RS56836B1 - Deo sa dlc prevlakom i metode za nanošenje dlc prevlake - Google Patents

Description

[0001] Pronalazak se odnosi na tehničku oblast dijamantu sličnih prevlaka DLC (eng. Diamond-like carbon), a naročito onih za frikcione delove.

[0002] Pronalazak ima naročito povoljnu primenu u smanjenju koeficijenta trenja klipova, bregastih osovina, podizača ventila, cilindara, klipnih prstenova itd., na primer i, generalno, u svim slučajevima trenja pod opterećenjem. U cilju smanjenja takvog trenja, oni koji su verzirani u stanju tehnike su savršeno svesni mogućnosti nanošenja DLC prevlaka na deo ili na delove koji su u pitanju.

[0003] Ovaj pronalazak takođe može imati primene u kojima postoji zahtev da površina sa prevlakom ima crnu boju, bez bilo kakvog pokušaja da se smanji trenje.

[0004] Stručnjacima u ovoj oblasti je takođe opšte poznato da slaba adhezija DLC filmova na komponentama u određenim primenama može da predstavlja realan problem. Jedno tehničko rešenje u cilju poboljšanja adhezije podrazumeva korišćenje adhezivnog sloja sa sadržajem metala, npr. na bazi silicijuma ili hroma. Bila su predložena razna tehnička rešenja.

[0005] Dokument WO2011/018252, na primer, opisuje frikcioni deo koji ima prevlaku koja se sastoji od adhezivnog sloja, DLC prevlake koja sadrži metal i DLC prevlake koja ne sadrži metal. Adhezivni sloj je poželjno hromna prevlaka koja ima maksimalnu debljinu od 1 µm dok je DLC prevlaka koja sadrži metal poželjno napravljena od volfram karbida WCC. Odnosi debljina različitih slojeva i prevlaka su ograničeni na određene opsege vrednosti tako da, izvan ovih opsega, ako je debljina DLC suviše mala, radni vek komponente će biti skraćen, a ako je debljina DLC prevelika, komponenta će se prerano habati uz rizik odvajanja prevlake ili njenog ljuspanja.

[0006] Dokument WO0179585 opisuje višeslojni sistem koji ima adhezivni sloj, prelazni sloj i sloj od dijamantu sličnog ugljenika. Adhezivni sloj sadrži elemenat iz 4., 5. ili 6. podgrupe i silicijum dok prelazni sloj sadrži ugljenik i najmanje jedan elemenat iz 4., 5. ili 6. podgrupe i silicijum. Gornji sloj je pretežno izrađen od dijamantu sličnog ugljenika. Sistem ima tvrdoću od najmanje 15 GPa i čvrstoću prijanjanja najmanje HF3.

[0007] Uopšteno govoreći, uočena je delaminacija DLC filma od ovog podsloja, povezana sa unutrašnjim naprezanjima u DLC filmu i ova delaminacija se povećava sa debljinom filma. Takođe je jasno da se ovaj adhezivni podsloj formira u zasebnom koraku, što povećava troškove i čini ovaj postupak komplikovanijim.

[0008] DE102007058356 opisuje metalni deo i postupak njegove proizvodnje, pomenuti deo ima jonski implantacioni podsloj, sloj sa gradijentom sastava WC i DLC površinski sloj. Prema saznanju iz ovog dokumenta, čišćenje (eng. etching) se vrši pomoću jona W<+>i C<+>. Rešenje definisano u DE102007058356 ima nedostatke pre svega zbog jona koji za čišćenje zahtevaju mnogo veće napone nego u slučaju jona argona, tako da ovi joni ne formiraju depozit, tako da se deo dobro čisti.

[0009] Pronalazak je sebi postavio za cilj prevazilaženje ovih nedostataka na jednostavan, pouzdan, efektivan i efikasan način.

[0010] Problem koji pronalazak namerava da reši je proizvodnja DLC filmova koji imaju bolju adhezivnost bez upotrebe metalnog adhezivnog podsloja (npr. silicijuma ili hroma) zasnovanog na saznanju iz prethodnog stanja tehnike.

[0011] U cilju rešavanja ovog problema, dizajniran je i usavršen metalni deo koji ima sloj sa gradijentom sastava WC-C, nema metalni podsloj, i ima DLC površinski sloj koji karakteriše kohezivno ponašanje u skreč testovima.

[0012] Navedeni problem se pogodno rešava postupkom u kojem se:

- deo čisti pomoću mikrotalasa;

- na deo nanosi WC-C sloj sa gradijentom sastava;

- koristi mikrotalasna plazma za nanošenje DLC prevlake na WC-C sloj;

[0013] Mikrotalasno čišćenje omogućava da se, u poređenju sa diodnim čišćenjem, dobije efikasnije čišćenje bez obzira na geometriju dela koji treba da se tretira podešavanjem protoka jona. Takođe je moguće čišćenje delova koji imaju nisku temperaturu otpuštanja bez njihove degradacije. Takođe je primećeno da korišćenje mikrotalasne DLC prevlake omogućava skraćenje vremena procesa aplikacije za oko 50% u poređenju sa konvencionalnom DLC prevlakom.

[0014] Povoljno, proizvodi se argonska plazma za čišćenje sa rasponom pritisaka od 0.05 do 0.5 Pa.

[0015] Prema drugom aspektu, korišćenjem magnetron PVD tehnike se proizvodi WC-C sloj sa gradijentom sastava. Počinje se sa prvim čistim WC slojem, koji prati povećanje protoka ugljovodoničnog gasa kao što je C2H2, nakon čega sledi završni WC-C sloj. Debljina WC-C sloja sa gradijentom sastava je 0.3 do 10 µm, a poželjno je 0.8 µm za većinu aplikacija, osim onih kao što su klipni prstenovi, koji zahtevaju veće debljine.

[0016] Prema drugom aspektu, DLC prevlaka ima debljinu od 1 do 20 µm.

[0017] Pronalazak se takođe odnosi na frikcioni deo koji ima DLC prevlaku nanetu na WC-C sloj sa gradijentom sastava koji mikrotalasno očišćeni deo ima.

[0018] Pronalazak je detaljnije objašnjen dalje u tekstu, uz pozivanje na pripadajuće crteže na kojima:

- Slika 1 prikazuje profil preloma prevlake korišćenjem metode skreč testa.

- Slika 2 prikazuje poprečni presek duž linije AA sa Slike 1 u slučaju adhezivnog ljuspanja prevlake.

- Slika 3 prikazuje poprečni presek duž linije AA sa Slike 1 u slučaju kohezivnog ljuspanja.

- Slika 4 prikazuje poprečni presek duž linije AA sa Slike 1 u slučaju kohezivno/adhezivnog ljuspanja.

[0019] Kao što je naznačeno, stanje tehnike opisuje DLC prevlake koje u svakom slučaju uključuju adhezivni podsloj npr. od čistog Cr, praćen slojem na bazi volfram karbida u kojem se sadržaj ugljenika postepeno povećava do postizanja volframom dopiranog DLC sloja u cilju obezbeđivanja adhezije deponovanog DLC sloja koji nije dopiran metalom.

[0020] U kontekstu ovog pronalaska, sprovedena su ispitivanja kako bi se uporedili rezultati dobijeni proizvodnjom DLC prevlaka sa jednim ili više adhezivnih podslojeva i DLC prevlake koja u skladu sa aspektima ovog pronalaska ne koristi adhezivni sloj.

[0021] Materijali su deponovani na metalne supstrate koji su prethodno bili jonski očišćeni u cilju eliminacije površinskih oksida za poboljšanje adhezije prevlake. Onima koji su verzirani u stanju tehnike su poznate različite tehnologije jonskog čišćenja, naime, prvenstveno: diodno čišćenje, triodno čišćenje plazmom i ECR čišćenje mikrotalasima.

[0022] Diodno čišćenje uključuje primenu negativnog napona od nekoliko stotina volti (<-500V) na supstrate u atmosferi argona pod pritiskom od 1 do 10 Pa. Pod ovim uslovima, se javlja svetlosno pražnjenje oko delova, a pozitivni joni argona u plazmi bombarduju površinu supstrata omogućavajući površinsko raspršivanje i uklanjanje oksida.

[0023] Korišćenjem triodne pojačane plazma tehnologije, pomoću pojačavača plazme se proizvodi gusta argonska plazma na nižem pritisku (0.1 do 1 Pa). Pozitivni joni argona se ubrzavaju negativnom polarizacijom supstrata i oni čiste površinu. Za ovu vrstu postupka, negativni napon mora imati vrednost između -250 V i -500 V kako bi se postigla maksimalna efikasnost čišćenja.

[0024] ECR triodno čišćenje pomoću mikrotalasa omogućava da se proizvede argonska plazma u rasponu pritisaka od 0.05 do 0.5 Pa. Delovi se polarizuju sa negativnim naponom koji je optimalno od -50 V do -250 V.

[0025] Svaka od ovih tehnologija čišćenja je korišćena za ove testove. Nakon čišćenja, adhezivni podsloj od čistog hroma je na nekim od testiranih komada proizveden raspršivanjem pomoću magnetron katode u cilju dobijanja debljine hroma od oko 0.1 do 0.2 µm. Zatim je na sve ispitne komade nanet volfram karbid raspršivanjem pomoću magnetron katode uz postepeno povećanje protoka ugljovodonika koji omogućava da se deponovani ugljenik obogati do atomske koncentracije u višku od 50%, kako bi se omogućila adhezija završne DLC prevlake. Sloj koji sadrži volfram je imao debljinu od oko 0.5 ! m, a DLC sloj je imao debljinu od približno 2 µm, osim primera 9 i 10 u kojima je debljina sloja sa volframom povećana na 1.5 ! m.

[0026] Sledeća tabela sumira uslove testa.

[0027] Sve prevlake su karakterisane u pogledu njihove adhezije. Korišćen je metod zaparavanja (eng. scratch test). Čitalac se podseća da ovaj metod obuhvata zaparavanje površine deponovanog materijala sa dijamantom poput onog koji se koristi za ispitivanje HRC utiskivanjem (eng. Hardness Rockwel C). Primenjuje se opterećenje koje se postepeno povećava, a komad koji se ispituje se ispod dijamanta translatorno pomera konstantnom brzinom. Ovo omogućava da se dobije zarez pri povećanju opterećenja (Slika 1) na osnovu kojeg se može utvrditi sila ljuspanja (kritična sila) kao i tip ljuspanja. Tip ljuspanja ukazuje na lokaciju prekida prevlake. Postoje dva osnovna tipa ljuspanja:

- Adhezivno ljuspanje (Slika 2)

- Kohezivno ljuspanje (Slika 3)

[0028] Postoji i mešoviti tip koji kombinuje adhezivni prelom sa kohezivnim prelomom, koji se naziva kohezivno/adhezivni (Slika 4).

[0029] Adhezivno ljuspanje odgovara propagaciji prskotine duž jednog interfejsa i prema tome paralelno sa površinom dela, dok se kohezivno ljuspanje prostire kroz prevlaku pod uglom u odnosu na površine spojeva (interfejsa).

Adhezivno ljuspanje karakteriše nedostatak adhezije prevlake. Kohezivno ljuspanje nastaje kada naprezanja premaše granicu kidanja (mehanička čvrstoća) materijala koji čine prevlaku.

[0030] U slučaju adhezivnog tipa sloja, silu adhezije karakteriše kritično opterećenje.

[0031] U slučaju kohezivnog loma, se karakteriše čvrstoća kidanja prevlake, a ne njena adhezija. Kritično opterećenje nije samo karakteristika deponovanog materijala, već je i karakteristika njegove debljine i tvrdoće supstrata.

[0032] Za procenu adhezije je korišćen drugi metod. On podrazumeva utiskivanje u deponovani materijal Vikers dijamanta sa opterećenjem od 2 kg.

[0033] Donja tabela sumira serije eksperimenata, uključujući rezultate skreč testa dobijene na supstratima izrađenim od alatnog čelika (tvrdoće 64 HRC) za ukupnu deponovanu debljinu 2.5 ! m bez podsloja hroma i 2.7 ! m sa podslojem hroma i za ukupnu debljinu od 3.5 ! m u slučaju primera 9 i 10. Primeri 11 i 12 imaju debele slojeve koji pokazuju robustnost pronalaska. Primer 11 obuhvata 4! m debeo sloj na bazi volframa na koji je nanet DLC sloj debljine 8 ! m. U slučaju primera 12, debljina sloja volframa je povećana na 9.7 ! m, a debljina DLC površinskog sloja je povećana na 19.2 ! m.

C = Kohezivno

A = Adhezivno

CA = Kohezivno/Adhezivno

BOD = Bez odvajanja deponovanog materijala

[0034] Gornja tabela pokazuje da u slučaju diodnog čišćenja, a u skladu sa prethodnim stanjem tehnike, hromni podsloj omogućava da se dobije snažna adhezija (primer 1), i da se u njegovom odsustvu adhezivni otkaz (delaminacija) javlja na spoju između WC i čelika (primer 2).

[0035] Korišćenje triodne pojačane tehnologije čišćenja dovodi do promene u ponašanju deponovanog materijala bez podsloja od hroma (primeri 4 i 5), kada se zapara. Kritično opterećenje je poraslo u odnosu na ono sa diodnim čišćenjem (primer 2), a tip ljuspanja se promenio (primeri 4 i 5).

[0036] Posmatrane ljuspice otkrivaju intermedijarni tip ljuspanja.

[0037] Prema ovom pronalasku, korišćenje triodne ECR tehnologije mikrotalasnog čišćenja pokazuje da je moguće dobiti mehaničko ponašanje vrlo slično prethodnom stanju tehnike i bez hromnog podsloja (Primer 8). Zapaženo je da, kao i kod pojačane triodne tehnologije čišćenja, smanjenje pritiska dovodi do boljih performansi u skreč testu (primeri 7 i 8).

[0038] Primeri 9 i 10 pokazuju da se otpornost na koheziono ljuspanje povećava sa debljinom podsloja koji sadrži volfram, kao što pokazuju kritične vrednosti opterećenja. U dva primera, debljina volfram karbida i gradijentnog sloja je 1.5 µm. Naročito, u primeru 9, debljina volfram karbida je povećana na 1 µm, na debljinu koja odgovara gradijentu koncentracije ugljenika koji je jednak 0.5 µm. U primeru 10, debljina volfram karbida je 0.2 µm, dok je sloj sa gradijentom koncentracije ugljenika povećan na 1.3 µm.

[0039] Primeri 11 i 12 ilustruju robusnost rešenja. Poznato je da povećanje debljine tankih tvrdih slojeva deponovanih u vakuumu dovodi do povećanja njihovih unutrašnjih pritisnih naprezanja. Ipak, ponašanje tokom skreč testa ostaje kohezivno, a povećanje kritičnog opterećenja je rezultat povećanja debljine sloja na bazi volframa.

[0040] Posle tehnologije čišćenja, rezultati imaju tendenciju da pokažu bolju adheziju slojeva proizvedenih bez podsloja hroma kada se smanji pritisak prilikom čišćenja. Smanjenje pritiska tokom čišćenja zavisi od same tehnologije. Diodna tehnologija obično nije u stanju da generiše pritisak plazme od samo 0.5 Pa.

[0041] Tako prema ovom pronalasku, korišćenje odgovarajuće tehnologije čišćenja omogućava da se smanji pritisak argona i proizvede adhezivni sloj DLC tipa, bez podsloja hroma - dostignuće koje protivreči svemu što su široko podržavali iskusni stručnjaci i prethodna tehnička rešenja.

[0042] Postupak prema ovom pronalasku ima brojne prednosti:

Pored pojednostavljenja potrebne opreme i smanjenja troškova, eliminisanjem adhezivnog podsloja, eliminiše se i jedan interfejs i tako povećava pouzdanost i robustnost prevlake.

Iz testova koji su sprovedeni je takođe očigledno, da hromni podsloj teži da maskira nedostatke kod određenih vrsta čišćenja, za razliku od volfram karbida koji izgleda zahteva efikasnije čišćenje, da bude što efikasniji u pogledu adhezije, kao prevlaka napravljena sa hromnim podslojem.

Osim toga, primena Vikers utiskivača sa opterećenjem od 2 kg ne omogućava otkrivanje razlika u adheziji različitih vrsta deponovanih materijala. Iako je primenjeno opterećenje bilo 2 kg (20 N), deformacija izazvana Vikers dijamantom nije bila dovoljna da izazove odvajanje deponovanih materijala, kao u Primeru 2, gde je metodom skreč testa ipak dokazana slaba adhezija.

Claims (8)

Patentni Zahtevi

1. Metalni deo sa slojem sa gradijentom sastava WC-C, bez metalnog podsloja, bez jonski implantiranog sloja, sa DLC površinskim slojem, koji karakteriše kohezivno ponašanje u skreč testovima.

2. Deo prema zahtevu 1, prevučen DLC prevlakom nanetom na sloj sa gradijentom sastava WC-C koji predstavlja deo očišćen tehnologijom mikrotalasa.

3. Postupak za nanošenje DLC prevlake na metalni deo, koji karakterišu sledeći koraci:

- Deo se čisti pomoću mikrotalasa,

- Na deo se nanosi sloj sa gradijentom sastava WC-C,

- DLC prevlaka se nanosi na WC-C sloj pomoću mikrotalasne plazme.

4. Postupak prema patentnom zahtevu 3, naznačen time što se za čišćenje proizvodi argonska plazma u rasponu pritisaka od 0.05 do 0.5 Pa.

5. Postupak prema patentnom zahtevu 3, naznačen time što se sloj sa gradijentom sastava WC-C proizvodi pomoću PVD magnetrona.

6. Postupak prema zahtevu 5, naznačen time što počinje od prvog sloja čistog WC, koji prate povećanje protoka ugljovodonika i završni WC-C sloj.

7. Postupak prema bilo kojem od zahteva 5 ili 6 naznačen time što je debljina sloja sa gradijentom jedinjenja WC-C od 0.3 do 10 µm, a poželjno 0.8 µm.

8. Postupak prema patentnom zahtevu 3, naznačen time što DLC prevlaka ima debljinu od 1 do 20 µm.