Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> a-C:H - OD POLYMERŮ PO TVRDÉ OTĚRUVZDORNÉ VRSTVY
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

a-C:H - OD POLYMERŮ PO TVRDÉ OTĚRUVZDORNÉ VRSTVY

Nadpis by mohl budit zdání, že se hodláme zabývat povlaky zahrnujícími jak polymery, tak i tvrdé otěruvzdorné vrstvy. Ve skutečnosti se ale jedná o stále stejné amorfní uhlovodíkové vrstvy, označované jako a-C:H, které svými vlastnostmi pokrývají celou tuto oblast. Vytvářejí se většinou z uhlovodíkových plynů plazmovými technologiemi, kde jedním z rozhodujících parametrů je energie iontů během depozice [1].

V praxi to znamená, že ve stejném depozičním systému a za shodných depozičních podmínek je možné pouhou změnou energie iontů deponovat vrstvy s výrazně odlišnou strukturou. Relativně měkké, polymerům podobné a-C:H vrstvy rostou pod iontovým bombardem s nízkou energií a obsahují více než 60 % vodíku. Naopak tvrdé a-C:H vrstvy, známé pod označením DLC (Diamond Like Carbon), rostou pod iontovým bombardem s vysokou energií (> 100 eV) a obsahují od 10 % do 35 % vodíku. Název "diamond like" (diamantu podobné) vznikl z charakteristických vlastností těchto vrstev, které připomínají vlastnosti diamantu (optické, elektrické, chemické, tribologické), a to především díky trojným vazbám mezi uhlíky (sp3). Navíc k těmto vrstvám můžeme ještě přiřadit vrstvy bez obsahu vodíku, amorfní uhlík a-C a tetrahedrální amorfní uhlík ta-C. Protože z uhlovodíkových vrstev nacházejí DLC vrstvy v poslední době stále větší uplatnění, zaměříme se podrobněji na jejich vlastnosti.

Vlastnosti DLC vrstev

Mezi základní parametry, které určují vlastnosti DLC vrstev, patří kromě poměru uhlíku a vodíku také množství a typ vazeb mezi uhlíkem a vodíkem, koncentrace vazeb sp3, sp2 a sp1, popřípadě zda jsou vrstvy dopované ještě jinými prvky. Nicméně vlastnosti charakteristické pro DLC vrstvy jsou následující:
  • metastabilní amorfní materiál;
  • a-C:H obsahují 10 - 60 % vodíku;
  • více než 50 % celkového množství vodíku může být nevázané;
  • vysoká tvrdost (10 - 60 GPa);
  • vysoké vnitřní tlakové pnutí (do 10 GPa);
  • nízký koeficient tření (<0,1);
  • vysoká otěruvzdornost (do 10-7 mm3.Nm-1);
  • chemická odolnost;
  • vysoký elektrický odpor (1016 ?cm);
  • optická transparentnost ve viditelném a infračerveném spektru.
  • Depoziční techniky

    Pro depozici DLC vrstev se v průmyslovém měřítku používají techniky založené na procesu PVD (Physical Vapour Deposition) a PACVD (Plasma Activated Chemical Vapour Deposition). Mezi nejvíce používané PVD metody patří katodové obloukové odpařování a magnetronové naprašování. Odpařovaná nebo odprašovaná je katoda, kterou tvoří uhlíkový terč, a jako pracovní plyn se většinou používá argon. U PACVD metod patří mezi nejvíce užívané RF výboje (kapacitní a induktivní), DC (pulzní) výboje a mikrovlnné výboje, kde se pro přípravu vrstev používají uhlovodíkové plyny (acetylen, metan atd.). Depoziční teplota vrstev se pohybuje od pokojové až po teplotu 250 °C (při vyšších teplotách může docházet ke grafitizaci).

    Aplikace DLC vrstev

    Unikátní vlastnosti DLC vrstev a jejich modifikace, společně s možností nastavit požadované vlastnosti změnou depozičních parametrů, umožnily jejich rozšíření do oblastí, ve kterých doposud selhávají běžně používané povlaky, a pomalu se stávají standardním řešením v některých průmyslových odvětvích:
  • automobilový průmysl (motorové části, hydraulické části, části vstřikování paliva, díly vyžadující nízké tření);
  • strojírenství (vstřikovací formy, textilní stroje, tiskařské stroje);
  • lékařství (implantáty, nástroje);
  • optika (lasery, architektonická skla);
  • elektronika (ochranný a samomazný povlak pevných disků, izolační vrstva v mikroelektronice).
  • Nevýhody a jejich potlačení

    Použití DLC vrstev nemusí být vždy úspěšné. Abychom mohli plně využít jejich vlastností, musíme znát také faktory, které je mohou negativně ovlivňovat. Záleží především na okolní atmosféře, která výrazně ovlivňuje třecí vlastnosti DLC vrstev. Také skutečnost, že DLC vrstvy jsou chemicky odolné, nemusí jednoznačně zajistit ochranu povlakovaného materiálu před korozí. Tvrdé vrstvy jsou více náchylné k defektům způsobeným pnutím ve vrstvě, které mohou naopak korozi urychlit. Proto se z důvodu snížení pnutí vrstvy dopují například dusíkem (NDLC), křemíkem (SiDLC) nebo atomy kovu (MeDLC), popřípadě se dopují fluorem (FDLC), který snižuje povrchovou energii vrstev a tím i koeficient tření.

    Odstraňování opotřebených povlaků

    Nezbytným doplňkem plazmových technologií je i odstraňování opotřebených vrstev a to bez poškození povrchu povlakované součásti. Týká se to především obráběcích nástrojů, které se po opotřebení znovu přebrušují a povlakují. Běžně používané tvrdé povlaky jako je TiN, TiAlN, TiCN nebo CrN, se obvykle odstraňují v chemických lázních. To ale neplatí pro DLC vrstvy, které jsou při pokojové teplotě chemicky inertní prakticky ve všech rozpouštědlech. Odolávají kyselinám i organickým rozpouštědlům, nenaruší je ani silné směsi kyselin. Proto jsou vhodné jako ideální ochrana proti korozi. K odstranění DLC vrstev se používají metody založené například na reaktivním plazmovém leptání nebo se k jejich odstranění využívá pulzního iontového svazku. V obou případech se ale jedná o nákladné metody. I přes svoji chemickou odolnost DLC vrstev se firmě HVM Plasma podařilo vyvinout metodu založenou na chemickém odstraňování povlaků, kterou nabízí kromě svých již běžně používaných chemických metod určených pro stahování většiny typů tvrdých vrstev a to i z nástrojů ze spékaných karbidů, u kterých hrozí nebezpečí odleptání kobaltu z jejich povrchu.
    Z uvedených vlastností DLC vrstev vyplývá, že při jejich průmyslové aplikaci nelze postupovat stejně jako u běžně používaných tvrdých vrstev, ale je nutné vlastnosti vrstev optimalizovat v závislosti na jejich pracovních podmínkách a účelu použití. V případě zájmu je možné více informací získat u pražské firmy HVM Plasma, spol. s r. o., která se problematikou DLC vrstev zabývá.

    Další články

    Technologie pro povrchové úpravy

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: