Nell’ambito dei film sottili resistenti all’usura, i rivestimenti a base carbonio simile al diamante (DLC) trovano la loro perfetta collocazione nelle applicazioni tribologiche impegnative, in cui i componenti sono sottoposti a carichi elevati o soggetti a condizioni estreme di attrito, usura e sfregamento. In tali casi, soltanto l’elevata durezza e il basso coefficiente di attrito del rivestimento DLC può impedire che le parti si danneggino, si grippino, si blocchino e, in ultima analisi, si guastino.
Le applicazioni più diffuse dei rivestimenti DLC includono componenti ad alte prestazioni per le auto e le macchine da corsa, cuscinetti per alberi di turbine eoliche e ingranaggi planetari, lame da taglio in acciaio inox e pompe a pistoni per la lavorazione alimentare, componenti scorrevoli per le operazioni di riempimento e imbottigliamento. I rivestimenti sono anche una tecnica collaudata per il miglioramento di parti rotanti critiche in trasmissioni idrauliche, sistemi di iniezione del carburante, tenute meccaniche, pompe e valvole.
Sarebbe limitante considerare i DLC semplicemente come rivestimenti in carbonio amorfo idrogenato (a-C:H), perché questi rivestimenti possono essere altamente ingegnerizzati in base al contenuto di idrogeno (idrogenato o privo di idrogeno), alla possibilità del dopaggio attraverso l'aggiunta di elementi metallici e non metallici, alla presenza di sottostrati e alla scelta dei metodi di deposizione e incollaggio.
Questi fattori possono essere controllati con precisione per creare un'ampia gamma di rivestimenti DLC depositati a strati sottili (in genere da 1 a 5 μm), con una durezza compresa tra 8 e 80 GPa o superiore (il diamante, il materiale più duro conosciuto, ha una durezza compresa tra 70 e 150 GPa). È possibile anche stabilire il coefficiente di attrito desiderato, la finitura superficiale e persino la temperatura dell’applicazione.
Grazie all'ampia gamma di caratteristiche personalizzabili disponibili all'interno della categoria, i rivestimenti DLC possono svolgere un ruolo importante nello sviluppo di componenti sin dalle prime fasi di progettazione.
Rivestimenti in carbonio amorfo idrogenato
Il rivestimento al carbonio amorfo idrogenato (a-C:H) è il rivestimento DLC più conosciuto e viene spesso applicato tramite Deposizione Chimica da Vapore Assistita dal Plasma (PACVD). Questo metodo di deposizione provoca una reazione chimica attraverso l'eccitazione e l’ionizzazione del plasma, che genera una durezza del rivestimento di circa 15-30 GPa, collocando questo rivestimento nella fascia più bassa tra i DLC.
Tuttavia, il rivestimento al carbonio amorfo idrogenato può essere ulteriormente manipolato mediante il dopaggio, ovvero un processo che consiste nell'aggiungere elementi chimici per alterarne le proprietà prestazionali. Il silicio, l'ossigeno o i metalli possono essere utilizzati come elementi di dopaggio per ottenere risultati diversi.
Rivestimenti DLC privi di idrogeno
Un'alternativa al DLC idrogenato è il rivestimento DLC privo di idrogeno, che offre una durezza ancora maggiore e un coefficiente di attrito molto basso.
Questi rivestimenti possono essere applicati negli ambienti più esigenti, compresi quello dei veicoli ad alte prestazioni, soggetti a condizioni estreme di attrito, usura e pressione superficiale di aree del motore e della distribuzione. Il rivestimento può essere utilizzato sul sistema di iniezione del carburante, sull'albero a camme, sui perni dei pistoni, sulle valvole, sui sollevatori e sui finger follower, dove ci sono elevate pressione di contatto e velocità di scorrimento. Il rivestimento è inoltre ideale per l'utilizzo su parti di pompe idrauliche, tenute meccaniche e componenti di valvole ad alta pressione.
La maggior parte dei rivestimenti privi di idrogeno viene applicata utilizzando il metodo di Deposizione Fisica da Vapore (PVD) mediante evaporazione ad arco, che produce il carbonio amorfo tetraedrico, o ta-C. Con un alto livello di legami tetraedrici (per lo più 50-60%), si ottiene una resistenza all'usura abrasiva notevolmente superiore rispetto alle alternative a-C:H.