在耐磨薄膜领域，类金刚石(DLC)涂层已成为高负载或受极端摩擦、磨损和与其他部件接触的苛刻物理应用的理想解决方案。在这些类型的环境中，只有DLC涂层的高硬度-以及相应的低摩擦系数-才能防止零件在现场出现点蚀、擦伤、卡住并最终失效。

DLC涂层的广泛应用包括高性能汽车和赛车，风力涡轮机轴轴承和行星齿轮;食品加工用不锈钢切刀和活塞泵;以及灌装和装瓶操作中的滑动组件。该涂层也是一种成熟的技术，用于升级液压传动、燃油喷射系统、机械密封、泵和阀门中的关键旋转部件。

对于许多人来说，DLC涂料是氢化非晶碳(a- c:H)涂料，但这是一种误解。DLC家族中的涂层可以根据氢含量(氢化或无氢)、额外金属和非金属掺杂元素的选择、子层的存在以及沉积和键合方法的选择进行高度设计。

总之，这些因素可以精确控制，以创建广泛的薄层应用(通常为1至5 μm) DLC涂层，硬度为8-80 GPa或更高(金刚石是已知最硬的材料，70-150 GPa)。此外，还可以控制所需的摩擦系数、表面光洁度甚至应用温度。

由于该类别内可定制的属性范围广泛，DLC涂层可以从设计过程的最初步骤起在组件工程中发挥重要作用。

Oerlikon Balzers公司的Florian Rovere博士说:“涂层是一种非常复杂的设计元素，具有高度工程化的特性。Oerlikon Balzers是一家为北美和世界各地的组件生产专业DLC涂层的公司。“这些特性可以非常特别地定制，以满足不同操作条件的性能要求。因此，涂层不应该是设计后的想法，而是组件最初如何设计的关键元素，以充分利用最大系统性能的可能性。”

氢化非晶碳涂层

最广为人知的DLC涂层类型是氢化无定形碳(a-C:H)，最常通过等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)应用。这种沉积方法通过等离子体激发和电离引起化学反应，从而产生约15-30 GPa的涂层硬度，这是DLC家族的低端。

然而，氢化非晶碳涂层可以通过掺杂进一步控制，这是一个添加化学元素来改变性能的过程。

硅、氧或金属都可以用作掺杂元素，以达到不同的结果。

当配合件或滑动件需要较低的摩擦系数时，或为了帮助从空腔或模具中释放物品时，硅掺杂是一种合适的方法。这就形成了涂层硬度为15-20 GPa的a- c:H:Si涂层。通过硅和氧的掺杂，还可以达到高电阻率和化学惰性。

这种类型的DLC涂层的应用包括受滑动磨损或那些需要具有更大润滑性的表面的组件。掺硅DLC涂层通常应用于塑料注塑模具和引脚、吹塑部件和半导体晶圆搬运设备。

欧瑞康巴尔泽斯的所有DLC涂层都具有生物相容性和食品安全性，是医疗器械和食品加工的理想解决方案。

罗维里解释说:“我们的一个食品加工客户改变了他们生产的饼干的配方，使它们对消费者更健康。”“他们使用了a-C:H DLC涂层来提高冲孔和模具的耐磨性，但在配方改变后，它开始更粘，产生了一些问题。我们可以用另一种选择BALINIT DYLYN来解决这个问题，这是一种掺有硅和氧的DLC涂层。

还有其他的涂层结构。当掺杂钨时，产生了更具韧性的碳化钨碳(Me-C:H)涂层，是齿轮应用、滚珠轴承和动力传动系统的理想选择，这些应用受到高表面压力，并且可能需要零件的磨合。另一方面，如果需要更硬的表面，罗维里说铬可以代替钨。

无氢DLC涂料

氢化DLC涂料的替代品是一系列无氢涂料，可提供更高的硬度和非常低的摩擦系数。

这些涂料可以应用于最苛刻的环境，包括高性能车辆的发动机和气门机构的高摩擦、磨损和接触区域。该涂层可用于燃油喷射系统，凸轮轴，活塞销，阀门，升降机和手指从动件，在接触压力和滑动速度较高的地方。除车辆外，该涂层还非常适合用于液压泵部件、机械密封和高压阀门部件。

大多数无氢涂层使用电弧蒸发的物理气相沉积(PVD)方法，该方法产生四面体无定形碳，或ta-C。与a- c:H替代品相比，具有高水平的四面体键(大多为50-60%)，具有更高的磨粒耐磨性。

ta-C涂层具有高达60 GPa的典型硬度，是长期暴露在极端操作力下的部件的最佳选择，包括必须在摩擦环境中工作的轴和密封件，摩擦可能导致它们过热并失效。

从历史上看，无氢涂层，特别是ta-C沉积的挑战是，应用过程中会产生小液滴，导致表面光洁度较粗糙。因此，涂料制造商必须完成二次抛光工艺，以使表面光滑。由于它的硬度，这是一个耗时和昂贵的过程，需要专门的设备。

为了解决这一问题，一些无氢dlc是使用过滤的阴极电弧沉积方法生产的，其中电磁过滤器去除大多数液滴。虽然这样可以产生更光滑的表面，但仍然经常需要二次抛光步骤，并且相同涂层厚度的工艺时间更长。

当需要更光滑的表面时，可以使用Oerlikon Balzers开发的专有可伸缩脉冲功率等离子体(S3p)技术应用无氢DLC涂层。

S3p是一种独特的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，它可以被视为结合了电弧蒸发和溅射方法的优点。非常密集的等离子体产生具有高附着力的坚硬涂层(在与电弧蒸发相当的水平上)。同时，由于溅射过程的性质，它导致光滑的涂层，其中原子从目标或源材料中喷射出来。

该涂层在相对较低的温度下应用，远低于200摄氏度，而其他DLC涂层则高达350摄氏度，这使得其应用于更广泛的材料面板，有效地与铝和钢基材结合。

使用S3p工艺的BALIQ CARBOS应用于无氢DLC涂层，包括摩擦学应用，高端装饰零件，医疗器械和其他小型精密工具。

最高端的金刚石涂层是通过CVD工艺(化学气相沉积)应用于微晶和纳米晶选项，额定为80-100 GPa。这种涂层主要用于高度专业化的工具，用于切割要求高的材料，如碳增强纤维材料，不再提供低摩擦的好处。

涂料作为设计元素

Rovere表示，考虑到DLC涂层涉及的众多变量，oem厂商必须更好地了解可选方案的范围，以便在考虑经济效益的同时，为应用选择理想的解决方案。

Rovere说:“涂料实际上是一种用于实现特定性能的层结构。“涂层是一层一层地构建的，重点是粘合、硬度和表面。通过修改它们的特性，我们可以在DLC涂层家族中创建非常广泛的表面解决方案。”

Rovere补充说:“通过应用DLC涂层，不仅可以提高部件的表面硬度和耐用性，而且关键部件发生故障的可能性也大大降低。”因此，即使在高摩擦、磨损和接触压力等最苛刻的环境中，维护和意外停机时间也大大减少了。”

有关欧利康巴尔泽斯及其DLC表面解决方案系列的更多信息，请访问www.oerlikon.com/balzers/us/en/portfolio/balzers-surface-solutions/．

Oerlikon Balzers著