專利名稱：具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多種類型的表面涂覆有硬質(zhì)膜的滑動部件，它們可以用于機(jī)械設(shè)備、 汽車等，并且涉及一種用于制造所述滑動部件的方法。
背景技術(shù)：
因?yàn)橥ㄟ^用硬質(zhì)膜如類金剛石碳(在下文中有時稱作DLC)膜或陶瓷膜涂覆金屬基材的表面而形成的部件能夠提高如耐磨損性和可滑動性這樣的特性，所以它被用作在苛刻環(huán)境中使用的滑動部件。其中，涂覆有維氏(Vickers)硬度為2000HV至3000HV以上的 DLC膜的滑動部件在耐磨損性和可滑動性方面出色，并且因此，可以將其廣泛地使用。用于形成DLC膜的代表性方法包括化學(xué)氣相沉積(在下文中有時稱作CVD)方法和物理氣相沉積(在下文中有時稱作PVD方法)。然而，在其中在涂覆操作過程中溫度達(dá)到 1000°C以上的CVD方法的情況下，基材傾向于顯著地變形。尤其是，在使用鋼基材作為典型實(shí)例的情況下，所述鋼基材包括最適合用于本案技術(shù)領(lǐng)域的工具鋼，CVD方法在由淬火和回火熱處理引起的熱處理應(yīng)變方面是有問題的，所述淬火和回火熱處理通常在涂覆操作之后進(jìn)行。據(jù)此，在其中對于部件本身的形狀要求精度的本案的技術(shù)領(lǐng)域中，有益的是應(yīng)用能夠在相對低的溫度下形成膜并且在膜形成后不需要上述熱處理的PVD方法。然而，即使在PVD方法的情況下，需要相當(dāng)注意膜對基材的附著性。因此，已經(jīng)提出了用于改善附著性的多種方法。例如，為了提高膜對工具鋼基材的附著，已經(jīng)提出了包括以下各步的方法用氬氣轟擊基材的表面，并且之后根據(jù)濺射法用類金剛石碳對其涂覆 (專利文獻(xiàn)1 JP2005-068499A)。關(guān)于這種轟擊，已經(jīng)提出了一種包括以下各步的方法進(jìn)行金屬轟擊，其中使用鈦等作為所要涂覆的物質(zhì)，以及之后用DLC膜以對于工具鋼基材具有出色附著的中間金屬膜居間來涂覆基材(專利文獻(xiàn)2 JP2003-082458A)。專利文獻(xiàn)1 JP 2005-068499A專利文獻(xiàn)2 JP 2003-082458A發(fā)明公開本發(fā)明所要解決的問題專利文獻(xiàn)1和2中所描述的不同轟擊作為用于改善物理氣相沉積膜對基材的附著行的基本方式是有效的。除了這些轟擊以外，專利文獻(xiàn)2中描述的用中間金屬膜涂覆也展現(xiàn)出進(jìn)一步改善上述附著性的巨大效果。然而，為了在PVD方法的領(lǐng)域內(nèi)改善DLC的涂層附著性，除了如專利文獻(xiàn)1和2中所描述的“PVD條件”的改善之外，最優(yōu)化“基材自身”的改善也是有效的。換言之，在用硬質(zhì)膜如DLC膜涂覆基材的情況下，即使基材在涂覆操作之前具有高硬度，該基材也通過涂覆操作過程中的加熱變軟，并且作為結(jié)果，可以容易地將DLC膜移除。該事實(shí)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。PVD方法使得能夠在比CVD方法的溫度低的溫度下進(jìn)行涂覆處理，并且當(dāng)形成DLC膜時基材的溫度為大約200°C。如果在該基材上進(jìn)行上述轟擊，在轟擊操作過程中其溫度達(dá)到300°C以上。此外，如果在基材上進(jìn)行具有高碰撞能量的金屬轟擊，其溫度達(dá)到400°C以上。據(jù)此，在上述轟擊的過程中需要即使在500°C的高溫下也幾乎不變軟并且具體地保持58HRC以上的高Rockwell硬度的材料作為基材。在主要以切割工具作為目標(biāo)的專利文獻(xiàn)1中，因?yàn)橛米骰牡母咚俟ぞ咪摵写罅康暮辖鹪厝鏜o、W、V和Nb，在PVD膜的形成過程中該基材保持高硬度。然而，雖然這種高速工具鋼需要大量的昂貴合金元素的添加，它具有不足的耐蝕性。因此，其應(yīng)用環(huán)境受到限制，并且因而，在本案的技術(shù)領(lǐng)域中該高速工具鋼被認(rèn)為是需要根本改進(jìn)的基材。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種滑動部件，所述滑動部件即使在根據(jù)PVD方法將基材用DLC膜涂覆的過程中進(jìn)行金屬轟擊的情況下也獲得出色的涂層附著性。用于解決問題的方法本發(fā)明的發(fā)明人對于提供具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件進(jìn)行了深入的研究。作為結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)用中間金屬膜涂覆基材的上述方法應(yīng)該在通過 PVD方法將基材用DLC膜涂覆之前進(jìn)行。他們還發(fā)現(xiàn)在上述涂覆操作之前在基材上進(jìn)行金屬轟擊是有效的。因而，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了保持高附著強(qiáng)度的基材，無論是否進(jìn)行金屬轟擊所述基材都保持高硬度；即，優(yōu)選即使在500°C以上的高溫處理下也保持58HRC以上的調(diào)節(jié)硬度 (adjustment hardness)。從而，他們完成了本發(fā)明的表面涂覆滑動部件。此外，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在上述金屬轟擊和隨后的用中間膜涂覆基材的方法之間存在特定的且有效的組合條件。通過指定這種預(yù)形成膜處理?xiàng)l件，本發(fā)明的發(fā)明人完成了本發(fā)明的用于制造表面涂覆滑動部件的方法，通過所述方法，尤其可以顯著地改善硬質(zhì)膜的附著性。詳細(xì)地，本發(fā)明涉及具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中基材的表面涂覆有硬質(zhì)物理氣相沉積膜，所述基材以質(zhì)量％計包含，C :0. 5%至0.8%，Si 0. 至 1. 5%, Mn 0. 2%M 1. 0%, Cr :8. 0%至 13. 5%, Mo 和 / 或 W :0. 5%至 4. 0% (以 Mo+l/2ff 計)，N :0. 01%至0. 1%，并且余量組成為Fe和雜質(zhì)，其中所述物理氣相沉積膜包含鈦金屬膜和進(jìn)一步涂覆該鈦金屬膜的類金剛石碳膜。該基材優(yōu)選包含Cr :9.0%至11.0%。另外， 該基材優(yōu)選包含S :0. 以下、Ca 0. 以下、以及Mg :0. 03%以下中的一種以上，或者進(jìn)一步地，它優(yōu)選包含V :1.0%以下、Nb :0. 3%以下、Ni :1.0%以下、和Cu :0. 5%以下中的一種以上。該基材適宜地具有58HRC以上的硬度。上述物理氣相沉積膜適宜地包含具有 1000HV以上的表面硬度的類金剛石碳膜。此外，物理氣相沉積膜在鈦金屬膜與類金剛石碳膜之間適宜地包含由鈦和碳組成的混合梯度膜，其中鈦含量朝向類金剛石碳膜一側(cè)逐漸的下降。同樣，本發(fā)明涉及用于制造表面涂覆滑動部件的方法，其中基材的表面涂覆有硬質(zhì)物理氣相沉積膜，所述基材以質(zhì)量％計包含，C :0. 5%至0.8%，Si 0. 至1.5%，Mn 0. 2%M 1. 0%,Cr :8. 0%M 13. 5%，Mo禾口/或W :0. 5%至4· 0% (以Mo+l/2W計)，N :0. 01% 至0. 1%，并且余量組成為Fe和雜質(zhì)，所述方法包括將基材根據(jù)濺射法用鈦金屬膜涂覆并且之后用類金剛石碳膜作為表面層涂覆，從而基材涂覆有包含鈦金屬膜和類金剛石碳膜的物理氣相沉積膜。在用物理氣相沉積膜涂覆基材之前需要在基材上進(jìn)行氬氣轟擊。此外，適宜的是，在將基材用物理氣相沉積膜涂覆之前，在基材上根據(jù)電弧離子鍍方法進(jìn)行鈦金屬離子轟擊，并且隨后，將所述基材用物理氣相沉積膜涂覆。進(jìn)一步適宜地是，在基材上進(jìn)行鈦金屬離子轟擊之前，在基材上進(jìn)行氬氣轟擊。在完成鈦金屬離子轟擊之后，優(yōu)選在將基材保留在處理室內(nèi)的狀態(tài)下，接著根據(jù)濺射法用物理氣相沉積膜涂覆處理過的基材。該基材優(yōu)選包含Cr :9. 0%至11.0%。另外，該基材優(yōu)選包含S :0. 1 %以下、Ca 0. 以下、和Mg 0. 03%以下中的一種以上，或者進(jìn)一步地，它優(yōu)選包含V :1.0%以下、Nb 0.3%以下、Ni:1.0%以下、和Cu :0.5%以下中的一種以上。此外，該基材適宜地具有58HRC 以上的調(diào)節(jié)硬度。物理氣相沉積膜適宜地包含具有1000HV以上的表面硬度的類金剛石碳膜。此外， 適宜地根據(jù)非平衡磁控濺射法進(jìn)行物理氣相沉積膜的涂覆。此外，可以在鈦金屬膜與類金剛石碳膜之間進(jìn)行由鈦和碳組成的混合梯度膜的涂覆，該混合梯度膜具有朝向類金剛石碳膜一側(cè)逐漸下降的鈦含量。本發(fā)明的益處根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)榧词乖谄渲性趯⒒耐ㄟ^物理氣相沉積用DLC膜涂覆之前在其上進(jìn)行金屬轟擊的情況下，該基材也保持高硬度，所以提供具有出色的涂層附著性的滑動部件變得可能。附圖簡述[

圖1]圖1是實(shí)施例中進(jìn)行的涂層附著性測試中作為本發(fā)明實(shí)施例的17號樣品的膜上壓痕的顯微照片。[圖2]圖2是實(shí)施例中進(jìn)行的涂層附著性測試中作為本發(fā)明實(shí)施例的18號樣品的膜上壓痕的顯微照片。[圖3]圖3是實(shí)施例中進(jìn)行的涂層附著性測試中作為比較例的6號樣品的膜上壓痕的顯微照片。用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方案[本發(fā)明的表面涂覆滑動部件]本發(fā)明的表面涂覆滑動部件中包含的物理氣相沉積膜的特征在于將鈦金屬的中間膜涂布在DLC膜之下。換言之，作為硬質(zhì)膜的DLC膜的硬度達(dá)到大約1000HV以上，進(jìn)一步1500HV以上，并且再進(jìn)一步2000HV以上。據(jù)此，由膜的內(nèi)應(yīng)力引起的附著強(qiáng)度上的下降容易出現(xiàn)在基材與DLC膜之間。因此，在本發(fā)明中，作為用于降低該應(yīng)力差的基本方式，將鈦金屬膜設(shè)置于基材與DLC膜之間。因?yàn)樵撝虚g金屬膜與DLC膜比較具有低硬度，它可以緩沖基材與DLC膜之間產(chǎn)生的應(yīng)力差。因?yàn)檫@種鈦金屬膜對由金屬制成的基材具有高附著性，并且具有大約200至300HV的中等硬度，在上述緩沖應(yīng)力作用方面它是出色的。此外， 鈦金屬膜在涂覆操作的過程中具有高氧氣補(bǔ)足作用，并且因此它是優(yōu)選的金屬物種。在根據(jù)PVD方法用DLC膜涂覆基材之前作為預(yù)處理在基材上進(jìn)行的轟擊具有清潔基材的表面的作用，并且因此，該處理對于提高涂層附著性是有效的。然而，如果基材的硬度在轟擊過程中由于溫度升高而過度減小，它導(dǎo)致涂層附著性的變差。即，通常在涂覆處理之前的基材階段調(diào)節(jié)PVD涂覆部件的最終使用硬度。如果該部件由鋼制成，則通過淬火和回火熱處理進(jìn)行硬度調(diào)節(jié)。如果目標(biāo)調(diào)節(jié)硬度為58HRC以上，可以獲得這樣的硬度的回火溫度區(qū)域在從低溫大約100°C至高溫500°C以上的范圍之內(nèi)，并且如此，它依賴于鋼的類型而變化。據(jù)此，如果它是獲得58HRC以上的上述硬度的回火溫度為，例如，大約200°C的鋼， 即使在PVD-涂覆處理之前將該鋼調(diào)節(jié)至58HRC以上的目標(biāo)硬度，在隨后的轟擊過程中基材的溫度也升高。如果溫度很大地超過回火溫度，基材變軟。 因此，本發(fā)明的一個特征是硬度基本上不受到上述轟擊影響的基材。即，雖然可以獲得高調(diào)節(jié)硬度，如具體地58HRC以上，進(jìn)一步地59HRC以上，并且再進(jìn)一步地60HRC以上， 在高回火溫度下可以穩(wěn)定地獲得這種高調(diào)節(jié)硬度。即，本基材具有即使在用于金屬轟擊的 500°C的高溫下也保持上述硬度的合金組成。另外，與傳統(tǒng)的高速工具鋼比較該新基材是廉價的并且具有出色的耐蝕性。因此，該基材用于提供足以在由機(jī)油等引起的高腐蝕環(huán)境下使用的滑動部件。下面將說明該基材的成分組成。C:0.5%至0.8質(zhì)量％ (在下文中簡稱為％ )C是這樣的元素它可以增強(qiáng)基材的硬度并且作為高溫回火的結(jié)果與Cr、Mo或W 形成碳化物，以便確?；牡哪湍p性。然而，如果C的量過大，可會降低基材的韌性。此夕卜，如果基材中固溶體Cr的量由于碳化物的形成而下降，耐蝕性可能也變差。相反，如果 C的量過小，不能獲得上述附加效果。據(jù)此，C的量限定于0.5%至0.8%。優(yōu)選的下限為 0. 55%,并且更優(yōu)選0.6%。優(yōu)選的上限為0.75%，并且更優(yōu)選0.7%。Si :0.1%至 1.5%Si是這樣的元素作為脫氧元素加入并且在本發(fā)明中的高溫回火過程中可以增強(qiáng)硬度。然而，即使過量加入Si，上述效果的增加達(dá)到峰值，并且相反地它可能影響韌性或可熱加工性。據(jù)此，將Si的量設(shè)定為0. 至1.5%。優(yōu)選的下限為0.4%，更優(yōu)選0.6%， 并且再優(yōu)選0.8%。優(yōu)選的上限為1.3%，并且更優(yōu)選1. 1%。Mn :0.2%至 1.0%Mn是這樣的元素它可以增加鋼的強(qiáng)度而不使其韌性下降，并且也提高高溫回火過程中的硬度。然而，如果基材含有過量的Mn，它可以導(dǎo)致可加工性上的下降和低溫韌性。 同樣，容易出現(xiàn)加工硬化，并且在加工過程中，材料的彈性極限、屈服點(diǎn)、抗張強(qiáng)度、疲勞極限等會增加，并且伸長和擠壓會減少。此外，它可能引起回火過程中的脆化。因此，將Mn的量設(shè)定為0.2%至1.0%。優(yōu)選的下限為0.4%，并且更優(yōu)選0.6%。優(yōu)選的上限為0.8%。Cr :8· 0%至 13. 5%Cr可以改善可淬火性，并且通過控制合適的上限和下限，可以將通過高溫回火獲得的硬度增加至最大。另外，Cr還可以提高基材的耐蝕性。因此，Cr是用于增強(qiáng)滑動部件的通用性的重要元素。因?yàn)镃r的過量加入會影響可加工性和低溫韌性，將Cr的量設(shè)定為 8.0%至13.5%。優(yōu)選的下限為9.0%。優(yōu)選的上限為12.0%，并且更優(yōu)選11.0%。Mo 和 / 或 W :0· 5%至 4. 0% (以 Mo+l/2W 計)Mo和W是這樣的元素可以通過固溶體硬化或碳化物的析出硬化提高高溫回火之后的抗軟化性，并且也可以提高耐磨損性和耐熱疲勞性。此外，它們是可以形成硬碳化物并提高硬度的元素?？梢詥为?dú)地或者以其組合加入Mo和W。因?yàn)閃的原子量是Mo的原子量的兩倍，可以通過式(MO+1/2W)控制它們的含量。如果Mo和W的量過大，由于碳化物富集會導(dǎo)致可加工性的下降和韌性的裂化。據(jù)此，在本發(fā)明中，將Mo和/或W的量設(shè)定為0.5% 至4.0%。優(yōu)選的下限為1.0%。優(yōu)選的上限為3.0%。N :0.01%至 0.1%N是這樣的重要元素它具有固溶體硬化和氮化物的析出硬化的功能，以及將晶粒處理為細(xì)粒子的作用，并且可以增強(qiáng)基材的硬度。同樣，N是對于在得自高溫回火的硬度方面和蠕變特性方面改善有效的元素。然而，N的過量加入可以降低可加工性和低溫韌性。 據(jù)此，將N的量設(shè)定為0.01%至0. 1%。優(yōu)選的下限為0.03%，并且更優(yōu)選0.04%。優(yōu)選的上限為0. 08%，并且更優(yōu)選0. 07%。除了上述元素之外，必要時也可以將不可避免地混入至普通鋼中的S、Ca、Mg、V、 Cu、Nb和Ni加入至本發(fā)明的基材。下列各項(xiàng)中的一種以上S :0.1% 以下，Ca :0.1% 以下，和Mg :0.03% 以下。因?yàn)镾與基材中的Mn等形成硫化物以致提高切削性，如果需要可以將其加入。然而，S的過量加入會影響熱加工性、耐焊接裂紋性和耐蝕性。因此，即使加入這種S，其量為適宜地0.1%以下。優(yōu)選的下限為0.001%，并且更優(yōu)選0.004%。優(yōu)選的上限為0.08%， 并且更優(yōu)選0. 05%。適宜的是盡可能將S的量抑制在0. 01%以下。另一方面，Ca和Mg是可以產(chǎn)生多種夾雜物或與上述S形成硫化物以提高切削性的元素。據(jù)此，按需要，可以將Ca、Mg和上述S中的一種或兩種以上組合加入。當(dāng)加入這樣的Ca和Mg時，Ca的量為優(yōu)選0. 001 %以上，并且Mg的量為優(yōu)選0. 0002%以上。為了防止韌性等由于夾雜物的富集而變差，優(yōu)選的是將Ca的量設(shè)定為0. 以下并且將Mg的量設(shè)定為0. 03%以下。適宜地，可以將Ca的量抑制在0. 01 %以下，并且可以將Mg的量抑制在 0. 005% 以下。下列各項(xiàng)中的一種以上V :1.0% 以下，Nb :0.3% 以下，Ni :1.0% 以下，以及Cu :0.5% 以下。除了上述元素之外，也可以將V、Nb、Ni和Cu中的一種以上作為任選元素加入至本發(fā)明的基材。因?yàn)閂具有提高抗軟化性的作用，以及也提高如硬度、強(qiáng)度和韌性這樣性質(zhì)的作用，可以將其以1.0%以下的范圍內(nèi)的量加入。因?yàn)镹b具有防止晶粒在高溫回火過程中變大的效果，可以將其以0.3%以下的范圍內(nèi)的量加入。因?yàn)閂和Nb是昂貴的，適宜地將這些元素的使用限制在上述范圍之內(nèi)，無論是否將其加入?？梢詫⒛軌蛱岣唔g性和可硬化性的Ni以1.0%以下的范圍內(nèi)的量加入。因?yàn)镃u具有提高耐蝕性等的效果，可以將其以 0.5%以下的范圍內(nèi)的量加入。即使將上述基材加熱至400°C至500°C，或者更高的高溫，也可能保持58HRC以上的良好硬度。據(jù)此，對于表面通過PVD方法涂覆有DLC膜的滑動部件，這樣的基材是最優(yōu)的 在涂覆操作之前在其上特別地進(jìn)行轟擊。關(guān)于所要涂覆在此新基材上的物理氣相沉積膜，優(yōu)選的是將由鈦和碳組成的，其中鈦含量朝向DLC膜一側(cè)逐漸下降的混合梯度膜設(shè)置在上述鈦金屬膜與DLC膜之間。傳統(tǒng)上，DLC膜不利之處在于因?yàn)槠鋬?nèi)應(yīng)力大而具有低附著強(qiáng)度。因此，在本發(fā)明中，如上所述， 將鈦金屬膜作為中間膜引入以減輕這個關(guān)于應(yīng)力的問題。除此之外，適宜的是將在DLC膜與鈦金屬膜之間設(shè)置由鈦和碳組成的混合梯度膜，其中鈦含量朝向DLC膜一側(cè)逐漸降低。從而，可以獲得進(jìn)一步減少應(yīng)力的效果，并且基材與物理氣相沉積膜之間的總附著性提高。 此外，在這種情況下，因?yàn)樵撝虚g金屬膜的金屬物種是構(gòu)成梯度膜的金屬(即鈦)，可以容易地確定并調(diào)節(jié)膜的總構(gòu)成。為了獲得膜的功能和附著性兩者，適宜地將本發(fā)明的上述物理氣相沉積膜控制為以從鈦金屬膜開始膜的總厚度計大約0. 5至3mm。用于制備本發(fā)明的表面涂覆滑動部件的方法除了提供用于PVD的上述基材(當(dāng)進(jìn)行轟擊時是最優(yōu)的)以外，提供用于使用PVD 膜進(jìn)行實(shí)際涂覆處理的最優(yōu)條件是本發(fā)明的另一個特征，以致可以建立用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法。換言之，為了提高DLC膜的附著性，在基材上進(jìn)行作為預(yù)涂覆處理的轟擊是有效的。然而，在上述轟擊之后中間金屬膜的形成是必須要素 (如上所述)。即，在本發(fā)明中，無論這種轟擊存在或者不存在，在DLC膜的形成之前都將基材用由鈦金屬組成的中間膜涂覆。為了獲得平滑的DLC膜，有效的是用該鈦金屬膜根據(jù)濺射法涂覆基材。即，當(dāng)根據(jù)電弧離子鍍方法形成鈦金屬膜時，不利的是從充當(dāng)膜的蒸氣源的鈦金屬靶容易產(chǎn)生熔融的粒子(小液滴)，并且如果膜內(nèi)含有這種小液滴，鈦金屬膜的表面粗糙度可能變高。如果鈦金屬膜具有高表面粗糙度，將要在其上形成的DLC膜的表面粗糙度也變高。作為結(jié)果，抗咬合性會稍微變差。在將基材用上述鈦金屬膜涂覆之后，將其根據(jù)濺射法用DLC膜涂覆。通過使用濺射法，可以形成具有很少缺陷的光滑DLC膜。在這里，當(dāng)將基材用DLC膜涂覆時，適宜的是在涂覆操作的過程中調(diào)節(jié)施加至基材的偏壓。即，如果在涂覆操作的過程中將偏壓設(shè)定為相對較低(負(fù)壓)，隨著硬度下降(變軟)附著性提高。然而，根據(jù)本發(fā)明，通過鈦金屬膜的引入以及，例如，下述轟擊的組合使用已經(jīng)獲得了足夠的涂層附著性。因此，即使將偏壓設(shè)定的相對高也可以保持足夠的涂層附著性，并且從而增加了 DLC膜的硬度。另一方面，如果將上述偏壓設(shè)定的過低，變得難以形成DLC膜自身。相反，如果偏壓過高，存在裝置的溫度在涂覆操作過程中過度升高的擔(dān)憂，并且可能出現(xiàn)裝置的故障，膜自身的劣化，以及基材的軟化。考慮到這些問題，在本發(fā)明的DLC膜的形成過程中所施加的偏壓為優(yōu)選設(shè)定至大約-40至-250V。作為在DLC膜的形成之前在上述鈦金屬膜，或者優(yōu)選的混合梯度膜的形成過程中施加的偏壓，可以沒有任何問題地施加在DLC膜的形成過程中施加的上述偏壓。在上述濺射法中優(yōu)選通過非平衡磁控濺射法形成包含鈦金屬膜和DLC膜的物理氣相沉積膜。作為用于用包含DLC膜的物理氣相沉積膜涂覆基材的方式，存在傳統(tǒng)上應(yīng)用的非平衡磁控濺射法，上述方法通過有意地使得濺射源的磁場不平衡而提高到達(dá)基材的等離子體輻射，從而它在致密并且高附著性的膜的形成方面是有益的。據(jù)此，同樣在本發(fā)明中，優(yōu)選可以應(yīng)用非平衡磁控濺射法形成包含鈦金屬膜和DLC膜的物理氣相沉積膜。因?yàn)榉瞧胶獯趴貫R射法能夠使得不產(chǎn)生熔融粒子，所以可以形成光滑的膜。在將基材用上述物理氣相沉積膜涂覆之前，可以在其上進(jìn)行傳統(tǒng)的氬氣轟擊。當(dāng)進(jìn)行這種氬氣轟擊時，適宜地將施加于基材的偏壓設(shè)定為大約-100至-600V。此外，為了提高DLC膜的附著性，當(dāng)在將基材用上述物理氣相沉積膜涂覆之前在其上進(jìn)行金屬轟擊時，在金屬轟擊與隨后的中間金屬膜的形成之間需要特定的并且有效的組合條件。即，在DLC膜的形成之前，在基材上根據(jù)電弧離子鍍方法進(jìn)行鈦金屬離子轟擊， 并且之后，根據(jù)濺射法在其上形成包含鈦金屬的中間膜。如果尚未用本發(fā)明的包含上述中間金屬膜的物理氣相沉積膜涂覆的基材僅通過氬氣轟擊預(yù)處理，在一些情況下，在膜與基材之間的界面處產(chǎn)生大量的氧，并且它導(dǎo)致差的附著性。在界面處產(chǎn)生的這種氧主要是由最初就形成在基材的表面上的氧化膜引起，并且因此，它是難以通過氬氣轟擊移除的殘留元素。相反，因?yàn)榈米员景l(fā)明的金屬離子轟擊的電離元素的比重大于得自氬氣轟擊的電離元素的比重，它導(dǎo)致高碰撞能量，并且易于將基材的表面上的氧化膜移除。另外，通過施加電弧離子鍍方法而不是濺射法，自然地，所生成的與基材產(chǎn)生碰撞的離子的量顯著增加。 因此，將氧化膜從基材的表面移除的能力提高，并且可以獲得增加膜對基材的附著性的效果。據(jù)此，通過在金屬離子轟擊完成之后將基材根據(jù)下述溉射法用物理氣相沉積膜(即，鈦金屬膜和DLC膜)涂覆，本發(fā)明的特征可以在于，這種濺射法可以應(yīng)用于一系列的涂覆處理并且電弧離子鍍方法可以僅應(yīng)用于金屬離子轟擊。為了獲得上述效果，在金屬離子轟擊過程中適宜地向基材施加大約-400至-1000V的高負(fù)壓作為偏壓。此外，在該金屬離子轟擊中使用的金屬物種適宜地為鈦。因?yàn)殁伵c氧是高反應(yīng)性的，所以除了上述物理作用之外可以通過化學(xué)作用將氧化膜進(jìn)一步移除。在進(jìn)行本發(fā)明的鈦金屬離子轟擊之前，可以進(jìn)行傳統(tǒng)的氬氣轟擊。傳統(tǒng)的氬氣轟擊與鈦金屬離子轟擊的組合使用是優(yōu)選的。在進(jìn)行氬氣轟擊的情況下，在操作過程中適宜地將施加至基材的偏壓設(shè)定為大約-100至-600V。通過用與在鈦金屬離子轟擊中所使用的金屬元素相同的金屬膜涂覆之前已經(jīng)通過上述鈦金屬離子轟擊處理過的基材，進(jìn)一步提高了基材對鈦金屬膜的附著性。在其中使用電弧離子鍍方法用于鈦金屬離子轟擊的本發(fā)明中，痕量的鈦金屬元素可能留在處理過的基材的表面上。因此，通過使用含有同類的鈦金屬而不是使用不同類的金屬層在基材上形成中間金屬膜，可以增強(qiáng)基材與中間金屬膜之間的親和性。據(jù)此，當(dāng)在金屬離子轟擊中使用鈦時，適宜的是使用鈦膜作為中間金屬膜。在根據(jù)電弧離子鍍方法進(jìn)行鈦金屬離子轟擊之后，優(yōu)選的是隨后在其中將基材保留在處理室的狀態(tài)下根據(jù)濺射法在這樣處理過的基材上進(jìn)行涂覆處理。在其中將所要處理的產(chǎn)品(基材)放在室中并且之后對其進(jìn)行涂覆處理的物理氣相沉積裝置的情況下，如果在金屬離子轟擊完成之后將基材從處理室移出，氧化膜和雜質(zhì)可能再次在基材上形成。因此，適宜的是在其中將基材保持在處理室中的狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行上述金屬離子轟擊和隨后的根據(jù)濺射法的涂覆處理。另外，最優(yōu)選的是在上述單一的室中進(jìn)行包括最后用DLC膜的涂覆處理的一系列涂覆處理。據(jù)此，物理氣相沉積裝置包括對于所要進(jìn)行的包括轟擊的一系列物理氣相沉積處理所需的裝置，如電弧離子鍍蒸氣源和濺射靶。在上述一系列處理步驟中，無論轟擊存在或是不存在，優(yōu)選的是在涂覆步驟之前進(jìn)行升溫步驟以移除在基材的表面上存在的沉積物。特別是，在屬于本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域的滑動部件的情況下，其中通過進(jìn)行機(jī)械加工如切割制備其基材，適宜的是進(jìn)行上述升溫步驟以移除附著至基材的表面的油等。重要的是在500°C以上的高溫進(jìn)行升溫步驟。同樣在這方面，因?yàn)楸景l(fā)明的基材在耐高溫軟化方面出色，它在涂覆處理之后能夠保持高涂層附著性。[實(shí)施例]作為用于表面處理的基材，準(zhǔn)備了各自由表1中所示成分制成的盤狀試樣(直徑 20mmX厚度5mm)，將它們各自調(diào)節(jié)為具有預(yù)定硬度。3號基材是JIS-SUJ2。選擇在其下所有基材都可以達(dá)到58HRC以上的條件作為用于硬度調(diào)節(jié)的熱處理?xiàng)l件。作為結(jié)果，用于除了 3號和15號基材之外的基材的回火溫度高于500°C，而3號和15號基材的回火溫度是在200°C附近的低溫范圍內(nèi)。通過鏡面機(jī)械拋光將每個試樣的平面拋光，并且之后使用堿超聲波將其洗凈。
權(quán)利要求
1.一種具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中基材的表面用硬質(zhì)物理氣相沉積膜涂覆，所述基材以質(zhì)量％計包含，C :0. 5%至0.8%，Si 0. 至1.5%，Mn :0. 2% 至 1. 0%, Cr 8. 0%至 13. 5%, Mo 和 / 或 W :0· 5%至 4. 0% (以 Mo+l/2W 計)，N :0· 01%至0.1%,并且余量組成為Fe和雜質(zhì)，其中所述物理氣相沉積膜包含鈦金屬膜和進(jìn)一步涂覆所述鈦金屬膜的類金剛石碳膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，Cr :9.0%至11.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，S 0. 以下、Ca 0. 以下、和Mg 0. 03%以下中的一種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，V :1. 0%以下、Cu :0. 5%以下、Nb :0. 3%以下、和Ni 1.0%以下中的一種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述基材具有58HRC以上的硬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述物理氣相沉積膜包含具有1000HV以上的表面硬度的類金剛石碳膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述物理氣相沉積膜在所述鈦金屬膜和所述類金剛石碳膜之間包含由鈦和碳組成的混合梯度膜，在所述混合梯度膜中鈦含量朝向所述類金剛石碳膜一側(cè)逐漸降低。
8.一種用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中基材的表面用硬質(zhì)物理氣相沉積膜涂覆，所述基材以質(zhì)量％計包含，C 0. 5%至0. 8%, Si 0. 至1.5%, Mn 0. 2%M 1. 0%, Cr :8. 0%至 13. 5%, Mo 和 / 或 W :0. 5%至 4. 0% (以 Mo+l/2ff 計)，N :0. 01 %至0. 1 %，并且余量組成為!^e和雜質(zhì)，所述方法包括根據(jù)濺射法用鈦金屬膜涂覆所述基材，并且之后用類金剛石碳膜作為表面層涂覆所述基材，借此用包含所述鈦金屬膜和所述類金剛石碳膜的所述物理氣相沉積膜涂覆所述基材。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中，在用所述物理氣相沉積膜涂覆所述基材之前，在所述基材上進(jìn)行氬氣轟擊。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中，在用物理氣相沉積膜涂覆所述基材之前，在所述基材上根據(jù)電弧離子鍍方法進(jìn)行鈦金屬離子轟擊，并且隨后，將所述基材用所述鈦金屬膜涂覆并且之后用所述類金剛石碳膜作為所述表面層涂覆，以便形成包含所述鈦金屬膜和所述類金剛石碳膜的所述物理氣相沉積膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中在所述基材上進(jìn)行所述鈦金屬離子轟擊之前，在所述基材上進(jìn)行氬氣轟擊。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中，在所述鈦金屬離子轟擊完成后，接著在將所述基材保留在處理室中的同時，根據(jù)濺射法用所述物理氣相沉積膜涂覆處理過的基材。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，Cr :9.0%至11.0%。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，S 0. 以下、Ca 0. 以下、和Mg 0. 03%以下中的一種以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求8至14中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中所述基材以質(zhì)量％計包含，V 1. 0 %以下、Nb :0. 3 %以下、Ni : 1.0%以下、和Cu 0. 5%以下中的一種以上。
16.根據(jù)權(quán)利要求8至15中的任一項(xiàng)所述的具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件，其中所述基材具有58HRC以上的調(diào)節(jié)硬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求8至16中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中所述物理氣相沉積膜包含具有1000HV以上的表面硬度的類金剛石碳膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求8至17中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，其中所述物理氣相沉積膜的涂覆根據(jù)非平衡磁控濺射法進(jìn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求8至18中的任一項(xiàng)所述的用于制造具有出色的涂層附著性的表面涂覆滑動部件的方法，所述方法還包括在所述鈦金屬膜和所述類金剛石碳膜之間涂覆由鈦和碳組成的混合梯度膜，所述混合梯度膜具有朝向所述類金剛石碳膜一側(cè)逐漸降低的鈦含量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有出色的硬涂層附著性的表面涂覆滑動部件，以及一種用于制造所述部件的方法。該表面涂覆滑動部件是其中將硬涂層通過物理沉積形成在基材的表面上的滑動部件，所述基材由以下各項(xiàng)形成以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，C0.5至0.8％，Si0.1至1.5％，Mn0.2至1.0％，Cr8.0至13.5％，以(Mo+1/2W)計Mo和/或W0.5至4.0％，以及N0.01至0.1％，并且余量為Fe和雜質(zhì)。物理沉積涂層是進(jìn)一步由類金剛石碳涂層覆蓋的鈦金屬涂層。用于制造涂覆表面部件的方法包括為了向具有上述組成的基材表面涂布物理沉積涂層的濺射，所述物理沉積涂層由鈦金屬涂層以及之后形成表面層的類金剛石碳涂層組成。優(yōu)選在涂布物理沉積涂層之前對該基材進(jìn)行氬氣轟擊。
文檔編號C23C14/06GK102471845SQ20108003098
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者上原利弘, 久保田邦親, 井上謙一, 大石勝彥, 大野丈博, 本多史明, 橫山健兒 申請人:日立工具股份有限公司, 日立金屬株式會社