VDI 2840-2012 Carbon films - Basic knowledge film types and properties.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREKohlenstoffschichtenGrundlagen, Schichttypen und EigenschaftenCarbon films Basic knowledge, film types and propertiesVDI 2840Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL)Fachbereich Produktionstechnik und FertigungsverfahrenVDI-Han

2、dbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 3: BetriebsmittelVDI-Handbuch WerkstofftechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten / Allrights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf2012Vervielfltigung auchfr innerbetrie

3、blicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 25.220.99Juni 2012June 2012The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lati

4、on.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 32Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Abkrzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Grundlagen . . . . . . . . . .

5、. . . . . . . . 94.1 Kristallgitter des Kohlenstoffs. . . . . . . 94.2 Bindungstypen. . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Atomnetzwerke der amorphen Kohlenstoffschichten . . . . . . . . . . . 114.4 Beschichtungsverfahren . . . . . . . . . . 125 Schichttypen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Schic

6、hteigenschaften . . . . . . . . . . . . . 276.1 Hinweise fr die Bestimmung der Schichteigenschaften . . . . . . . . . . . 286.1.1 Adhsivverschleischutz . . . . . 286.1.2 Abrasivverschleischutz. . . . . . 296.1.3 Schutz gegen Oberflchenzerrttung 306.1.4 Schutz gegen chemischen Verschlei 316.1.5 Reibu

7、ngsreduzierung . . . . . . . 316.1.6 Benetzbarkeit . . . . . . . . . . . 326.1.7 Sonderfunktionen . . . . . . . . . 326.1.8 Schichtdicke . . . . . . . . . . . . 326.1.9 Schichtrauheit . . . . . . . . . . . 346.1.10 Farbeindruck und Helligkeit. . . . 356.1.11 Menge Dotierung/Zusatzstoffe . . 366.1.12

8、 Temperaturbestndigkeit . . . . . 366.1.13 Wrmeleitfhigkeit . . . . . . . . 376.1.14 Wrmeausdehnung . . . . . . . . 376.1.15 Hrte und Elastizittsmodul . . . . 376.1.16 Spezifischer elektrischer Widerstand 386.2 Beschichtbare Substratmaterialien . . . . 38Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . .

9、. . . . 41Contents PagePreliminary note. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 63 Abbreviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Fundamental pr

10、inciples . . . . . . . . . . . . 94.1 Crystal lattice of carbon . . . . . . . . . . 94.2 Bond types . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Atomic networks of the amorphous carbon films . . . . . . . . . . . . . . . . 114.4 Coating methods . . . . . . . . . . . . . . 125Film types. . . . . . . . . .

11、 . . . . . . . . . 156 Coating properties . . . . . . . . . . . . . . 276.1 Instructions on determining coating properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.1.1 Protection against adhesive wear . 286.1.2 Abrasive wear protection . . . . . 296.1.3 Protection against surface fatigue . 306.1.4 Pr

12、otection against chemical wear . 316.1.5 Reduction in friction . . . . . . . . 316.1.6 Wettability . . . . . . . . . . . . . 326.1.7 Special functions . . . . . . . . . . 326.1.8 Film thickness . . . . . . . . . . . 326.1.9 Film roughness . . . . . . . . . . . 346.1.10 Colour sensation and lightness

13、. . . 356.1.11 Quantity of doping or additives . . 366.1.12 Heat resistance . . . . . . . . . . . 366.1.13 Thermal conductivity . . . . . . . 376.1.14 Thermal expansion . . . . . . . . . 376.1.15 Hardness and modulus of elasticity 376.1.16 Specific electrical resistance (electrical resistivity). . .

14、 . . . . . 386.2 Coatable substrate materials . . . . . . . . 38Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Frhere Ausgabe:11.05 Formeredition:11/05B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 2

15、 VDI 2840VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten

16、. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungAus vie

17、len Bereichen sind Hartstoffschichten nichtmehr wegzudenken. Sie erfllen vielfltige Zweckein tribologisch hochbelasteten Anwendungen, z.B.zur Verschlei- und Reibungsreduzierung. Die klas-sischen Hartstoffschichten, z.B. die titanbasiertenSchichten TiN, TiCN und TiAlN, sind in der Indus-trie bereits

18、weit verbreitet. Darber hinaus existierenauch kohlenstoffbasierte Schichtsysteme, die nochnicht so bekannt sind. Erschwerend kommt hinzu,dass diese Schichten zum Teil einen sehr komplexenAufbau haben. Auerdem existiert eine Vielzahl vonverwirrenden Begriffen und Markennamen, die einleichtes Verstndn

19、is fr Nichtfachleute erschwert.Besonders schwierig ist dies bei Mehrlagenschichten,die unter einem Schichtnamen angeboten werden.Teilweise werden auch Schichten unter einer falschenBezeichnung angeboten (z.B. amorphe Kohlenstoff-schichten als Diamantschichten“).ber die Kohlenstoffschichten hinaus bi

20、eten dieRichtlinien VDI 3824 Blatt 1 bis Blatt 4 einen gene-rellen berblick ber verschiedene Aspekte der Hart-stoffbeschichtung. Im Einzelnen behandeln die vierBltter folgende Gesichtspunkte: Blatt 1 beschreibt die Eigenschaften und Anwen-dungsgebiete von Hartstoffbeschichtungen. Blatt 2 behandelt d

21、ie beschichtbaren Werkstoffeund die Anforderungen an Werkzeuge und Bau-teile aus diesen Werkstoffen. Blatt 3 bietet Informationen ber die notwendigenVoraussetzungen fr das erfolgreiche Qualitts-management bei der PVD-/CVD-Hartstoffbe-schichtung einschlielich vorangehender undnachfolgender Arbeitssch

22、ritte und Prozesse.Preliminary noteThe content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing s

23、ystems and translation, either ofthe full text or of extracts. The use of this guideline without infringement ofcopyright is permitted subject to the licensing condi-tions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlin-ien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this g

24、uideline.IntroductionIn many fields hard coatings have become indispen-sable. In applications with high levels of tribologicalload they perform a wide range of duties such as thereduction of wear and friction. The “classic” hardcoatings, such as the titanium-based coatings TiN,TiCN and TiAlN, are al

25、ready in widespread industrialuse. In addition, carbon-based coating systems alsoexist which are not so well known. To make mattersmore difficult, in some cases these films have a verycomplex structure. We also find a wide variety ofconfusing terms and brand names which impede aready understanding o

26、f this field by the non-special-ist. This is particularly difficult in case of multilay-ered films which are available under a single coatingname. Sometimes coatings are even offered under anincorrect designation (amorphous carbon films, forexample, as “diamond films”).Going beyond carbon films, the

27、 four parts of series ofguidelines VDI 3824 provide a general overview ofdifferent aspects of hard coating. Taken individually,the four parts of the guideline examine the followingareas: Part 1 describes the characteristic profiles andfields of application of hard coatings. Part 2 deals with the mat

28、erials which can becoated and the requirements which apply to toolsand components made of these materials. Part 3 provides information about necessary con-ditions for successful quality management inPVD/CVD hard coating including upstream anddownstream steps and processes.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43

29、EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 2840 3 Blatt 4 geht auf die Planung qualittssichernderPrfungen und die Verfahren zur Prfung undKontrolle grundlegender Eigenschaften von Hart-stoffschichten ein.Speziell auf das Beschich

30、ten von Werkzeugen derKaltmassivumformung sowie das CVD- und PVD-Verfahren ist die Richtlinie VDI 3198 ausgerichtet.Neben beschichtungstechnischen Anforderungenhinsichtlich der Vorbehandlung sowie konstruktivenForderungen an diese Werkzeuge gibt sie Hinweisezur Prfung der beschichteten Umformwerkzeu

31、ge.Diese Aspekte lassen sich auch fr das Beschichtenanderer Werkzeuge und Bauteile anwenden. Des Weiteren gibt es die Richtlinienreihe VDI 3823,in deren Blttern neben anderen Schichten auch Po-lymerschichten behandelt werden, die durch Vaku-umbeschichten auf Kunststoffen abgeschieden wer-den. Die ve

32、rschiedenen Bltter umfassen dieTeilbereiche Eigenschaften, Anwendungen und Ver-fahren“, Anforderungen an die zu beschichtendenKunststoffe“, Fertigungsablufe und -ttigkeiten“sowie Prfungen an vakuumbeschichteten Kunst-stoffteilen“.1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie behandelt Beschichtungen aus Koh-l

33、enstoff, die mit den Verfahren der Vakuumbeschich-tungstechnik (PVD oder CVD) abgeschieden wer-den. Diese modernen Schichtsysteme reichen vonden extrem harten Diamantschichten ber die groeVielfalt der meist wasserstoffhaltigen amorphenKohlenstoffschichten bis zu den weichen Grafit-schichten. Die Ric

34、htlinie verfolgt zwei Ziele: Sie sollzum einen eine einheitliche Einteilung und Nomen-klatur der Kohlenstoffschichten schaffen. Zum ande-ren soll sie dem potenziellen Nutzer von beschichte-ten Werkstcken eine Vorauswahl von geeignetenKohlenstoff-Schichttypen ermglichen. Die vorliegende Richtlinie we

35、ndet sich in erster Liniean potenzielle Anwender von Beschichtungen fr tri-bologische Belastungsflle und stellt fr diese Nut-zergruppe das grundlegende Fachwissen ber Koh-lenstoffschichten zur Verfgung. Sie kommt damitdem Wunsch nach, Informationen zu erhalten, um dieverschiedenen auf dem Markt ange

36、botenen Kohlen-stoffschichten eindeutig identifizieren und verglei-chen zu knnen. Die Richtlinie enthlt dazu eineKlassifikation aller Kohlenstoffschichten, mit deralle bekannten Schichttypen auf der Basis der physi-kalischen und chemischen Beschaffenheit eingeteiltwerden. Ein potenzieller Anwender k

37、ann so im Ge-sprch mit Beschichtern den konkreten Typ der ange-botenen Schicht oder bei Schichtsystemen die Typen Part 4 deals with the planning of quality inspec-tions and with procedures for inspecting and mon-itoring the basic properties of hard coatings.Guideline VDI 3198 is particularly concern

38、ed withthe coating (CVD, PVD) of cold-forging tools. In ad-dition to the technical requirements of the coatingprocedure as regards pre-treatment and also the de-sign requirements applicable to these tools, it pro-vides practical information about inspection of thecoated forming tools. These aspects

39、can also be ap-plied to the coating of other tools and components. Furthermore the series of guidelines VDI 3823 ispublicated, whose various parts, in addition to deal-ing with other coatings, also include an examinationof polymer films deposited on plastics by means ofvacuum coating. The different

40、parts of the guidelinecover characteristics, applications and procedures,demands on plastics to be coated, production se-quence and job steps, and testing of vacuum-coatedplastics.1Scope The subject of the present VDI Guideline is carbonfilms which are deposited by the vacuum depositionmethod (PVD o

41、r CVD). These modern coating sys-tems extend from extremely hard diamond films atone end of the scale, passing through a wide varietyof mostly hydrogenated amorphous carbon films be-fore reaching soft graphite films at the other end. Thisguideline pursues two aims: firstly, it should providea unifor

42、m classification and nomenclature for carbonfilms; secondly, it should enable the prospective userof coated workpieces to make a preliminary selectionof suitable carbon film types.The present guideline is primarily intended for thoseconsidering using coatings for tribological loadingcases and provid

43、es this user group with basic techni-cal knowledge about carbon films. Thus it suppliesthe required information to allow the user to unam-biguously identify the carbon films which are availa-ble on the market and also to compare them. For thispurpose the guideline contains a classification of allcar

44、bon films which subdivides all known film typeson the basis of their physical and chemical nature.This means that in discussions with a coating com-pany a potential user will be able to identify the pre-cise type of a specific coating being offered him orthe types of the individual layers in case of

45、 coatingsystems. When presenting their products, coatingB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 4 VDI 2840der Einzelschichten klren. Den Beschichtern wirdempfohlen, bei der Darstellung ihrer Produkte

46、 nebendem Verkaufsnamen auch die Bezeichnung gemdieser Klassifikation anzugeben. Es sollte vermiedenwerden, bei amorphen Kohlenstoffschichten nur denGattungsbegriff DLC (Diamond-like carbon) anzu-geben. Vielmehr sollte stets der konkrete Schichttyp,z.B. a-C:H:Me“ oder ta-C“ genannt werden.Um darber

47、hinaus dem Nutzer zustzlich eine Aus-wahl des geeigneten Schichttyps fr seine spezifischetribologische Anwendung zu ermglichen, enthltdie Richtlinie einen charakterisierenden Teil, in demwichtige Eigenschaften der einzelnen Schichttypenaufgefhrt sind.Unter den Kohlenstoffschichten, die im klassifi-z

48、ierenden Teil dieser Richtlinie aufgefhrt sind, wer-den diejenigen Schichten verstanden, in denen Koh-lenstoff der berwiegende Bestandteil ist und die mitPVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden werden.Dazu gehren die Schichten aus den beiden kristalli-nen Kohlenstoffvarianten Grafit und Diamant, dieamo

49、rphen Kohlenstoffschichten sowie die Plasmapo-lymerschichten. Bei den beiden letzteren Schicht-klassen sind in der Schicht teilweise auch nennens-werte Anteile anderer Elemente, z.B. Wasserstoff,enthalten.Der Richtlinienteil mit den charakterisierendenSchichteigenschaften (Abschnitt 6) enthlt die Dia-mantschichten und die amorphen Kohlenstoffschich-ten. Die Grafitschichten und die Plasmapolymer-schichten sind dort nicht enthalten. Die Plasma-polymerschichten sind