ダイヤモンドライクカーボンコーティングとは？製品デザイナーが知っておくべきこと

他の部品やアセンブリと接触する部品やコンポーネントを作成しようとしている製品設計者ですか、それとも過酷な化学物質や環境にさらされる製品を作成する予定ですか?そうであれば、耐摩耗性と耐薬品性に​​優れた素材を選択する必要があります。

ただし、いくつかのエンジニアリング材料は優れた耐摩耗性と化学的特性を備えていますが、通常、これらの材料は安価ではありません。そのため、一流の製品設計者や製造業者は、ダイヤモンドのような炭素コーティングなどの特殊な表面仕上げプロセスを使用して、通常の金属の特性を改善しています。

ダイヤモンド ライク カーボン コーティング (DLC) がイオン化して生成し、分解した炭素を高エネルギーで基板表面に着地させます。このコーティングにより、基材の特性 (耐摩耗性、耐食性、摩擦係数など) が向上し、幅広い用途に最適です。

この記事では、ダイヤモンドのようなコーティングの基本に戻ります。また、いくつかの業界におけるこれらのコーティングの種類と用途についても説明します。始めましょう!

図 1:ダイヤモンドのような炭素コーティングを施した金属基板

ダイヤモンドのようなコーティングを理解する

「ダイヤモンドのようなコーティング」という言葉を初めて聞くと、ダイヤモンド (既知の最も硬い天然物質の 1 つ) がどのように処理されてコーティング材料として使用されているのか疑問に思われるでしょう。

しかし、DLC をこのように考えるべきではありません。代わりに、ダイヤモンドのようなコーティングを非常にユニークなものにしている必須の化学元素、つまり炭素について考えてください。炭素は 4 価です。つまり、他の原子との結合を形成するために利用できる 4 つの電子があります。形成される結合の数とこれらの結合の配置によって、炭素化合物が持つ特性が決まります。

たとえば、ダイヤモンドの分子構造は、他の炭素原子と分子結合を形成する 4 つの電子を持つ複数の炭素原子を特徴としています。対照的に、グラファイトの分子構造の炭素原子は、これらの電子のうち 3 つしか利用せず、互いに分子結合を形成します。このわずかな違いが、ダイヤモンド結晶を非常に硬く、グラファイトを非常に柔らかくしている理由です。

図 2:ダイヤモンドとグラファイトの分子結合出典:WikiMedia Commons

ダイヤモンドのような炭素膜は、ダイヤモンドやグラファイトのように、本質的に炭素原子でできています。ただし、DLC フィルムは、ダイヤモンドとグラファイトの原子構造を組み合わせたものです。つまり、いくつかの炭素原子を特徴とし、原子の電子の 3 つと 4 つを利用して分子結合を形成します。その結果、DLC はダイヤモンドとグラファイトの特性を組み合わせたものになります。

ダイヤモンドライクコーティングの特徴

#1 低摩擦係数

摩擦係数 (摩擦係数とも呼ばれます) は、エンジニアが材料 (または製品) が別の表面を滑るときの摩擦にどれだけ抵抗するかを表すために使用する無次元数です。

DLC コーティングの摩擦係数は非常に低く、0.015 ～ 0.2 の範囲です。その結果、DLC でコーティングされた部品 (またはアセンブリ) は通常、プロセス (または機械的操作) を維持するために必要なエネルギーが少なくなります。これにより、自動車産業、機械工場、航空宇宙産業など、可動部品が必要なアプリケーションで非常に役立ちます。

詳細:メーカーが航空宇宙部品を製造する方法を理解する。

#2 優れた耐摩耗性

摩耗とは、摩擦による材料の一部の摩耗 (摩耗またはこすり落とし) を表します。通常、機械操作では望ましくなく、避けられません。これを回避する唯一の方法は、特定のアプリケーションのニーズに合わせて耐摩耗性の高い素材を見つけることです。

DLCコーティングされた金属は、通常の金属に比べて耐摩耗性に優れています。 DLC コーティングが提供する摩耗のレベルを理解するために、図 3 を検討してみましょう。この図は、2 つの金属に対して実施された耐摩耗性テストを示しています。

図 3:ダイヤモンドのような炭素でコーティングされた材料の耐摩耗性 (または磨耗) 試験

最初の金属部品には追加のコーティングがなく、もう一方の金属には DLC コーティングが施されているとします。このようなシナリオで、圧子を 2 つの材料に (同じ力を使用して) かみ合わせると、DLC でコーティングされた表面は、コーティングされていない表面ほど引っかかないことがわかります。このユニークな特性により、DLC コーティングされた部品は、自動車エンジンの摩耗部品、インジェクター、ジュエリーの用途に役立ちます。

#3 耐食性

DLC コーティングは耐食性を提供するため、部品が湿気や攻撃的な環境にさらされる用途 (パイプラインや航空宇宙部品など) に最適です。

#4 美学

DLC コーティングは、他のタイプのコーティングとは一線を画しており、金属部品を攻撃的な雰囲気から保護すると同時に、部品の美的外観をほとんど、またはまったく変化させません。さらに、DLC コーティング プロセスを使用して、無煙炭から深い黒までの魅力的な色範囲を実現できます。

DLCコーティングの種類

DLC コーティングには、化学構造に追加された金属 (または非金属) に応じて、さまざまな種類があります。たとえば、金属ドープ DLC コーティングは、単純にチタン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、クロムなどの金属と DLC を合金化したものです。対照的に、非金属ドープ DLC タイプには、シリコン DLC、フッ素 DLC、および窒素 DLC が含まれます。

図 4:金属基板上のシリコンドープ DLC コーティング

理想的な合金化 DLC コーティングの選択は、アプリケーションの要件によって異なります。たとえば、チタン合金 DLC コーティングは、その優れたトライボロジー特性、生体不活性、および化学的不活性により、医療用途に最適です。対照的に、シリコン合金 DLC コーティングは、切削工具、エンジン ブロック、ピストン、ギアに最適です。

図 5:DLC コーティングを施したピストンおよびシリンダー部品

ありがたいことに、Gensun のような一流のマシン ショップは通常、顧客に表面仕上げに関するアドバイス サービスを提供しています。

DLC コーティング サービス:Gensun がお手伝いします

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