真空DLC类金刚石膜的性能及其在模具上的应用

　　1、前言

 

　　类金刚石，英文为Diamond-like Carbon，简称DLC，它是一类性能非常类似于金刚石的非晶碳膜。它具有和金刚石相似的性能，如高硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高电阻率、良好的声学性能、高的红外透过率等。因此是一种非常有前途的材料。1971年Aisenberg和Chabot首先报道了在常温下获得了一种物理化学性能非常接近或类似金刚石的硬制碳膜，由X光衍射推断出这种硬质碳膜存在着晶格结构类似于金刚石的微晶区，他们称它为类金刚石（DLC）膜。实际上，在自然状态下碳存在着两种晶态单质，一种是四面体SP3键的金刚石晶体结构，另一种是层状结构SP2键的石墨晶体。而类金刚石就是含有SP3和SP2两种键混杂的非晶碳材料。随着研究的深入，人们发现不仅类金刚石具有非常优异的各种性能，而且可以通过目前拥有的各种物理气相沉积方法获得，包括磁控溅射、电弧离子镀、磁过滤阴极电弧镀、离子束沉积、离子束增强沉积、离子源沉积、激光沉积等方法。类金刚石膜和金刚石膜相比，具有制备方法多、面积大、成本低、应用面广等优势。因此类金刚石膜已开始得到广泛的应用，如应用于工具、模具、刮胡刀片、手术刀、汽车零部件（活塞、活塞销、柱塞、门锁等）、滑动运动部件（轴承、齿轮）、硬盘、磁盘保护膜、声学部件（高音喇叭振膜）、光学部件（减反射膜、红外透过膜、玻璃、塑料透明保护膜）、医学部件（心脏瓣膜、关节部件）、电子部件（绝缘电阻、平板发射器）等等。本文主要综述类金刚石膜的机械性能和在工模具上的应用。

 

　　2、类金刚石膜的机械性能

 

　　2.1 硬度

 

　　类金刚石膜的硬度变化范围较大，从Hv1000到HV8000。主要原因是由于类金刚石膜是由SP3和SP2键混合构成的非晶碳膜，一般来说SP3键的含量决定了膜的硬度，SP3键含量越高，膜的硬度也越高。同时由于有的类金刚石中还含有其他元素，如H、F、Ti、W等，这些元素的含量也影响膜的硬度。制备方法不同，所得到的类金刚石膜的硬度差异也较大。我们采用等离子增强的化学气相沉积（PCVD）方法得到的透明类金刚石膜的硬度在HV1000左右，采用离子源和磁控溅射相结合的技术得到的掺Ti的类金刚石膜，其硬度在HV2000左右，而采用电弧离子镀技术制备的类金刚石膜，其硬度可达HV5000以上。目前采用磁过滤的阴极电弧镀技术得到的无H的类金刚石膜，其硬度最大，可达HV8000左右。类金刚石膜较宽的硬度范围使得其应用的适应性较强，你可以根据应用的要求，选择所需要的硬度范围。

 

　　2.2 摩擦系数

 

　　DLC膜具有优异的耐磨性，低的摩擦系数，一般低于0.2，因此是一种优异的表面抗磨损的表面强化薄膜。DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化，其摩擦系数最低可达0.005。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数，但加入H能提高润滑作用，环境也对摩擦系数有一定的影响。但总的来说，DLC膜和传统的硬质薄膜，如TiN、TiCN、TiAlN等相比，在摩擦系数方面具有明显优势，这些传统涂层的摩擦系数都大于0.4。因此DLC有可能在许多摩擦学领域替代这些涂层。DLC膜低的磨损率来自于它低的摩擦系数和交界层的低剪切应力。我们采用离子源和磁控溅射复合技术制备的掺杂Ti的DLC的摩擦系数，大约为0.16左右。

 

　　2.3 表面状态

 

　　DLC膜表面一般比较光洁，对基材的表面光洁度没有太大的影响，但随着膜厚的增加，表面光洁度会下降。不同的工艺所得到的DLC膜的光洁度是不同的。一般采用磁过滤阴极电弧镀技术、磁控溅射技术、离子源技术、PCVD技术所制备的DLC膜表面很光洁，采用电弧离子镀技术制备的DLC膜，由于存在大的碳颗粒而降低了表面光洁度。我们采用不同的技术制备的DLC膜，表面光洁度还是存在较大的差异，离子源技术明显优于电弧离子镀技术。

 

　　2.4 结合强度

 

　　任何膜层和基材都存在结合强度的问题，同时结合强度是一个非常复杂的问题，受许多因素的影响。一般来说，DLC膜与基材的结合强度较差，这主要是由于DLC含有较高的热应力和本征应力造成的。因此很少有在基材上直接沉积DLC膜的。一般都采用过渡层技术或掺杂金属的办法来提高DLC膜与基材的结合强度。目前结合强度的问题已得到解决，已完全能满足实际的要求。我们曾设计了Ti/TiN/TiCN/DLC这样的过渡层，已大大提高了膜/基结合强度。目前我们已能制备总体厚度达5!m的DLC膜层。

 

　　2.5 热稳定性

 

　　由于DLC属亚稳态的材料，因此其热稳定性较差，一般在400℃开始向石墨转变，这大大限制了DLC膜的应用。为此，人们开展了大量的研究工作，试图提高它的热稳定性。通过大量研究，人们发现掺杂其他元素的办法可以提高其热稳定性。有实验表明：掺杂Si可以明显改善DLC膜的热稳定性，含20%Si的DLC膜在740℃时才出现SP3向SP2的转化。同样掺杂金属W、Ti也可提高DLC膜的热稳定性。

 

　　2.6 表面抗粘结性

 

　　DLC膜有很好的抗粘结性，特别是对有色金属、如铜、铝、锌等，对塑料、橡胶、陶瓷等也有抗粘结性。

 

　　2.7 杨氏模量

 

　　DLC膜具有较高的杨氏模量，虽然明显低于金刚石的杨氏模量（1100Gpa），但高于一般金属和陶瓷的杨氏模量。由于制备技术的不同和掺杂元素含量的差异，其杨氏模量的变化范围较大。

 

　　2.8 耐腐蚀性

 

　　纯DLC膜具有优异的耐蚀性，各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺杂有其他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降，这是因为掺杂的元素首先被侵蚀，从而破坏了膜的连续性。虽然DLC具有极好的耐蚀性，但它作为耐蚀涂层还存在一些问题，主要是由于膜层较薄，膜层中细小的针孔可能是贯穿的，从而使腐蚀介质通过这些针孔达到基材而将其腐蚀。

 

　　总之，通过上述DLC膜性能的描述，我们确信DLC膜是一种工模具表面强化的优异涂层材料。

 

　　3、DLC膜在工模具上的应用

 

　　3.1 钻头、铣刀

 

　　DLC膜可以应用钻头和铣刀上，特别是掺杂金属的DLC膜，它不仅具有高的硬度，还具有低的摩擦系数、抗有色金属粘结。荷兰的Hauzer公司制备的TiAlN+W-C:H涂层（顶层为掺杂W的DLC），在铣削钢材时，其性能明显优于单层的TiAlN。铣刀寿命长、工件温度降低、粗糙度降低。在加工铝合金和铜合金时，具有刀具寿命长、抗金属粘结、增加光洁度的效果。

 

　　3.2 光盘模具

 

　　光盘模具是生产CD、CDR的重要工具，为了减少它与母盘（镍盘）的摩擦，希望光盘模具表面光滑且摩擦系数小，以前采用TiN涂层，但由于TiN涂层的摩擦系数较高，约0.6左右，因此，光盘模具的使用寿命仍然不高。目前日本、新加坡采用DLC涂层，大大提高了光盘模具的寿命和盘片的质量。我们制备的DLC涂层也开始应用于该领域，并取得了成功。图1为我院制备的DLC涂层光盘模具，其寿命已达到可开启400万次。

 

　　3.3 冲模

 

　　由于DLC膜与有色金属、塑料等材料不易粘着，因此，在有色金属冲孔、翻边、裁断等方面有优势，不易产生毛刺、划痕等，可用于各类凸模、裁断刀等。如印刷用PS板的裁断、铝合金板翻边等。图2是我院制备的DLC膜强化的空调器翻边凸模，其寿命已延长了3倍以上，冲数达800万次以上。

 

　　3.4 陶瓷粉末成型模具

 

　　陶瓷模具是将各种陶瓷粉末与粘合剂一道通过高压成型，镀有DLC膜的模具可防止陶瓷粉末的粘结、硬质合金中钴的脱落，从而保证模具成型面的镜面效果，同时延长使用寿命。

 

　　3.5 塑胶成型模具

 

　　对ABS、PA、PE、PS、PVC、PET等塑胶射出成型动模、镶件等进行DLC处理，可提高脱模性、耐磨性等。

 

　　3.6 引线框弯曲模具

 

　　在锡焊半导体引线框弯曲加工方面，存在模具清洁周期长等问题，采用DLC膜处理模具后，使模具上的凝固物易于清洗，从而使清洁周期缩短，有报道称变为原来的1/4，同时降低了生产成本。

 

　　3.7 玻璃镜片成型模具

 

　　将DLC膜沉积在玻璃模具上，可作为防止熔融玻璃在模具上熔结的脱模剂，从而延长模具使用寿命、提高玻片质量。

 

　　3.8 镁合金加工模具

 

　　基于轻量化以及循环经济的考虑，镁合金由于具有这两个特点而受到青睐，其用量日益增加，在家用电器、笔记本电脑外壳、汽车部件等上得到应用。对镁合金板材温轧深加工模具进行DLC镀膜，即使在无润滑、低润滑的条件下，也可防止镁合金的粘着。是DLC膜今后应用开发的方向。

 

　　4、结束语

 

　　总之，由于DLC膜及其改性的DLC膜具有许多非常优异的性能，在工模具领域有着广阔的应用前景，目前已在发达国家，如日本、德国、美国、新加坡等国家得到较为广泛的应用。在我国虽然其应用才刚刚开始，但由于中国已成为世界制造业重要基地，其工模具的使用量在不断扩大，对质量的要求也在不断提高。因此，DLC膜的应用在我国必将得到更广泛的应用。当然，为了推广DLC膜的应用，还必须解决以下问题：
①进一步提高DLC膜的耐温性能；
②进一步降低其生产成本；
③根据需要，可有效控制DLC膜的性能；④加大DLC膜的宣传力度。

作者： 代明江 林松盛 候惠君 李洪武