Руководство по машине для нанесения покрытия DLC: маршруты нанесения, основные характеристики и критерии покупки

Машина для нанесения покрытия DLC: что она наносит и как ее выбрать

Алмазоподобный углерод — это не покрытие, которое вы заказываете килограммами. Это процесс осаждения, который вы заказываете, и камера является лишь одной переменной в этом уравнении.

В инструментальном цехе, производящем 40 000 закаленных пуансонов в месяц, каждый квартал наблюдается одна и та же картина: режущие кромки полируются, растут заусенцы, и оператор пресса начинает устанавливать прокладки. Когда кто-то, наконец, кладет журнал технического обслуживания рядом со счетом за инструмент, редко приходит к выводу, что инструментальная сталь была неправильной. Поверхность была. А Машина для нанесения покрытия DLC существует для закрепления этой поверхности углеродной пленкой толщиной в несколько микрометров, и ее указание связано не столько с размером камеры, сколько с тем, какой маршрут осаждения ваших деталей, ваши допуски и ваш производственный ритм действительно могут выжить.

Что машина для нанесения покрытия DLC наносит на деталь

DLC означает алмазоподобный углерод, но название переоценивает простоту. В камере образуется аморфная углеродная пленка, поведение которой определяется соотношением связей sp2, подобных графиту, и связей sp3, подобных алмазу, плюс преднамеренно добавленный водород или металл. Это соотношение является переменной процесса, а не элементом каталога. Две машины, обе под управлением «DLC», могут производить пленки, которые при скользящем контакте ведут себя совершенно одинаково.

Гидрированный DLC, обычно обозначаемый a-C:H, осаждается из углеводородного газа и обычно находится при давлении от 15 до 30 ГПа. Безводородный тетраэдрический углерод, ta-C, отрывается от графитового катода и имеет давление выше, обычно 40 ГПа и выше. Для сравнения, давление твердого хрома составляет от 8 до 10 ГПа, а коэффициент трения сухого скольжения DLC падает примерно между 0,05 и 0,2 против примерно 0,5 для хрома. Эти две цифры объясняют, почему пуансон с покрытием служит дольше, чем пуансон без покрытия, с запасом, который клиент отмечает в календаре технического обслуживания.

В толщине оптимизм обходится дорого. Ниже примерно 0,5 микрометра срок службы сокращается. При толщине примерно 5 микрометров начинает побеждать внутреннее сжимающее напряжение, и пленка расслаивается на хлопья, которые выглядят как производственный дефект, но на самом деле являются технологическим решением, принятым несколько месяцев назад. Производственный DLC обычно имеет размер от 1 до 4 микрометров, поэтому однородность толщины всей партии заслуживает большего внимания, чем пиковое значение твердости, напечатанное в брошюре.

Пути осаждения и во что вам обходится каждый из них

Большинство машин для нанесения DLC-покрытия, представленных на рынке, используют один из четырех маршрутов. Различия проявляются в достижимой твердости, температуре подложки и том, насколько щаден процесс, когда деталь имеет сложную геометрию или жесткие допуски по размерам.

Выбор маршрута обычно обусловлен двумя ограничениями: максимальной температурой, которую может выдержать подложка, и тем, нужна ли вам более гладкая или более твердая пленка. Закаленное кольцо подшипника с твердостью 60 HRC и тонкий алюминиевый кронштейн не имеют одинакового теплового баланса. Одна и та же химия фильма может быть адаптирована ко всем стальные, твердосплавные и алюминиевые подложки регулируя напряжение смещения и добавляя металлическую прослойку, поэтому дизайн интерфейса обсуждается так же тщательно, как и сам углеродный слой.

Цифры, которые решают, окупится ли машина

Спецификация является переговорным документом. Эти ценности стоит зафиксировать письменно, поскольку каждая из них соответствует деньгам в цехах.

• Класс адгезии: результаты вдавливания по Роквеллу для HF1 или HF2 соответствуют производственному уровню. HF3 и HF4 означают, что промежуточный слой или этап очистки не выполняют свою работу.
• Равномерность толщины: плюс-минус 5 процентов по полезной зоне стойки — это хорошо, 10 процентов — приемлемо. Все, что слабее, проявляется как преждевременный износ внешних частей партии.
• Время цикла: откачка, ионное травление, осаждение и охлаждение в сочетании. 90-минутный цикл из 400 частей каждый раз превосходит 40-минутный цикл из 120 частей.
• Грузоподъемность: измеряется в полезной площади покрытия, а не в объеме камеры. Большая камера со слабыми креплениями вмещает меньше, чем компактная.
• Потолок температуры основания: что делает машина в верхней части допустимого диапазона, а не в его середине.
• Срок службы источника и цели: сколько партий до замены катода или мишени и как долго это изменение останавливает производство.
• Повторяемость от партии к партии: одна и та же деталь, на которую нанесено покрытие с интервалом в шесть недель, должна иметь точность в пределах нескольких ГПа и нескольких десятых микрометра.

Покрытие, которое прошло испытание на твердость, но не выдержало испытания на царапание, не является твердым покрытием. Это отсроченная гарантийная претензия на уже отгруженную деталь.

Твердость — это самый простой показатель, который можно указать, и который сам по себе наименее информативен. Пленка с давлением 45 ГПа, которая отслаивается после 2000 ударов, хуже, чем пленка с давлением 20 ГПа, выдерживающая 200 000 ударов. Поэтому приемочные испытания должны сочетать твердость с испытанием на царапины, проверкой адгезии по Роквеллу и реальными испытаниями на износ реальной геометрии детали.

Что меняется в цехе

Сама камера занимает меньше места, чем инфраструктура вокруг нее. Система DLC среднего размера занимает примерно от 15 до 30 квадратных метров, включая насосный агрегат, источники питания и охладитель, но практическая площадь также включает в себя зону загрузки и разгрузки, стену для хранения приспособлений и станции очистки. Настоящим узким местом обычно являются станции очистки, а не машина для нанесения покрытия.

Подготовка деталей — самая частая причина жалоб на DLC. Отпечатки пальцев, остатки смазочно-охлаждающей жидкости и оксидные слои сохраняются при плазменном травлении чаще, чем кто-либо ожидает. Если в вашем процессе нет контролируемой линии очистки перед устройством для нанесения покрытия, запланируйте ее. Это стоит лишь небольшую часть машины и предотвращает большинство проблем с адгезией, в которых виновата машина.

Соответствие машины деталям, которые вы используете

Подложка больше определяет конфигурацию, чем покрытие. Три широкие группы охватывают большинство покупателей и такого производителя, как производитель оборудования для вакуумных покрытий PVD и DLC прежде чем назвать камеру, обычно спрашивает, какая из них представляет ваш объем производства.

Режущие инструменты и формовочные штампы

Концевые фрезы, сверла, метчики, пуансоны и формовочные штампы выигрывают от твердого углеродного слоя с низким коэффициентом трения, но они требуют высокой адгезии и, в случае твердого сплава, тщательного промежуточного слоя для ограничения диффузии кобальта. В этом сегменте доминируют катодно-дуговые машины, поскольку твердость ta-C выдерживает прерывистые режущие нагрузки, которые разрушают более мягкие пленки. Подготовка радиуса кромки имеет такое же значение, как и покрытие: острая, неполированная кромка концентрирует напряжение и рано выходит из строя.

Медицинский и хирургический инструментарий

Хирургические лезвия, рашпили и эндоскопические компоненты нуждаются в пленке, которая остается твердой, смазывающей и химически стабильной при многократной стерилизации. Обычно подходят низкотемпературные PECVD-маршруты, поскольку многие инструментальные сплавы не переносят температуры поверхности, создаваемые дуговым процессом.

Автомобильная и механическая трансмиссия

В компонентах топливных форсунок, толкателях, поршневых кольцах, шестернях и подшипниках используется легированный алмазосодержащий алмаз для снижения трения без изменения твердости основного металла. Эти детали обычно имеют большой объем и имеют постоянную геометрию, поэтому грузоподъемность и время цикла имеют больший вес, чем гибкость процесса.

Вопросы, которые необходимо решить перед подписанием

Задайте их в письменной форме и приложите ответы к заказу на поставку. Ответы расскажут вам о поставщике больше, чем любая экскурсия по заводу.

1. Какие подложки и с каким состоянием поверхности будут составлять 80 процентов ваших партий?
2. Какова максимальная температура подложки, которую выдерживают ваши детали, и как машина ведет себя при этом пределе?
3. Как измеряется толщина пленки, на каком образце и с какой частотой во время производства?
4. Какой стандарт адгезии применяется: класс Rockwell HF, испытательная нагрузка на царапины или и то, и другое?
5. Каково гарантированное время цикла при заявленной нагрузке и кто разрабатывает и владеет этими приспособлениями?
6. Что происходит во время замены катода или мишени и на какое время останавливается производство?
7. Какие детали являются расходными, сколько они стоят за партию и каков срок доставки из вашего региона?
8. Как выглядит приемка, если первое испытание покрытия не соответствует согласованным показателям?

Ввод в эксплуатацию и первые три месяца

Машина для нанесения покрытия DLC редко достигает номинальной производительности за первую неделю. Первый месяц обычно уходит на определение параметров очистки, подтверждение этапа травления и определение напряжения смещения, обеспечивающего приемлемую адгезию к каждой из геометрических фигур вашей основной детали. Будьте готовы к нанесению покрытия на образцы, которые никогда не покидают здание, и ожидайте, что инженер-технолог потратит больше времени на подготовку поверхности, чем на настройки осаждения.

Самое полезное, что вы можете сделать перед поставкой, — это отправить серийные детали, а не полированные тестовые купоны. Полированный купон выдержит практически любой тест на адгезию. Изношенный пуансон с оригинальной термической обработкой и реальным радиусом кромки расскажет вам, что на самом деле машина может сделать с деталями, которые за нее платят.

Выбор машины для нанесения покрытия DLC сводится к трем вопросам: какая пленка нужна вашим деталям, какую температуру они могут выдержать и какая повторяемость будет приемлема для ваших клиентов. Ответьте на них, и настройка произойдет почти автоматически. Пропустите их, и камера станет очень дорогим способом производства бракованных изделий с глянцевой поверхностью. Производители, которые это понимают, не покупают самую большую систему в каталоге. Они покупают ту, чье технологическое окно соответствует тем деталям, которые они уже умеют хорошо производить.