專利名稱：摩擦學(xué)結(jié)合耐腐蝕性物理氣相沉積和等離子體輔助化學(xué)氣相沉積涂層新家族的制作方法
摩擦學(xué)結(jié)合耐腐蝕性物理氣相沉積和等離子體輔助化學(xué)
氣相沉積涂層新家族本發(fā)明涉及通過物理氣相沉積(PVD)和/或等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD) 形成的涂層，和現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案相比，具有良好的摩擦性能和改進(jìn)的耐腐蝕性。已知 PVD和PACVD涂層提供優(yōu)異的摩擦性能并被廣泛應(yīng)用于例如工具的耐磨損涂層。然而由于涂覆過程中幾乎不可能避免針孔，導(dǎo)致耐腐蝕性差。針孔或由薄膜形態(tài) (晶界等)產(chǎn)生或由薄膜生長(zhǎng)(涂層沉積產(chǎn)生的缺陷)產(chǎn)生。因而對(duì)于許多涂層材料而言， 當(dāng)使用PVD和/或PACVD技術(shù)時(shí)，幾乎不可能避免針孔。腐蝕尤其在航空航天應(yīng)用中是問題，因?yàn)楦鱾€(gè)元件例如渦輪機(jī)暴露在嚴(yán)苛環(huán)境條件下，并且更換困難因而昂貴。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供生產(chǎn)PVD和/或PACVD涂層的方法，該涂層具有良好的摩擦性能和優(yōu)異的耐腐蝕性。在許多情況下針孔延伸貫穿始于基底1的涂層到涂層表面(通孔)。根據(jù)本發(fā)明， 為了避免尤其是這些通孔進(jìn)行了測(cè)量。令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些通孔被避免時(shí)，耐腐蝕性顯著提高。在鹽霧試驗(yàn)(EN IS09227 :2006)中，與標(biāo)準(zhǔn)涂層的約30h相比，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的涂層顯示了大于150h的耐腐蝕性。注意，根據(jù)本發(fā)明，針孔沒有避免，且數(shù)目不是必然減少，然而進(jìn)行測(cè)量要避免特殊種類的從涂層的基底側(cè)到涂層的表面?zhèn)鹊耐?。根?jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，如

圖1所示，針孔被整體密封，另外提供耐腐蝕性的層5在功能性涂層系統(tǒng)的下部和/或其中和/或表面。因此，必須選擇致密和絕緣的材料， 其以減少針孔數(shù)目且優(yōu)選沒有針孔使用。我們的進(jìn)步性在于如下材料a.基于硅的涂層(由含硅靶濺射或采用含硅前體通過PACVD沉積)b.不同的金屬氮化物(例如氮化鋁或氮化硅)c.不同的金屬氧化物(例如氧化鋁或氧化硅)根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案，具有不連續(xù)針孔的多層系統(tǒng)7是一體的。如圖2所示。這能夠通過使用作為具有顯著不同形態(tài)的不同單層的多層獲得，并因此導(dǎo)致了針孔在多層系統(tǒng)中的不連續(xù)生長(zhǎng)。例如可結(jié)合下列材料形成這樣的多層系統(tǒng)d. Cr, CrNe. Ti, TiNf. Al, AlNg.基于碳的涂層h.基于硅的涂層^fcJC :D. Pech φ, Duplex SiCN/DLC coating as a solution to improve fretting-Corrosion resistance of steel, Wear (2009), doi :10. 1016/ j. wear. 2008. 12. 007中，作者在基底和DLC層之間采用SiCN層以改進(jìn)DLC層對(duì)基底的粘附性，和改進(jìn)鋼的耐腐蝕性。
本發(fā)明的目的在于進(jìn)一步改進(jìn)基底的耐腐蝕性而不危害涂覆表面的耐磨損性。可通過在DLC層上提供由Si-C-H、Si-C-N或Si-C-H-N或其組合形成的頂層來達(dá)到該目的。 下文將借助不同的實(shí)施方案來詳細(xì)描述本發(fā)明。本實(shí)施例涉及類金剛石(DLC)層，其用于解釋和證明本發(fā)明的效果。然而這并不是想將本發(fā)明的范圍局限于DLC層。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉如何將如下實(shí)施例的教導(dǎo)轉(zhuǎn)用到其它層系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，在DLC層上形成Si-C-H層。下面將說明涂層如DLC 層的主要工藝步驟。關(guān)于如何生產(chǎn)這種層的更詳細(xì)的說明參考US20080292812A1，引入其作為本說明書的參考?；资怯?7Cr3(—種鋼材料)制備的活塞栓。該標(biāo)號(hào)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知。沉積在OC Oerlikon Balzers AG的裝置上進(jìn)行。這是一種真空處理裝置，具有真空腔室，在真空腔室內(nèi)采用用來產(chǎn)生導(dǎo)電低電壓電弧放電(NVBE)的設(shè)備，該設(shè)備由陰極和陽極構(gòu)成，通過電弧產(chǎn)生器與陰極電互聯(lián)，其中陽極表面的至少一部分由石墨制備，并加熱到一定溫度以避免材料沉積在陽極上。離子和/或電子源，尤其是低電壓電弧放電陰極安裝在接近裝置軸處，并連接到電弧產(chǎn)生器的出口。由石墨材料形成的圓盤也安裝在接近裝置軸處，然而在與陽極相對(duì)的腔室壁上，所述圓盤形成低電壓電弧陽極。在操作期間接近腔室軸處，在陰極和陽極之間形成低電壓電弧。也可預(yù)見氣體進(jìn)料，允許引入的氣體如四甲基硅烷(Si (CH3)4),以下稱為TMS，其形成含硅前體，常用于DLC涂覆工藝，以采用硅摻雜DLC層。當(dāng)工件插入腔室后，腔室壓力抽至約l(T4mbar。設(shè)定加工溫度并進(jìn)行蝕刻步驟以清潔基底表面后，在基底上涂覆約0. 6 μ m的鉻層以增加基底和隨后要涂覆的DLC層之間的粘附性。在接下來的涂覆步驟中進(jìn)行具有DLC層的基底涂覆。對(duì)于該涂覆，采用120sCCm的 C2H2流量、IOOsccm的氬流量、0. 36Pa的加工壓力、-800V的基底電壓，在約290°C的沉積溫度和90分鐘的沉積時(shí)間下，操作低電壓電弧。據(jù)此沉積約2. 2 μ m的DLC層。采用以下涂覆參數(shù)在該DLC層頂部并根據(jù)本發(fā)明沉積0. 8 μ m厚的Si_C_H層作為外層在60分鐘沉積時(shí)間過程中，采用120SCCm的TMS流量和-600V的基底電壓。在此沉積過程中，沒有電弧燒穿。據(jù)此通過在C原子間形成共價(jià)鍵形成附著在底部DLC層上的 Si-C-H 層。除了進(jìn)一步改進(jìn)上述的層系統(tǒng)，還可在基底或鉻層和DLC層之間提供中間層，其顯著改進(jìn)DLC層對(duì)基底或如果給定的鉻層之間的粘附性。任何其它合適的粘附層材料例如 Cr-C,Si-C-HXr-SiXrN或其組合均可用做粘附層。優(yōu)選在粘附層上形成DLC中間層做為梯度層，這表示粘合材料的濃度隨著DLC材料濃度的增加而同時(shí)下降。這可以是連續(xù)或逐步的。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方案的層系統(tǒng)的設(shè)置。顯示的是基底401，被 0. 6 μ m厚的鉻層403和2. 2 μ m厚的DLC層405覆蓋。在DLC層頂部是0. 8 μ m厚的Si-C-H 層 407。該本發(fā)明層采用下述所謂的銷-盤試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。在該測(cè)試中，將未涂覆的鋼球壓到旋轉(zhuǎn)的由將要測(cè)試的涂層涂覆的圓盤上。該球以30N的施加負(fù)載壓在圓盤上，允許測(cè)量摩擦系數(shù)并分析涂層的磨損軌跡和計(jì)算整體的磨損。將本發(fā)明涂層的測(cè)量與不具有外部 Si-C-H層的DLC涂層進(jìn)行比較。圖5顯示了作為運(yùn)行距離的函數(shù)的摩擦系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)DLC涂層為虛線并且本發(fā)明 DLC-SiCH組合為實(shí)線。不是非常驚訝，本發(fā)明層系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)顯示比標(biāo)準(zhǔn)DLC層稍差。 從該圖可知，本發(fā)明涂層的摩擦系數(shù)似乎稍高于標(biāo)準(zhǔn)DLC涂層的摩擦系數(shù)。但這也許是由于測(cè)量的誤差。可看出覆蓋本發(fā)明涂層的測(cè)量顯示了明顯的噪音水平。但是非常驚訝的是以下事實(shí)相對(duì)于對(duì)立體(counter body)的磨損，與產(chǎn)生0. 99 μ m的標(biāo)準(zhǔn)DLC涂層相比，本發(fā)明涂層以0. 62 μ m顯示小得多。對(duì)于該令人驚訝的效果的一個(gè)可能的解釋是，在同相運(yùn)行過程中Si-C-H材料被壓入DLC層的針孔中并保留在那里，而SiCH層的其它部分被移除。圖6圖示了這種情況， 顯示了至少部分填充的針孔409。由于由該Si-C-H涂層提供的光滑性，對(duì)立體不再過多地經(jīng)歷由含DLC層的針孔形成的堅(jiān)硬邊緣，因?yàn)樗鼈冎辽俨糠值乇籗i-C-H材料填充，因此顯著地降低了對(duì)立體的磨損。除活塞栓之外，發(fā)明人測(cè)試了分叉管道、軸和閥桿，以及阻尼管和手表部件。對(duì)于所有這些應(yīng)用，根據(jù)所討論的實(shí)施方案的涂層顯示出對(duì)于腐蝕改進(jìn)的特性，同時(shí)耐磨損性能改進(jìn)或保持不變。公開了包括至少部分覆蓋基底表面的含類金剛石(DLC)層的基底，其特征在于含 DLC層的至少一些針孔，優(yōu)選大多數(shù)針孔被至少一種不同于含DLC層的材料封閉。所述基底的特征可在于至少一種材料包括Si并且，如果含DLC層自身且因此在針孔以外的區(qū)域包含Si，則在含DLC層的至少一些針孔內(nèi)的硅濃度高于含DLC層內(nèi)的平均硅濃度。至少一種材料可覆蓋含類金剛石層，從而封閉針孔。至少一種材料可以是Si-C-H、Si-C-N, Si_C-H_N中的一種或其組合，但是優(yōu)選 Si-C-H?？深A(yù)見粘附層在合DLC層和基底之間，粘附層材料優(yōu)選是選自鉻、Cr-C, Si-C-H, Cr-Si和Cr-N或其兩種或多種的組合的材料?？深A(yù)見在DLC層和基底之間是中間層，其中DLC材料的濃度優(yōu)選以梯度層的形式增加，最優(yōu)選連續(xù)或逐步地增加。還公開了在基底上制備耐磨損和耐腐蝕性表面的方法，所述方法包括如下步驟-提供基底，-采用含類金剛石(DLC)層涂覆所述基底，所述含DLC層包括針孔，-通過具有不同于形成含DLC層的材料的涂覆材料的涂覆層封閉含DLC層的至少一些，優(yōu)選大多數(shù)，最優(yōu)選基本全部針孔。該方法可包括這樣的步驟，其中在涂覆含DLC層之前，表面涂覆粘附層，所述粘附層優(yōu)選是鉻層。附圖標(biāo)記1 基底3功能性涂層系統(tǒng)5耐腐蝕性提供層
7多層系統(tǒng)
401基底
403鉻層
405DLC層
407Si-C-H層
權(quán)利要求
1.包括至少部分覆蓋基底表面的含類金剛石(DLC)層的基底，特征在于所述含DLC層的至少一些針孔，優(yōu)選大多數(shù)針孔被至少一種不同于所述含DLC層的材料封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基底，特征在于所述至少一種材料包括Si并且，如果所述含DLC 層自身且因此在針孔以外的區(qū)域包含Si，則在所述含DLC層的至少一些針孔內(nèi)的硅濃度高于所述含DLC層內(nèi)的平均硅濃度。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的基底，特征在于所述至少一種材料覆蓋所述含類金剛石層，從而封閉所述針孔。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的基底，特征在于所述至少一種材料是Si-C-H、Si-C-N, Si-C-H-N中的一種或其組合，但是優(yōu)選Si-C-H。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的基底，特征在于預(yù)見粘附層在所述含DLC層和所述基底之間，該粘附層的材料優(yōu)選是選自鉻、Cr-C, Si-C-H、Cr-Si和Cr-N或其兩種或多種的組合的材料。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的基底，特征在于預(yù)見在所述DLC層和所述基底之間是中間層，其中DLC材料的濃度優(yōu)選以梯度層的形式增加，最優(yōu)選連續(xù)或逐步地增加。
7.在基底上制備耐磨損和耐腐蝕性表面的方法，所述方法包括如下步驟-提供基底，-采用含類金剛石(DLC)層涂覆所述基底，所述含DLC層包括針孔，-通過具有不同于形成所述含DLC層的材料的涂覆材料的涂覆層封閉所述含DLC層的至少一些，優(yōu)選大多數(shù)，最優(yōu)選基本全部針孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，特征在于在涂覆含DLC層之前，表面涂覆粘附層，所述粘附層優(yōu)選是鉻層。
全文摘要
本發(fā)明涉及在基底上對(duì)于磨損和腐蝕具有改進(jìn)的保護(hù)的涂層系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明基底被類金剛石(DLC)層涂覆。采用具有不同于DLC涂層材料的材料的附加層涂覆該DLC層，從而封閉該DLC層的針孔。
文檔編號(hào)C23C14/58GK102498232SQ201080035172
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者A·吉斯 申請(qǐng)人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)