真空DLC類金剛石膜的性能及其在模具上的應用
發布時間：2022-02-10
1、前言
類金剛石，英文為Diamond-like Carbon，簡稱DLC，它是一類性能非常類似于金剛石的非晶碳膜。它具有和金剛石相似的性能，如高硬度、低摩擦系數、高彈性模量、高電阻率、良好的聲學性能、高的紅外透過率等。因此是一種非常有前途的材料。1971年Aisenberg和Chabot首先報道了在常溫下獲得了一種物理化學性能非常接近或類似金剛石的硬制碳膜，由X光衍射推斷出這種硬質碳膜存在著晶格結構類似于金剛石的微晶區，他們稱它為類金剛石（DLC）膜。實際上，在自然狀態下碳存在著兩種晶態單質，一種是四面體SP3鍵的金剛石晶體結構，另一種是層狀結構SP2鍵的石墨晶體。而類金剛石就是含有SP3和SP2兩種鍵混雜的非晶碳材料。隨著研究的深入，人們發現不僅類金剛石具有非常優異的各種性能，而且可以通過目前擁有的各種物理氣相沉積方法獲得，包括磁控濺射、電弧離子鍍、磁過濾陰極電弧鍍、離子束沉積、離子束增強沉積、離子源沉積、激光沉積等方法。類金剛石膜和金剛石膜相比，具有制備方法多、面積大、成本低、應用面廣等優勢。因此類金剛石膜已開始得到廣泛的應用，如應用于工具、模具、刮胡刀片、手術刀、汽車零部件（活塞、活塞銷、柱塞、門鎖等）、滑動運動部件（軸承、齒輪）、硬盤、磁盤保護膜、聲學部件（高音喇叭振膜）、光學部件（減反射膜、紅外透過膜、玻璃、塑料透明保護膜）、醫學部件（心臟瓣膜、關節部件）、電子部件（絕緣電阻、平板發射器）等等。本文主要綜述類金剛石膜的機械性能和在工模具上的應用。
2、類金剛石膜的機械性能
2.1 硬度
類金剛石膜的硬度變化范圍較大，從Hv1000到HV8000。主要原因是由于類金剛石膜是由SP3和SP2鍵混合構成的非晶碳膜，一般來說SP3鍵的含量決定了膜的硬度，SP3鍵含量越高，膜的硬度也越高。同時由于有的類金剛石中還含有其他元素，如H、F、Ti、W等，這些元素的含量也影響膜的硬度。制備方法不同，所得到的類金剛石膜的硬度差異也較大。我們采用等離子增強的化學氣相沉積（PCVD）方法得到的透明類金剛石膜的硬度在HV1000左右，采用離子源和磁控濺射相結合的技術得到的摻Ti的類金剛石膜，其硬度在HV2000左右，而采用電弧離子鍍技術制備的類金剛石膜，其硬度可達HV5000以上。目前采用磁過濾的陰極電弧鍍技術得到的無H的類金剛石膜，其硬度最大，可達HV8000左右。類金剛石膜較寬的硬度范圍使得其應用的適應性較強，你可以根據應用的要求，選擇所需要的硬度范圍。
2.2 摩擦系數
DLC膜具有優異的耐磨性，低的摩擦系數，一般低于0.2，因此是一種優異的表面抗磨損的表面強化薄膜。DLC的摩擦系數隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數最低可達0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦系數，但加入H能提高潤滑作用，環境也對摩擦系數有一定的影響。但總的來說，DLC膜和傳統的硬質薄膜，如TiN、TiCN、TiAlN等相比，在摩擦系數方面具有明顯優勢，這些傳統涂層的摩擦系數都大于0.4。因此DLC有可能在許多摩擦學領域替代這些涂層。DLC膜低的磨損率來自于它低的摩擦系數和交界層的低剪切應力。我們采用離子源和磁控濺射復合技術制備的摻雜Ti的DLC的摩擦系數，大約為0.16左右。
2.3 表面狀態
DLC膜表面一般比較光潔，對基材的表面光潔度沒有太大的影響，但隨著膜厚的增加，表面光潔度會下降。不同的工藝所得到的DLC膜的光潔度是不同的。一般采用磁過濾陰極電弧鍍技術、磁控濺射技術、離子源技術、PCVD技術所制備的DLC膜表面很光潔，采用電弧離子鍍技術制備的DLC膜，由于存在大的碳顆粒而降低了表面光潔度。我們采用不同的技術制備的DLC膜，表面光潔度還是存在較大的差異，離子源技術明顯優于電弧離子鍍技術。
2.4 結合強度
任何膜層和基材都存在結合強度的問題，同時結合強度是一個非常復雜的問題，受許多因素的影響。一般來說，DLC膜與基材的結合強度較差，這主要是由于DLC含有較高的熱應力和本征應力造成的。因此很少有在基材上直接沉積DLC膜的。一般都采用過渡層技術或摻雜金屬的辦法來提高DLC膜與基材的結合強度。目前結合強度的問題已得到解決，已完全能滿足實際的要求。我們曾設計了Ti/TiN/TiCN/DLC這樣的過渡層，已大大提高了膜/基結合強度。目前我們已能制備總體厚度達5!m的DLC膜層。
2.5 熱穩定性
由于DLC屬亞穩態的材料，因此其熱穩定性較差，一般在400℃開始向石墨轉變，這大大限制了DLC膜的應用。為此，人們開展了大量的研究工作，試圖提高它的熱穩定性。通過大量研究，人們發現摻雜其他元素的辦法可以提高其熱穩定性。有實驗表明：摻雜Si可以明顯改善DLC膜的熱穩定性，含20%Si的DLC膜在740℃時才出現SP3向SP2的轉化。同樣摻雜金屬W、Ti也可提高DLC膜的熱穩定性。
2.6 表面抗粘結性
DLC膜有很好的抗粘結性，特別是對有色金屬、如銅、鋁、鋅等，對塑料、橡膠、陶瓷等也有抗粘結性。
2.7 楊氏模量
DLC膜具有較高的楊氏模量，雖然明顯低于金剛石的楊氏模量（1100Gpa），但高于一般金屬和陶瓷的楊氏模量。由于制備技術的不同和摻雜元素含量的差異，其楊氏模量的變化范圍較大。
2.8 耐腐蝕性
純DLC膜具有優異的耐蝕性，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，這是因為摻雜的元素首先被侵蝕，從而破壞了膜的連續性。雖然DLC具有極好的耐蝕性，但它作為耐蝕涂層還存在一些問題，主要是由于膜層較薄，膜層中細小的針孔可能是貫穿的，從而使腐蝕介質通過這些針孔達到基材而將其腐蝕。
總之，通過上述DLC膜性能的描述，我們確信DLC膜是一種工模具表面強化的優異涂層材料。
3、DLC膜在工模具上的應用
3.1 鉆頭、銑刀
DLC膜可以應用鉆頭和銑刀上，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、抗有色金屬粘結。荷蘭的Hauzer公司制備的TiAlN+W-C:H涂層（頂層為摻雜W的DLC），在銑削鋼材時，其性能明顯優于單層的TiAlN。銑刀壽命長、工件溫度降低、粗糙度降低。在加工鋁合金和銅合金時，具有刀具壽命長、抗金屬粘結、增加光潔度的效果。
3.2 光盤模具
光盤模具是生產CD、CDR的重要工具，為了減少它與母盤（鎳盤）的摩擦，希望光盤模具表面光滑且摩擦系數小，以前采用TiN涂層，但由于TiN涂層的摩擦系數較高，約0.6左右，因此，光盤模具的使用壽命仍然不高。目前日本、新加坡采用DLC涂層，大大提高了光盤模具的壽命和盤片的質量。我們制備的DLC涂層也開始應用于該領域，并取得了成功。圖1為我院制備的DLC涂層光盤模具，其壽命已達到可開啟400萬次。
3.3 沖模
由于DLC膜與有色金屬、塑料等材料不易粘著，因此，在有色金屬沖孔、翻邊、裁斷等方面有優勢，不易產生毛刺、劃痕等，可用于各類凸模、裁斷刀等。如印刷用PS板的裁斷、鋁合金板翻邊等。圖2是我院制備的DLC膜強化的空調器翻邊凸模，其壽命已延長了3倍以上，沖數達800萬次以上。
3.4 陶瓷粉末成型模具
陶瓷模具是將各種陶瓷粉末與粘合劑一道通過高壓成型，鍍有DLC膜的模具可防止陶瓷粉末的粘結、硬質合金中鈷的脫落，從而保證模具成型面的鏡面效果，同時延長使用壽命。
3.5 塑膠成型模具
對ABS、PA、PE、PS、PVC、PET等塑膠射出成型動模、鑲件等進行DLC處理，可提高脫模性、耐磨性等。
3.6 引線框彎曲模具
在錫焊半導體引線框彎曲加工方面，存在模具清潔周期長等問題，采用DLC膜處理模具后，使模具上的凝固物易于清洗，從而使清潔周期縮短，有報道稱變為原來的1/4，同時降低了生產成本。
3.7 玻璃鏡片成型模具
將DLC膜沉積在玻璃模具上，可作為防止熔融玻璃在模具上熔結的脫模劑，從而延長模具使用壽命、提高玻片質量。
3.8 鎂合金加工模具
基于輕量化以及循環經濟的考慮，鎂合金由于具有這兩個特點而受到青睞，其用量日益增加，在家用電器、筆記本電腦外殼、汽車部件等上得到應用。對鎂合金板材溫軋深加工模具進行DLC鍍膜，即使在無潤滑、低潤滑的條件下，也可防止鎂合金的粘著。是DLC膜今后應用開發的方向。
4、結束語
總之，由于DLC膜及其改性的DLC膜具有許多非常優異的性能，在工模具領域有著廣闊的應用前景，目前已在發達國家，如日本、德國、美國、新加坡等國家得到較為廣泛的應用。在我國雖然其應用才剛剛開始，但由于中國已成為世界制造業重要基地，其工模具的使用量在不斷擴大，對質量的要求也在不斷提高。因此，DLC膜的應用在我國必將得到更廣泛的應用。當然，為了推廣DLC膜的應用，還必須解決以下問題：
①進一步提高DLC膜的耐溫性能；
②進一步降低其生產成本；
③根據需要，可有效控制DLC膜的性能；④加大DLC膜的宣傳力度。
①進一步提高DLC膜的耐溫性能；
②進一步降低其生產成本；
③根據需要，可有效控制DLC膜的性能；④加大DLC膜的宣傳力度。
作者： 代明江 林松盛 候惠君 李洪武
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