость» алмаза и «скользкость» графита. Чем выше содержание sp3, тем сложнее; чем выше содержание sp2, тем ниже коэффициент трения.
Во-вторых, семейство DLC: сколько существует типов?
Хотя все они кажутся черными, эксперты разделяют DLC на разные категории. В настоящее время наиболее распространенная классификация в отрасли в основном сосредоточена на том, содержат ли они водород или нет.
1. Водород-содержащий DLC (a-C:H) – классический "универсал-"
В настоящее время это самый распространенный тип DLC на рынке. Обычно его производят с помощью CVD (химического осаждения из паровой фазы) или магнетронного распыления углеводородными газами (такими как ацетилен или метан).
Характеристики: Умеренная твердость (1000~2500 HV), очень низкий коэффициент трения и хорошая прочность.
Недостатки: Из-за наличия атомов водорода имеет плохую термостойкость. При температуре выше 300–400 градусов атомы водорода улетучиваются, что приводит к графитизации покрытия и даже его разрушению.
Применение: автомобильные детали, подшипники и общие декоративные покрытия.
2. Дополнение Hydrogen-Free (ta-C) – настоящий «крепкий орешек»
Это покрытие обычно изготавливается с использованием катодно-дуговой сварки с фильтрацией (FCVA) или технологии HiPIMS, полностью полагаясь на бомбардировку мишени углеродом без введения углеводородных газов.
Характеристики: Чрезвычайно высокое содержание связей sp3 (даже более 80%), невероятно высокая твердость (3000-8000 HV, приближающаяся к твердости природного алмаза). Чрезвычайно гладкая поверхность (если изготовлена с использованием FCVA).
Недостатки: Чрезвычайно высокое внутреннее напряжение; слой пленки подобен туго натянутой пружине, и если сделать ее слишком толстой, то она склонна к самопроизвольному разрыву (отслаиванию). Обычно требуется сложная конструкция переходного слоя.
Применение: режущие инструменты для цветных-металлов (например, резка алюминия, меди, предотвращение прилипания инструмента), поршневые кольца, защитные слои жестких дисков.
3. DLC с-легированием металлом (Me-DLC) – умный «блендер»
Чтобы уменьшить внутреннее напряжение или повысить ударную вязкость, мы включаем в DLC такие металлы, как вольфрам (W) и титан (Ti).
W-DLC (карбид вольфрама): типичное противо-усталостное покрытие. Хотя твердость снижается, прочность и адгезия увеличиваются. Его часто используют в зубчатых передачах и это один из самых твердых типов «мягких покрытий», о которых мы часто говорим.
В-третьих, «Экологический парадокс» коэффициента трения: сухой или влажный?
Это самый важный момент в этой статье, и здесь многие начинающие пользователи легко спотыкаются.
Всем известно, что DLC имеет низкий коэффициент трения (0,1 и даже ниже), но механизм смазки DLC чрезвычайно чувствителен к влажности окружающей среды!
Это противоречивое явление. Пожалуйста, запомните следующее сравнение:
1. В атмосферной среде (с влажностью, например, в воздухе):
Водород-содержащий DLC (a-C:H): стабильно работает с низким коэффициентом трения.
DLC, не содержащий-водорода (ta-C): работает исключительно хорошо. Молекулы воды адсорбируются на поверхности ta-C, пассивируя оборванные связи атомов углерода и образуя очень тонкую физически адсорбированную пленку воды. В этом случае коэффициент трения может составлять всего 0,05.
2. В условиях вакуума или чрезвычайно сухих газов (например, в космосе или при защите от азота высокой-чистоты):
Водород-содержащий DLC (a-C:H): Потрясающе! В вакууме атомы водорода мигрируют из внутренней части покрытия на поверхность, действуя как самосмазка, снижая коэффициент трения ниже 0,01 (состояние сверх-смазки).
DLC,-без водорода (ta-C): катастрофа! В отсутствие молекул воды и кислорода разорванные углеродные связи (оборванные связи) на поверхности ta-C действуют как крошечные крючки, что делает их очень восприимчивыми к адгезионному износу. Коэффициент трения может взлететь до 0,5 или даже выше, что потенциально может привести к полному заклиниванию.
Последствия применения
Если вы работаете с компонентами вакуумного насоса или механизмами космического корабля, никогда не используйте безводородный -та-C без разбора; водород-содержащий DLC – король.
Если вы изготавливаете режущие инструменты в среде смазочно-охлаждающей жидкости или формуете во влажном воздухе, износостойкость и низкое трение безводородного-та-C вас удивят.
В-четвёртых, итог: как выбрать правильный DLC?
DLC – это не одно покрытие, а семейство покрытий.
Consider hardness requirements: For cutting aluminum alloys and graphite electrodes, extremely high hardness and wear resistance are required ->Выбирайте-свободную от водорода ta-C.
Consider temperature requirements: For operating environments exceeding 350℃ ->Используйте водород-содержащие DLC с осторожностью; рассмотрим серии,-легированные кремнием или-без водорода.
Consider environmental conditions: Vacuum environment -> Hydrogen-containing DLC is a must; Atmospheric environment ->Оба варианта приемлемы, но ta-C более износостойкий-.
Учитывайте цвет: хотя оба они черные, ta-C обычно глянцево-черный (из-за высокого качества поверхности), тогда как обычный магнетронный водород,-содержащий DLC, может быть более серовато-черным или матово-черным.
В технологии PVD нет лучшего покрытия, есть только самое «правильное» покрытие. Понимание влияния окружающей среды на коэффициент трения даст вам лучшее понимание DLC, чем 80% ваших коллег.
