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江门类金刚石DLCDLC涂层加工

来源: 发布时间:2023年01月12日

近年研究发现,以DLC涂层具有很好的生物相容性,它对蛋白质的吸附率高,对血小板的吸附率低,促进材料表面白蛋白和内皮细胞的吸附以及减小血小板吸附,从而减少血液凝固的可能性,使生物组织与植入的人工材料和平相处,不发生排斥反应,可作为人工关节材料、齿科材料、人工骨、人工心瓣材料、手术针和医用导管等的表面涂层。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。涂层刀具是利用气相沉积方法在强度高的硬质合金或高速钢基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获得的。DLC涂层主要有两种方式实现,一种是CVD,化学气相沉积,还有一种是PVD。江门类金刚石DLCDLC涂层加工

“DLC”是英文“DIAMOND-LIKECARBON”一词的缩写。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,基本上可以分为含氢类金刚石(a-C:H)涂层,和无氢类金刚石涂层。含氢DLC涂层的氢含量在20%--50%之间,SP3成分小于70%。无氢DLC涂层中常见的是四面体非晶碳(ta-c)膜,ta-c涂层中以sp3键为主,一般高于70%。DLC薄膜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。DLC涂层的典型应用:1)切削工具:钻头、铣刀、硬质合金刀片(加工非铁类金属)2)金属材料成型模具:凸模、凹模、精密冲裁、压印成型零件3)模具成型:模腔和型芯、顶杆及各类镶件4)引擎部件:阀类、活塞销、顶杆、活塞5)其它零件:轴类、齿轮、轴承、凸轮等本公司引进瑞士专业DLC涂层设备PL1068,采用磁控溅射与PECVD相结合的方式,沉积DLC2(a-C:H)涂层和DLC3(ta-c)涂层。DLC2的硬度在2500HV,摩系数0.2,DLC3涂层的硬度高达6000HV,摩擦系数0.1,优异的性能吸引了众多刀具厂和模具厂的青睐。江门类金刚石DLCDLC涂层加工DLC涂层的部件能很好地实现不影响尺寸下的耐磨及无油润滑等需求。

DLC涂层目前可以通过很多种技术获得,但市面上常用的方法分别是磁控溅射、离子束和电弧技术。实现这三种技术手段依靠的硬件——等离子体源(磁控溅射靶座、离子束源和电弧源),其结构开发设计和装配甚至后续的检验和维护保养等,都是由公司自行完成。星弧应用于活塞环上的DLC主要采用磁控溅射技术和离子束技术多层复合沉积而成。等离子体源在相应的电源和反应气体的共同作用下,将原材料变成大量微观带电的等离子体。这些提供涂层主要成分的等离子体随着镀膜设备内产生的电磁场的分布,有规律地做定向运动,z终在需要沉积的工件位置,逐渐形成宏观可见的、具有一定厚度的涂层。

不同的沉积方法制备的DLC膜硬度及弹性模量差异很大,用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石的DLC膜,用阴极电弧法制备的DLC膜硬度可达50GPa以上,而用离子源结合非平衡磁控溅射法制备的DLC膜硬度达21GPa。膜层内的成分对膜层的硬度有一定的影响, Si、N的掺入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有较高的弹性模量,虽低于金刚石(110GPa),但明显高于一般金属和陶瓷的弹性模量。薄膜的内应力和结合强度是决定薄膜的稳定性和使用寿命,影响薄膜性能的两个重要因素,内应力高和结合强度低的DLC膜容易在应用中产生裂纹、褶皱,甚至脱落,所以制备的DLC膜具有适中的压应力和较高的结合强度。由于过渡层的表面微观结构良好,不会破坏DLC自身的粗糙度,从而保证复合涂层具有较低的摩擦系数。

制备较厚无氢DLC涂层的方法:生产无氢DLC涂层的技术还有待发展,生产超过5微米技术已经比较少见,原因是由于金刚石涂层的硬度高,与基底的结合力问题不好解决,另外沉积过程中金刚石涂层本身的内应力也非常大,所以无氢DLC涂层工艺的难度很高。从生产设备的角度来看,如果需要沉积厚度超过50微米的涂层,涂层本身沉积速率比较低的情况下,需要很长的沉积时间,所以弧源的设计和供气方式都有很高的设计要求。德国研究所设计了一种石墨柱弧的弧源,利用高能量的激光系统,轰击石墨柱弧的表面,在没有离子源辅助沉积的情况下,生产出了厚度超过50微米的纯碳无氢DLC涂层,主要应用在汽车零部件方面,高性能汽车的曲轴、活塞、活塞环、气门顶杆等。该制备方法需要长期在复杂的摩擦条件下可靠工作,需要很高的耐磨和润滑性能,但质量优异,在超过30年的时间里可以免维护。DLC涂层对酸碱的防护能力强,具有很大的应用潜力。江门类金刚石DLCDLC涂层加工

类金刚石涂层的出现为硬质合金刀具的发展提供了新的契机。江门类金刚石DLCDLC涂层加工

dlc涂层的力学性能。a.硬度及弹性模量。不同的沉积方法制备的DLC膜硬度及弹性模量差异很大,用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石的DLC膜[10],广州有色金属研究院用阴极电弧法制备的DLC膜比较高硬度可达50GPa以上,而用离子源结合非平衡磁控溅射法制备的DLC膜硬度达21GPa[11]。膜层内的成分对膜层的硬度有一定的影响,Si、N的掺入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有较高的弹性模量,虽低于金刚石(110GPa),但明显高于一般金属和陶瓷的弹性模量。b.内应力和结合强度。薄膜的内应力和结合强度是决定薄膜的稳定性和使用寿命,影响薄膜性能的两个重要因素,内应力高和结合强度低的DLC膜容易在应用中产生裂纹、褶皱,甚至脱落,所以制备的DLC膜比较好具有适中的压应力和较高的结合强度。大部分研究表明,直接在基体上沉积的DLC膜的膜/基结合强度一般比较低,广州有色金属研究院通过采用Ti/TiN/TiCN/TiC中间梯度过渡层的方法提高DLC膜与基体的结合强度,在模具钢上沉积DLC膜的结合强度达44N-74N[12],制备的膜导总体厚度可达5um。江门类金刚石DLCDLC涂层加工

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