Powłoki DLC - co to jest?

Chromowanie przez wiele dziesięcioleci stanowiło popularną metodę dekorowania i zabezpieczania powierzchni przedmiotów metalowych. Od 2007 roku jest ono zabronione w przemyśle motoryzacyjnym, stąd poszukiwanie alternatywy, którą okazał się diamentopodobny węgiel DLC.

Elementy metalowe pokrywane warstwą srebrzystego, lśniącego jak lustro chromu przez długie lata stanowiły ważny składnik designu samochodów. Po wejściu do Unii Europejskiej Polska musiała dostosować się do ogólnych, obowiązujących na terenie wszystkich krajów unijnych, przepisów. Wiele z nich reguluje proces przetwarzania i zagospodarowywania odpadów, w tym także recykling samochodów. Opublikowana w 2000 roku dyrektywa dotycząca recyklingu złomowanych pojazdów spalinowych, w celu jego ułatwienia, ogranicza zastosowanie metali ciężkich, takich jak: ołów, kadm, rtęć i chrom. Problem dotyczy chromu 6-wartościowego, uznanego za toksyczny, a powszechnie stosowanego do taniej pasywacji. Chromowanie było powszechne również w innych dziedzinach, w tym w produkcji nierdzewnych narzędzi medycznych. Ograniczenie produkcji tego pierwiastka stawia pytanie o to, co zastąpi popularny, niedrogi metal i z czego będą powstawać antykorozyjne powłoki galwaniczne dla motoryzacji.

Materiał zastępujący chrom VI już pojawił się na rynku, a nawet od pewnego czasu jest stosowany w tworzeniu powłok antykorozyjnych. Takie powłoki wykonuje się metodą plazmową, a w medycynie są one stosowane od wielu lat. Powłoki DLC (DiamondLike Carbon), poza odpornością na korozję, mają jeszcze wiele innych cennych cech, dzięki którym uważane są za technologię przyszłości.

Wyróżnia je między innymi bardzo wysoka twardość, niewiele różniąca się od tej cechującej diamenty, doskonała przywieralność do każdego metalu, a także do szkła, ceramiki, tworzyw sztucznych czy krzemu. Gotowa powłoka ma też bardzo niski współczynnik tarcia i wykazuje odporność na działanie kwasów, zasad oraz innych agresywnych środków chemicznych. Parametry i właściwości fizyczne DLC pozwalają też na wykorzystanie go do pokrywania implantów oraz narzędzi chirurgicznych, a powłoki sprawdzają się w miejscach narażonych na duże tarcie przy minimalnym smarowaniu.

Skontaktuj się z nami już teraz!

Diamentopodobne powłoki węglowe DLC (ang.Diamond Like Carbon) są obecnie przedmiotem szczególnego zainteresowania w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Powłoki te charakteryzują się wysoką odpornością na ścieranie i korozję, wysoką twardością, są obojętne chemicznie oraz biozgodne. Dalsze własności materiałów DLC to duży opór elektryczny, przeźroczystość dla promieniowania podczerwonego oraz wysoka gładkość powierzchni.

Na poziomie atomowym natomiast, pojęcie węgiel diamentopodobny odnosi się do grupy materiałów posiadających zarówno wiązania sp2 (grafitowe) jak i sp3 (diamentowe) pomiędzy atomami węgla tworzącymi strukturę. W zależności od parametrów formowania ilość wiązań sp3 może się zmieniać od kilku do kilkudziesięciu procent. Ze względu na wymienione własności powłoki DLC mogą znaleźć zastosowanie jako powłoki ochronne ruchomych elementów maszyn, czy też jako powłoki ochronne implantów medycznych.

Jedną z technik, która umożliwia formowanie powłok DLC jest depozycja warstw poprzez ablację laserową tarczy grafitowej. W skrócie technika ta oznaczana jest jako metoda PLD (ang. Pulsed Laser Deposition). Formowanie warstw DLC z użyciem wiązki laserowej zostało po raz pierwszy zademonstrowane w roku 1985. W technice PLD wiązka lasera impulsowego uderza w tarczę umieszczoną w komorze próżniowej. W wyniku absorpcji promieniowania laserowego następuje podgrzanie, stopienie i częściowe odparowanie materiału tarczy. Powstałe pary ulegają jonizacji i tworzy się plazma. W plaźmie powstaje fala uderzeniowa, czyli wąski obszar wysokiego ciśnienia i temperatury powstający w wyniku absorpcji promieniowania laserowego przez plazmę. W efekcie następuje ekspansja plazmy, a następnie jej rekondensacja na podłożu i formowanie powłoki. Główne zalety oferowane przez metodę PLD to duża szybkość osadzania warstwy oraz możliwość kontrolowania stosunku wiązań sp2/sp3 w deponowanej warstwie węglowej. Mikrostruktura powłoki zależy bowiem od gęstości mocy i długości fali wiązki laserowej. Parametry te wymagają więc starannego dopasowania. Dla światła 1064 nm istnieje progowa wartość gęstości mocy wynosząca 5×1010 W/cm−2 (kryterium Nagela), powyżej której formowane są węglowe powłoki diamentopodobne o zawartości wiązań sp3 powyżej 80%.

Materiały na bazie węgla stanowią rozległą i stale rozwijającą się grupę materiałów spośród alotropowych odmian węgla o szerokim spektrum właściwości oraz zastosowań.

Węgiel, głównie ze względu na jego zdolność tworzenia różnych wiązań shybrydyzowanych, może przyjmować znaczną ilość form stabilnych. Jedną z najtwardszych odmian stanowią powłoki diamentopodobne DLC (Diamond-Like Carbon). Charakteryzują się one wysokim modułem sprężystości, odpornością na kruche pękanie, wysoką przewodnością cieplną, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej oraz stabilnością chemiczną. Te wyjątkowe cechy sprawiają, że DLC są wykorzystywane w inżynierii powierzchni związanej z tribologią jako materiał stosowany w systemach tribologicznych o niskim współczynniku tarcia i dużej odporności na zużycie przez tarcie. Powłoki DLC mają szerokie zastosowania m.in. w przemyśle samochodowym jako powłoki ochronne części pojazdów, jako nośniki dysków magnetycznych, w optyce, przemyśle kosmicznym oraz w medycynie do produkcji biomateriałów.

Powłoki diamentopodobne DLC można uzyskiwać wieloma technikami PVD i CVD poprzez osadzanie z wykorzystaniem wiązki jonów, reakcyjne nanoszenie pokryć metodą napylania, osadzanie laserem pulsacyjnym (PLD), próżniowe osadzanie z łuku elektrycznego, osadzanie wspomagane plazmą CVD (PACVD) oraz wspomagane łukiem katodowym. Technika PACVD korzysta z zalet CVD równomiernego osadzania warstw na różnych materiałach z równoczesną eliminacją największego mankamentu, jakim jest wysoka temperatura towarzysząca technikom CVD. Na strukturę i właściwości osadzanych powłok znaczący wpływ ma zarówno technika, jak i parametry wytwarzania, zawartość wodoru oraz stosunek wiązań zhybrydyzowanych sp2 i sp3.

Z powodu niskiej reaktywności chemicznej występuje zmniejszenie przyczepności tych powłok do podłoża. Powłoki DLC mają wysokie naprężenia własne, w wyniku których może wystąpić słaba adhezja oraz skłonność do odkształcenia plastycznego. Do sposobów obniżania naprężeń własnych omawianych powłok należą ich domieszkowanie wybranymi pierwiastkami metalicznymi lub niemetalicznymi w celu osiągnięcia założeń funkcjonalnych, tworzenie powłok wielowarstwowych oraz stosowanie międzywarstw. Zastosowanie międzywarstwy pozwala na zachowanie wysokich parametrów eksploatacyjnych powłok oraz znacznie zmniejsza naprężenia w porównaniu z powłokami o strukturze składającej się z pojedynczej warstwy . Poprzez dobór kombinacji materiału i optymalnych parametrów osadzania powłok istotnie możemy wpływać na uzyskanie powłok o żądanych właściwościach.

W przypadku tłoków i korbowodów dzięki zastosowaniu sworzni tłokowych z powłokami DLC można zrezygnować z panewek łożysk. Można poza tym realizować problematyczne połączenia ślizgowe, gdzie oba elementy współpra cujące wykonane są ze stali. Rozwiązanie to stosuje się już z powodzeniem w tło kach stalowych albo bezpanewkowych korbowodach spiekowych.

Powłoki DLC odznaczają się ekstremalnie twardą powierzchnią, która jest znacznie twardsza od powierzchni wysokohartowanych gatunków stali. Poza tym powłoki DLC są bardzo elastyczne i mogą przyjmować siły deformujące w sposób odwracalny. Grubość powłoki wynosi do 2 μm przy niezwykle niskim współczynniku tarcia ślizgowego równym 0,1. Maksymalna dopuszczalna temperatura części wynosi ok. 450°C.

Powłoki węglowe podobne do diamentu (DLC) doskonale nadają się do najbardziej ekstremalnych warunków pracy i do wysokich prędkości posuwu, nawet bez smarowania. Dodatkowo pozwalają one zminimalizować straty z powodu tarcia co sprawia, że są idealne do elementów silnika, takich jak układy wtrysku paliwa, rozrządu, tłoki. Liczne inne zastosowania, od pomp i kompresorów do koszyków łożysk i rolek, i od maszyn tekstylnych do technologii medycznej, również wykorzystują doskonałe właściwości ślizgowe powłok DLC.

BALINIT® DLC doskonałe zabezpiecza przed ścieraniem, trybo-utlenianiem oraz zużyciem adhezyjnym, jednocześnie umożliwiając przenoszenie wysokich obciążeń powierzchniowych, które często powodują erozję powierzchni (scuffing) i zgrzewanie na zimno (narosty).

Węgiel amorficzny to mieszanina wiązań sp3, sp2 oraz sp1. Dodatkowo, cienkie warstwy amorficznego węgla- warstwy diamentopodobne DLC, mogą zawierać wodór.

Struktura amorficznego węgla jest różnorodna, a właściwości zależą od sposobu wytwarzania. Bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości warstw węglowych jest także stosunek wiązań sp2, które występują w graficie do wiązań sp3, zawartych w strukturze diamentu. Węgiel amorficzny posiadający diamentowe wiązania sp3 rozpowszechniony jest jako DLC. 

W dzisiejszej nauce i technologii znaczącą rolę odgrywają materiały bazujące na węglu, który może krystalizować w diamentowe lub grafitowe formy. Materiały węglowe dzięki unikatowym właściwościom znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach.

Do najistotniejszych zalet należą:

  • mała gęstość;
  • bardzo duża odporność na promieniowanie elektromagnetyczne;
  • dobra odporność termiczna;
  • dobra biotolerancja;
  • odporność na oddziaływanie kwaśnych i alkalicznych ośrodków zarówno ciekłych jak i gazowych.

Ze względu na swe szczególne właściwości powłoki diamentopodobne DLC znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w przemyśle:

  • elektronicznym jako warstwy ochronne magnetycznych dysków twardych, a także matryc nośników CD i DVD;
  • samochodowym jako elementy silnika: pierścienie tłokowe, sworzeń tłokowy, elementy sprzęgła, elementy pomp paliwowych: tłoki, podkładki, tuleje, zawory iglicowe;
  • tekstylnym jako pokrycia elementów maszyn;
  • w medycynie: na elementy mające kontakt z krwią: układ sercowo-naczyniowy (zastawki, stenty, pompy krwi) oraz jako wszczepy ortopedyczne: implanty stawów biodrowych, kolanowych, ramieniowych.
  • Są również stosowane przy formowaniu wtryskowym jako pokrycia matryc oraz jako pokrycia mikro/nanomechanizmów.

Projekt i Realizacja: WiDI ART Studio