光潤(rùn)--淺談DLC薄膜及運(yùn)用

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世界能源的1/2-1/3消耗于摩擦，機(jī)械零件80％失效原因是磨損；因此磨損是材料研究的重要命題；耐磨、減摩材料開發(fā)活躍，成為摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)。摩擦學(xué)包括摩擦、磨損和潤(rùn)滑三部分。

自從上世紀(jì)70年代DLC薄膜問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和探索，逐漸形成了現(xiàn)在的物理沉積和化學(xué)氣相沉積的DLC(類金剛石涂層）薄膜。早期的涂層以硬度作為主要指標(biāo)，往往追求高硬度以獲得較好的抗磨性能。但是這些鍍層的摩擦系數(shù)普遍較高，以TiN為例其摩擦系數(shù)在干摩擦狀態(tài)下一般在0.4以上。高硬度的薄膜往往具有較大的脆性，易剝落、開裂。當(dāng)前涂層面臨的挑戰(zhàn)不僅應(yīng)具有長(zhǎng)的使用壽命而且有很好的自潤(rùn)滑功能。近年來，在保證鍍層具有高硬度的前提下減小鍍層摩擦系數(shù)的研究成為熱點(diǎn)，耐磨減摩鍍層的概念也隨之引入。

DLC膜的性能
“DLC”是英文“DIAMOND-LIKE CARBON”的縮寫。DLC是一種由碳元素構(gòu)成、在性質(zhì)上和鉆石類似，同時(shí)又具有石墨原子組成結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。類金剛石薄膜（DLC）是一種非晶態(tài)薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量，低摩擦因數(shù)，耐磨損以及良好的真空摩擦學(xué)特性，很適合于作為耐磨涂層，從而引起了摩擦學(xué)界的重視。目前制備DLC薄膜的方法很多，不同的制備方法所用的碳源以及到達(dá)基體表面的離子能量不同，沉積的DLC 膜的結(jié)構(gòu)和性能存在很大差別，摩擦學(xué)性能也不相同。

根據(jù)2005年德國(guó)工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的“碳涂層”標(biāo)準(zhǔn)，DLC薄膜主要分為以下七類：

a-C：非晶碳

ta-C：四面體非晶碳

a-C:Me（Me=W /Ti/Mo/Al等金屬）：金屬摻雜非晶碳

a-C:H：含氫非晶碳

ta-C:H：四面體形含氫非晶碳

a-C:H:Me（Me=W /Ti/Mo/Al等金屬）：金屬摻雜含氫非晶碳

a-C:H:X（X=Si/O/N/F/B等）：改性含氫非晶碳

DLC形式的碳膜因其高硬度、低摩擦系數(shù)成為一種具有應(yīng)用前景的鍍層，但其通常具有較高的內(nèi)應(yīng)力因而薄膜沉積的厚度受到限制。類金剛石薄膜通常又被人們稱為DLC薄膜，是英文詞匯Diamond Like Carbon的簡(jiǎn)稱，它是一類性質(zhì)近似于金剛石，具有高硬度，高電阻率。良好光學(xué)性能等，同時(shí)又具有自身獨(dú)特摩擦學(xué)特性的非晶碳薄膜。主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵，而在含氫的DLC膜中還存在一定數(shù)量的C-H鍵。了它作為刀具對(duì)鋼鐵材料的加工應(yīng)用。以sp2雜化為主的高硬度類石墨膜，具有較高的硬度，又有低的摩擦系數(shù)，內(nèi)應(yīng)力比較小，因而可以沉積相對(duì)較厚的膜層，在與鋼鐵材料接觸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)觸媒反應(yīng)，是一種優(yōu)異的抗磨減摩鍍層。

DLC膜是一種共價(jià)鍵形式的非晶碳材料，它主要以SP2和SP3兩種雜化方式存在，而DLC膜的性質(zhì)也主要由SP2和SP3鍵的相對(duì)含量所決定，由于SP3鍵的含量變化范圍寬，在不同工藝條件下制備的DLC膜的性能也有所不同。

DLC膜的性能包括：低摩擦系數(shù)、高耐磨性、高導(dǎo)熱率、高電阻率、高硬度、良好的光學(xué)透過性和生物相容性，所以現(xiàn)在被應(yīng)用在機(jī)械、汽車、電子、光學(xué)、醫(yī)療等領(lǐng)域。純DLC膜具有優(yōu)異的耐蝕性，各類酸、堿甚至王水都很難侵蝕它。

DLC膜層運(yùn)用
提高材料的耐磨性應(yīng)該從提高硬度，減小摩擦系數(shù)兩個(gè)方面著手。單純提高材料的硬度并不一定使材料的耐磨性有很大的提高。以商用較多的TiN薄膜為例，硬度在20-30GPa，但其摩擦系數(shù)一般在0.5左右，其磨損率在相同試驗(yàn)條件下比DLC膜高一個(gè)數(shù)量級(jí)。TiN薄膜磨損產(chǎn)生的顆粒引起磨粒磨損，加劇磨損的程度。而DLC膜磨損的產(chǎn)物是微小的C，具有固體潤(rùn)滑的作用，能夠減小摩擦系數(shù)，降低比磨損率。

在工具鍍領(lǐng)域我們實(shí)際上主要是利用了DLC的兩大主要性能：

摩擦性能： DLC膜不僅具有優(yōu)異的耐磨性，而且具有很低的摩擦系數(shù)，一般低于0.2，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。DLC的摩擦系數(shù)隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數(shù)較低可達(dá)0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦系數(shù)，但加入H能提高潤(rùn)滑作用，環(huán)境也對(duì)摩擦系數(shù)有一定的影響。但總的來說，DLC膜與傳統(tǒng)的硬質(zhì)薄膜（如上述的TiN、TiC、TiAlN等）相比，在摩擦系數(shù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，這些傳統(tǒng)硬質(zhì)薄膜的摩擦系數(shù)都在0.4以上。 DLC膜在磨損過程中，接觸面存在的摩擦變形在DLC膜表面產(chǎn)生微小的C，從而在摩擦配副的接觸面上形成一層轉(zhuǎn)移膜，使接觸面成為DLC膜的相互對(duì)磨，因而能夠減小摩擦力，提高薄膜的抗磨損性，起到固體潤(rùn)滑的作用。

高硬度DLC膜具有相對(duì)適中的硬度，較低的摩擦系數(shù)、低磨損率和優(yōu)異的抗腐蝕性能。添加Cr元素后，可以調(diào)節(jié)高硬度類石墨膜的硬度和韌性，并能提高膜基結(jié)合強(qiáng)度，Cr含量在一定范圍內(nèi)，膜基結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到非常理想的結(jié)果，而且具有良好的摩擦磨損性能。在一定載荷范圍內(nèi)，類石墨膜的摩擦系數(shù)隨著載荷的提高而降低。DLC膜具有抗磨減摩的特性，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的抗磨減摩鍍層。

耐腐蝕性：純DLC膜具有優(yōu)異的耐蝕性，各類酸、堿甚至王水都很難侵蝕它。但摻雜有其他元素的DLC膜的耐蝕性有所下降，這是由于摻雜的元素首先被侵蝕，從而破壞了膜的連續(xù)性所致。

PVD涂層技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用在活塞環(huán)、缸套、活塞銷、挺桿、凸輪等零件來解決表面性能的需求，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能、環(huán)保、小型化和生物能源應(yīng)用帶來的零件過早失效甚至不能使用的境況。目前，歐美發(fā)達(dá)地區(qū)使用CrN、a-C:H:Me或a-C:H涂層提高零部件的使用性能，如柴油噴射器零部件、活塞環(huán)、齒輪、軸瓦、活塞銷和氣門已成為零件制造環(huán)節(jié)中的重要一部分。

汽車零部件：DLC在發(fā)動(dòng)機(jī)部件成功應(yīng)用的是摻雜金屬的DLC（a-C:H:Me），Me-DLC的典型應(yīng)用是渦輪增壓柴油機(jī)燃油噴射器部件和軸承。Me-DLC涂層硬度在1200～2000Hv之間變化，與鋼干磨摩擦系數(shù)通常在0.1～0.2之間。Me-DLC涂層的抗沖擊疲勞的能力特別地得到了認(rèn)可。

切削刀具：鉆頭、銑刀DLC膜可以應(yīng)用于鉆頭和銑刀上，特別是摻雜金屬的DLC膜，它不僅具有高的硬度，還具有低的摩擦系數(shù)、抗有色金屬粘結(jié)。許多具有延展性的金屬或合金，在切削時(shí)容易出現(xiàn)沾粘刀具現(xiàn)象。高溫時(shí)更與刀具產(chǎn)生反應(yīng)造成加工困難，工具壽命減短。像這類的刀具如鍍上DLC膜后可解決問題。鍍有DLC膜的刀具適合用來加工銅合金、鋁鎂合金、陶瓷、碳化鎢、鉛合金、含碳材料(石墨、塑料及復(fù)合材料、橡膠)等。但由于碳原子會(huì)溶到鐵系材料內(nèi)，因此不適合用來加工含鐵、鈷、鎳等材料。

零部件上的應(yīng)用：DLC膜在許多關(guān)鍵零部件也能發(fā)揮其優(yōu)良的性能，在縫紉機(jī)配件-旋梭上鍍DLC膜替代原來的電鍍硬鉻處理，不但避免了污染環(huán)境的問題，而且，明顯提高工件表面硬度及耐磨性，使用壽命提高了10倍以上，同時(shí)，也因表面膜層摩擦系數(shù)降低后，使機(jī)器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音變小。

鐘表的表帶，機(jī)芯等都可以沉積DLC涂層，達(dá)到耐磨的效果。目前市場(chǎng)上很多鐘表品牌推出了不少DLC系列的產(chǎn)品。

同時(shí)在汽車零部件上活塞環(huán)、缸套、活塞銷、挺桿、凸輪等零件來解決表面性能的需求，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能、環(huán)保、小型化和生物能源應(yīng)用帶來的零件過早失效甚至不能使用的境況。

模具表面上的應(yīng)用：DLC膜具有高硬度、表面平滑、低磨擦系數(shù)、易脫模、耐磨耗、耐酸堿、熱導(dǎo)性佳及低溫制程等特性。材料的高壓沖刷與顆粒很難對(duì)其造成損傷，因而遠(yuǎn)比其它材料更適合應(yīng)用在模具的保護(hù)上，大幅度地增加模具使用壽命。協(xié)助散熱，改善模流性質(zhì)、增加脫膜性、成型率及復(fù)制率，縮短制程時(shí)間、提升產(chǎn)品良率、并減少拆模及清模的時(shí)間及次數(shù)。

特殊的耐腐蝕性應(yīng)用：DLC膜可以在一些特殊的場(chǎng)合作為耐腐蝕性涂層，可以很好的保護(hù)基體。某種類型模具上沉積總厚度為2.5um的DLC膜層后，在100℃的強(qiáng)堿溶液中可以保持10小時(shí)以上不腐蝕。

結(jié)論
DLC膜具有相對(duì)適中的硬度，較低的摩擦系數(shù)、低磨損率和優(yōu)異的抗腐蝕性能。添加Me元素后，可以調(diào)節(jié)高硬度類石墨膜的硬度和韌性，并能提高膜基結(jié)合強(qiáng)度，Me含量在一定范圍內(nèi)，膜基結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到非常理想的結(jié)果，而且具有良好的摩擦磨損性能。在一定載荷范圍內(nèi)，類石墨膜的摩擦系數(shù)隨著載荷的提高而降低。DLC膜具有抗磨減摩的特性，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的抗磨減摩鍍層。

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