DLC-nanokomposiittipinnoitteet : Mikrorakenteen vaikutus tribologisiin ominaisuuksiin
Kivimäki, Katja (2024)
2024
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404305074
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404305074
Tiivistelmä
Uusia pinnoiteratkaisuja tarvitaan vähentämään tribologisista ilmiöistä aiheutuvaa energiankulutusta. DLC-pinnoitteita käytetään tribologisissa sovelluksissa sellaisenaan, mutta niillä on havaittu haittapuolia, kuten alhaista adheesiota pinnoitettavaan materiaaliin. Tämän vuoksi DLC-pinnoitteita on alettu seostamaan erilaisilla seosaineilla. DLC-nanokomposiittipinnoitteet ovat yksi seostettujen DLC-pinnoitteiden luokista. Ne ovat hyvä vaihtoehto tribologisiin käyttökohteisiin ja niiden etuja ovat hyvä kulumisenkesto, korkea kovuus sekä muokattavuus käyttökohteeseen sopivaksi.
Seostamaton DLC-pinnoite koostuu toisiinsa sitoutuneista sp3- ja sp2-hybridisoituneista hiiliatomeista, jotka muodostavat amorfisen rakenteen. Pinnoitteen korkea sisäinen jännitys johtuu hiiliatomien sidoskulmien vääristymisestä ja se kasvaa sp3-hybridisaation pitoisuuden kasvaessa. DLC-nanokomposiittipinnoitteet koostuvat amorfisesta DLC-matriisista, minkä seassa on seosaineesta koostuvia nanopartikkeleja. Nanopartikkelien vaikutuksesta DLC-matriisin hiiliatomien sidosten suuntautuneisuus vähenee, sp3-hybridisaatio vähenee ja samalla rakenteen sisäinen jännitys vähenee. Nanopartikkelit saavat myös jäljelle jääneet sp3-hybridisoituneet hiiliatomit grafitoitumaan vasta huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa ja siten ne parantavat pinnoitteiden korkean lämpötilan kestokykyä.
Sitkeyden ja kovuuden tasapaino on tärkeää hyvien tribologisten ominaisuuksien kannalta. Nämä yhdessä parantavat pinnoitteen kulumiskestävyyttä. Vähentyneen sp3-hybridisaatiopitoisuuden takia DLC-nanokomposiittipinnoitteen mekaaniset ominaisuudet, kuten kovuus ja kimmomoduuli, laskevat. Kuitenkin samalla pinnoitteen sisäinen jännitys vähenee ja adheesio paranee merkittävästi. Alhaisempi kovuus korvataan seostamalla kovia karbideja muodostavia metalleja. Pinnoitteen sitkeyttä voidaan parantaa seostamalla metalleja, jotka eivät muodosta karbideja. Pinnoitteen kitkaominaisuudet eivät parane, mutta yhteensopivuus voiteluaineiden kanssa paranee.
Seostamaton DLC-pinnoite koostuu toisiinsa sitoutuneista sp3- ja sp2-hybridisoituneista hiiliatomeista, jotka muodostavat amorfisen rakenteen. Pinnoitteen korkea sisäinen jännitys johtuu hiiliatomien sidoskulmien vääristymisestä ja se kasvaa sp3-hybridisaation pitoisuuden kasvaessa. DLC-nanokomposiittipinnoitteet koostuvat amorfisesta DLC-matriisista, minkä seassa on seosaineesta koostuvia nanopartikkeleja. Nanopartikkelien vaikutuksesta DLC-matriisin hiiliatomien sidosten suuntautuneisuus vähenee, sp3-hybridisaatio vähenee ja samalla rakenteen sisäinen jännitys vähenee. Nanopartikkelit saavat myös jäljelle jääneet sp3-hybridisoituneet hiiliatomit grafitoitumaan vasta huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa ja siten ne parantavat pinnoitteiden korkean lämpötilan kestokykyä.
Sitkeyden ja kovuuden tasapaino on tärkeää hyvien tribologisten ominaisuuksien kannalta. Nämä yhdessä parantavat pinnoitteen kulumiskestävyyttä. Vähentyneen sp3-hybridisaatiopitoisuuden takia DLC-nanokomposiittipinnoitteen mekaaniset ominaisuudet, kuten kovuus ja kimmomoduuli, laskevat. Kuitenkin samalla pinnoitteen sisäinen jännitys vähenee ja adheesio paranee merkittävästi. Alhaisempi kovuus korvataan seostamalla kovia karbideja muodostavia metalleja. Pinnoitteen sitkeyttä voidaan parantaa seostamalla metalleja, jotka eivät muodosta karbideja. Pinnoitteen kitkaominaisuudet eivät parane, mutta yhteensopivuus voiteluaineiden kanssa paranee.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10747]