具有dlc涂層的零件和應(yīng)用dlc涂層的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種零件，該零件具有呈WC-C組成梯度、沒(méi)有含金屬的底漆且沒(méi)有離子植入層的層和在劃痕測(cè)試中具有粘合行為特征的DLC表面層。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有DLC涂層的零件和應(yīng)用DLC涂層的方法
[0001]本發(fā)明涉及DLC (類(lèi)金剛石碳)涂層的【技術(shù)領(lǐng)域】，且尤其是用于摩擦零件的DLC涂層的【技術(shù)領(lǐng)域】 。
[0002]本發(fā)明在降低如活塞桿、凸輪軸、氣門(mén)挺桿、氣缸、活塞環(huán)等以及更普遍地在負(fù)載下的摩擦的情況下的摩擦系數(shù)方面具有格外有利的應(yīng)用。為了降低這種摩擦，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全意識(shí)到可以應(yīng)用DLC涂層到所述的零件。
[0003]本發(fā)明也可以具有在對(duì)由涂層提供的表面具有黑色存在需求方面的應(yīng)用，這種應(yīng)用不涉及任何降低摩擦的企圖。
[0004]本領(lǐng)域技術(shù)人員通常也已知部件上的DLC膜的低粘附在某些應(yīng)用中能夠帶來(lái)實(shí)際的問(wèn)題。為了改善粘附的一種技術(shù)方案包括使用基于例如硅或鉻的含金屬的粘附層。已經(jīng)提出各種技術(shù)方案。
[0005]例如文件W02011/018252描述了具有由粘附層、含金屬的DLC涂層和無(wú)金屬的DLC涂層組成的涂層的摩擦零件。粘附層優(yōu)選為具有Iym最大厚度的鉻涂層，而含金屬的DLC涂層優(yōu)選為由WCC碳化鎢組成。各層和涂層的厚度比被限制在一定的數(shù)值范圍，以便在這些范圍外，如果DLC厚度太小,部件的使用壽命將被縮短,而如果DLC厚度太大,部件將呈現(xiàn)過(guò)早剝離或剝落的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]文件W00179585公開(kāi)了具有粘附層、過(guò)渡層和類(lèi)金剛石碳層的多層系統(tǒng)。粘附層包括在第4、第5或第6副族元素和硅，而過(guò)渡層包括碳和在第4、第5或第6副族和硅中的至少一種元素。上層主要由類(lèi)金剛石碳組成。該系統(tǒng)具有至少15GPa的硬度和至少HF3的粘附強(qiáng)度。
[0007]一般而言，觀(guān)察到DLC膜與DLC膜中的內(nèi)應(yīng)力相關(guān)的此底漆分層并且這種分層增加這樣的膜的厚度。在單獨(dú)的步驟中形成此粘附的底漆也是明顯的并且這增加了方法的成本并使這種方法更復(fù)雜。
[0008]本發(fā)明自身設(shè)定了以簡(jiǎn)單的、可靠的、有效的和高效的方式克服這些缺點(diǎn)的目的。
[0009]本發(fā)明擬解決的問(wèn)題是生產(chǎn)不使用基于現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)的含金屬的粘附底漆(例如硅或鉻)的具有改善的粘附的DLC膜。
[0010]為了解決上述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和完善了具有呈WC-C組成梯度且沒(méi)有含金屬的底漆的層和在劃痕測(cè)試中具有粘合行為特征的DLC表面層的金屬零件。
[0011]通過(guò)一種方法有利地解決指出的問(wèn)題，其中:
[0012]-微波蝕刻零件；
[0013]-使零件承受WC-C組成梯度層；
[0014]-使用微波等離子體應(yīng)用DLC涂層到WC-C涂層；
[0015]微波蝕刻可以比通過(guò)調(diào)節(jié)離子流使用二極管蝕刻獲得更有效的蝕刻(不管待處理零件的幾何形狀)。也可以在低回火溫度下蝕刻零件而不會(huì)使它們變劣。還觀(guān)察到與傳統(tǒng)的DLC涂層相比，使用微波DLC涂層可以使應(yīng)用工藝時(shí)間降低大致50%。
[0016]有利地，產(chǎn)生氬等離子體，以便獲得壓力范圍從0.05到0.5Pa的蝕刻。
[0017]根據(jù)另一方面，通過(guò)使用磁控管PVD技術(shù)產(chǎn)生WC-C組成梯度層。開(kāi)始用第一純WC層，接著是烴氣例如C2H2的上升(rampe)，最后是WC-C層。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，WC-C組成梯度層的厚度是0.3到10 μ m以及有利地為0.8 μ m，除了需要更大的厚度例如活塞環(huán)的那些應(yīng)用之外。
[0018]根據(jù)另一方面，DLC涂層具有I到20 μ m的厚度。
[0019]本發(fā)明也涉及具有應(yīng)用到微波蝕刻的零件所具有的WC-C組成梯度層上的DLC涂
層的摩擦零件。
[0020]下面參照附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中:
[0021]圖1為使用劃痕測(cè)試方法的涂層的斷裂輪廓的視圖。
[0022]圖2為在粘附剝落的情況下沿圖1中的線(xiàn)A-A的橫截面圖。
[0023]圖3為在粘合剝落的情況下沿圖1中的線(xiàn)A-A的橫截面圖。
[0024]圖4為在粘合/粘附剝落的情況下沿圖1中的線(xiàn)A-A的橫截面圖。
[0025]如上所述，現(xiàn)有技術(shù)描述了 DLC涂層，其包括，在任何情況下，由例如純Cr組成的粘附底漆，接著是基于碳化鎢的層，其中碳含量逐漸增加直到獲得具有確保沒(méi)有摻雜金屬的沉積的DLC粘附的目的的鎢摻雜的DLC層。
[0026]在本發(fā)明的內(nèi)容中，進(jìn)行了測(cè)試以便比較通過(guò)產(chǎn)生具有一個(gè)或多個(gè)粘附底漆的DLC涂層和根據(jù)本發(fā)明各方面的沒(méi)有使用粘附層的DLC涂層獲得的結(jié)果。
[0027]沉積在含金屬的襯底上的材料在之前已被離子蝕刻以便消除任何表面氧化物而增強(qiáng)涂層的粘附。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉各種離子蝕刻技術(shù)，即，主要是二極管蝕刻、三極管等離子體蝕刻和ECR微波蝕刻。
[0028]二極管蝕刻涉及在氬氣氣氛中在1-1OPa的壓力下施加幾百伏的負(fù)電壓(< -500V)到襯底。在這些條件下，零件周?chē)l(fā)光放電并且等離子體中的正氬離子轟擊襯底的表面，這允許表面濺射并且消除氧化物。
[0029]使用三極管等離子體技術(shù)，通過(guò)等離子體放大器在低壓(0.1到IPa)下產(chǎn)生密集的氬等離子體。正氬離子通過(guò)使襯底負(fù)偏壓來(lái)加速并且它們蝕刻表面。關(guān)于這種類(lèi)型的方法，負(fù)壓必須在-250V到-500V之間以實(shí)現(xiàn)最大蝕刻效率。
[0030]ECR微波蝕刻使得可以在0.05到0.5Pa的壓力范圍內(nèi)產(chǎn)生氬等離子體。通過(guò)最好是-50V到-250V的負(fù)壓使零件偏壓。
[0031]這些蝕刻技術(shù)中的每一種被用于這些測(cè)試。蝕刻之后，通過(guò)磁控管陰極濺射在一些測(cè)試試樣上產(chǎn)生純鉻粘附底漆以獲得大約0.1到0.2 μ m的鉻厚度。然后通過(guò)磁控管陰極濺射在所有測(cè)試試樣上沉積碳化鎢，逐漸增加烴流量，使得可以使沉積的碳富集成超過(guò)50%的原子濃度，以便實(shí)現(xiàn)最終DLC涂層的粘附。含鎢層具有大約0.5 μ m的厚度并且DLC是大約2 μ m厚，除了實(shí)施例9和10的含鎢層的厚度被增加到1.5 μ m之外。
[0032]下表概括了測(cè)試條件。
【權(quán)利要求】
1.金屬零件，所述金屬零件具有呈WC-C組成梯度、沒(méi)有含金屬的底漆且沒(méi)有離子植入層的層和在劃痕測(cè)試中具有粘合行為特征的DLC表面層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零件，覆蓋有DLC涂層，所述DLC涂層被應(yīng)用到微波蝕刻的零件所具有的WC-C組成梯度層。
3.應(yīng)用DLC涂層到金屬零件的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟: -微波蝕刻所述零件， -使所述零件承受WC-C組成梯度層， -使用微波等離子體 應(yīng)用所述DLC涂層到所述WC-C層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于產(chǎn)生氬等離子體，以便在0.05到0.5Pa的壓力范圍內(nèi)蝕刻。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于通過(guò)磁控管PVD產(chǎn)生所述WC-C組成梯度層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于開(kāi)始用第一純WC層，接著是烴流量上升，最后是WC-C層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于所述WC-C組成梯度層的厚度為0.3到10 μ m以及有利地為0.8 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述DLC涂層具有I到20μ m的厚度。
9.使用權(quán)利要求3-8中任一項(xiàng)所述的方法唯一獲得的覆蓋有DLC涂層的零件，其特征在于沒(méi)有含金屬的底漆和沒(méi)有離子植入層并且具有WC-C組成梯度。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103547707SQ201280024158
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月19日
【發(fā)明者】克里斯托弗·埃奧, 勞倫·波姆比倫, 菲利普·毛林-佩里耶 申請(qǐng)人:H.E.F.公司