專利名稱：在真空中生成金剛石般碳涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在真空中生成超硬耐磨涂層的領域。更具體地說，本發(fā)明涉及在真空中生成金剛石般碳涂層的方法。
本發(fā)明可用來提高切割工具、測量工具、摩擦件和機器部件的使用壽命，本發(fā)明還可用于醫(yī)學領域來改進移植物的生物相容性，用于電子工程領域來增加聲頻或視頻磁頭的使用壽命、改進聲音振動片的性能，還可作為光學部件的涂層和裝飾層。
現(xiàn)有技術中已知的是在金屬和介電基層上生成高硬度金剛石般碳涂層的方法(見SU發(fā)明人證書號411037，1975)，其中在磁場中，在10-5至10-2帕低壓稀有氣體氯中將石墨陰極濺射至溫度低于100K的冷卻底層上。
由于加工氣體氪的壓力低，在該壓力下的輝光放電的能量較低，所以該工藝的產(chǎn)率較低。在技術上，難以將處理的部件維持在如此低的溫度。因此，不得不采用極復雜的工藝設備來達到超高真空。
最接近的技術措施是在真空生成金剛石般碳涂層的方法。該方法包括以下步驟將部件表面預處理；將部件放入真空室中；用加速離子處理部件的表面；在部件表面涂上一亞表層；從陰極斑點對石墨陰極進行電弧真空濺射從而生成碳等離子體；將碳等離子體的離子加速；將所生成的碳等離子體沉積在部件表面從而生成金剛石般的碳涂層(見，D.R.McKenzle等人發(fā)表于《金剛石和相關材料》(Journal of Diamond and Related Materials)，1991年第一期第51-59頁的“真空電弧沉積法制備的四面體無定形碳的性能”一文(Properties of tetrahedral amrphous carbon prepared by vacuum arcdeposition)。
在上述方法中，所進行的陰極濺射是從一陰極斑點靜止放電，生成碳等離子體，將等離子體分離，即，從靜止的陰極斑點生成的微粒中分離出等離子體。然后，施加高頻負壓以靜電方式將等離子體離子加速，從而得到金剛石般碳涂層。
在上述方法中，采用靜態(tài)放電并不能得到生成金剛石般碳涂層所需的等離子體能量。這意味著，還需在部件上施加電壓來另外地加速等離子體離子。其結果是，涂層變熱，性能變差，即微硬度下降。
另外，還會引起小尺寸部件過熱和銳邊，使部件變軟。當部件由介電材料制成時，靜電加速所產(chǎn)生的作用很小。
靜態(tài)電弧放電受到以下限制可移動的陰極斑點和從陰極斑點中逸出的大量硬石墨碎片的存在，這種陰極斑點是低能量碳等離子體的來源。離子能量不超過10-15電子伏特。若石墨碎片撞擊部件表面，會極大地損壞所生成的涂層的質量。
為了消除這一缺點，所述的方法使用了曲線磁偏轉系統(tǒng)，結果使生成涂層的方法特別復雜。另外，由于陰極斑點是該方法中碳等離子體的來源，所以會產(chǎn)生窄的碳等子體束，這樣不能在加長的部件上形成均勻的金剛石般的碳涂層。
比較小的等離子體密度，即離子濃度，意味著需要提高真空度以避免涂層受到殘余氣體的破壞和涂層質量的下降。
由于該方法的靜態(tài)特性難以維持所需的溫度，所以使形成涂層的方法復雜化。在小尺寸的膜材料上生成金剛石般的碳涂層更加困難。在此情況下，涂層的質量不穩(wěn)定。
本發(fā)明的基礎是如何得到一種在真空中生成金剛石般碳涂層的方法，其中采用脈沖電弧放電在陰極的末表面生成一組陰極斑點，并改變脈沖循環(huán)頻率來維持部件的溫度，可以簡化生成涂層的方法，改進穩(wěn)定性和產(chǎn)率，并能提高所生成的涂層的質量，特別是其均勻性和耐磨性。
所提到的問題可由如下在真空中生成金剛石般碳涂層的方法得到解決。該方法包括以下步驟將部件表面預處理；將部件放入真空室中；用加速離子處理部件的表面；在經(jīng)處理的部件表面涂一亞表層；從陰極斑點對石墨陰極進行電弧真空濺射從而生成碳等離子體；將碳等離子體的離子加速；將所生成的碳等離子體沉積在部件表面從而生成金剛石般的碳涂層。根據(jù)本發(fā)明，為了生成、加速和沉積碳等離子體，所述的方法包括如下步驟采用脈沖電弧放電在石墨陰極的末表面激發(fā)一組陰極斑點，所述的斑點以10-30米每秒的速度沿陰極的末表面移動，生成離子能量為40-100電子伏特的碳等離子體，等離子體中離子濃度為1012-1014每立方厘米，在真空室中對部件進行電絕緣并改變脈沖循環(huán)頻率來維持部件的溫度在200-450K。
在處理金屬部件時，用金屬離子作為加速離子是有用的。
方便的是，采用厚度為100-500埃的金屬作為亞表層材料。用于此目的的金屬選自鈦、鉻、鉬、鋯、鈮和鎢。
有利的是，在用加速的金屬離子處理部件表面時，將部件的溫度增加到473-573K的范圍，然后將部件冷卻到293-300K，用加速的金屬離子再處理部件表面直至溫度到達323K。
在10-2-10-1帕的氬氣氣氛中，進行該工藝是方便的。
在處理介電部件時，用氣體離子作為加速離子是有益的。所述的氣體選自氬、氮、氧或其混合物。
有利的是，在處理玻璃部件時，在其上施加將厚度為50-200埃的氮化鋁的亞表層。
采用高純石墨作為石墨電極是有利的，其中孔隙量為約0.5％。
有益的是，采用與摻雜元素相混合的石墨作為石墨電極，所述的滲雜元素選自硅、鍺、鋨、鉍、磷和銻。
有利的是，對由選自鈦、鉻、鋁、鋯、鍺的金屬制成的另外的電極進行濺射。
用氣體或金屬的加速離子對形成在部件表面的金剛石般的碳涂層進行處理也是有益的。
現(xiàn)在參考各種具體的實施方案對本發(fā)明進行詳細描述。
在真空中生成金剛石般碳涂層的方法是如下進行的用機械方法處理部件表面然后脫脂。之后，將部件放入真空室的特殊的夾具中固定。電弧電流設置為60-80埃，在部件上施加1000-1500V的負壓。以該方式用加速的離子對部件進行處理。
然后，將部件上所施加的電壓降至100V，并在處理后的表面上形成厚度為100-500埃的亞表層。可以使用選自鈦、鉻、鉬、鋯、鈮和鎢的金屬。
然后，進行石墨電極的電弧真空放電從而生成碳等離子體。用此目的的脈沖電弧放電具有以下參數(shù)電容為2000μF的電容電池的電壓為300V；放電時間為0.5ms；脈沖的循環(huán)頻率為1-20赫茲。在此條件下，在石墨電極的端表面激發(fā)一組陰極斑點。所述的陰極斑點以10-30米每秒的速度沿陰極的端表面移動，得到離子能量為40-100電子伏特、離子濃度為1012-1014cm-3的碳等離子體。此時，在部件上不施加電壓，部件本身與所有電極和真空室壁絕緣。
控制脈沖循環(huán)頻率來維持部件的溫度在200-450K。
將所生成的碳等離子體沉積在部件表面從而生成金剛石般的碳涂層。
若目視或顯微觀察發(fā)現(xiàn)，預處理后，處理并不有效或部件表面仍有氧化物膜，用金屬加速離子處理表面的時間會增加，部件的溫度增加到473-573K的范圍。然后將部件冷卻到293-300K，用加速的金屬離子再處理部件表面直至溫度到達323K。
為改進純化的強度，在10-2-10-1帕的氬氣氣氛中，進行離子處理。
在處理介電部件時，用氣體離子作為加速離子。所述的氣體選自氬、氮、氧或其混合物。
在處理玻璃部件時，在氣體離子處理后，在玻璃上施加厚度為50-200埃的氮化鋁層以增加金剛石般碳涂層和玻璃部件表面之間的粘結力。
在該方法中，采用高純石墨作為石墨電極，其中孔隙量為約0.5％。為了改進金剛石般碳涂層的質量，采用孔隙量最小的高純石墨作為石墨電極，因為孔隙會包住雜質如氣態(tài)氮、氧、水蒸氣。雜質進入所形成的涂層會降低涂層的質量。
為了得到金剛石般碳涂層的半導體性質，采用與摻雜元素相混合的石墨作為石墨電極，所述的滲雜元素選自硅、鍺、鋨、鉍、磷和銻。
若需要金剛石般碳涂層具有不同的電阻值，可對由選自鈦、鉻、鋁、鋯、鍺的金屬制成的另外的電極進行濺射。
為了改變光學和電學特性和在涂層上得到圖案，用氣體或金屬的加速離子對形成在部件表面的金剛石般的碳涂層進行處理。
實施例1使用大小為20×20×20mm的硬碳鋼拋光樣品，將所述的樣品固定在真空室中的特殊夾具上。將所述室抽真空至5×10-3帕。由鈦陰極的電弧等離子體源產(chǎn)生鈦離子進行離子處理。在樣品上施加1000V的負壓。電弧電流設定在80A。處理時間為5分種。然后，將電壓降至100V得到200埃的鈦亞表層。然后在不對樣品施加電壓和下列參數(shù)下，采用脈沖放電對石墨陰極進行電弧濺射，形成10微米的金剛石般的碳涂層。所述的參數(shù)為電容為2000μF的電容電池的電壓為300V；放電時間為0.5ms；脈沖的循環(huán)頻率為10赫茲。此時，離子能量為70伏特、離子強度為1013cm-3的碳等離子體。樣品溫度為423K。
經(jīng)ESCA法(電子光譜化學分析法)未發(fā)現(xiàn)涂層中有石墨雜質。
金剛石般的碳涂層的微硬度在100克負荷下為8000HV。與氮化鈦的摩擦系數(shù)為0.04、與硬化鋼的摩擦系數(shù)為0.08，與銅的摩擦系數(shù)為0.1。
X-射線分析表明涂層為無定形。
實施例2使用由鈦制成的人造心形管，將所述的管固定在真空室中的特殊夾具上。將所述室抽真空至5×10-3帕。由鈦陰極的電弧等離子體源產(chǎn)生鈦離子進行離子處理。在管上施加1000V的負壓。電弧電流設定在80A。處理時間為5分種。然后，將電壓降至100V得到500埃的鈦亞表層。然后在不對樣品施加電壓和下列參數(shù)下，采用脈沖放電對石墨陰極進行電弧濺射，形成2微米的金剛石般的碳涂層。所述的參數(shù)為電容為2000μF的電容電池的電壓為300V；放電時間為0.5ms；脈沖的循環(huán)頻率為3赫茲。此時，離子能量為70伏特、離子強度為1×1013cm-3的碳等離子體。樣品溫度為423K。
X-射線分析表明涂層為無定形。
經(jīng)醫(yī)學和生物研究表明，該涂層具有滿意的生物相容性。
實施例3使用由硬合金制成的切銷板。所述的硬合金用于處理輕質鋁基合金。將所述的板固定在真空室中的特殊夾具上。將所述室抽真空至5×10-3帕。由鈦陰極的電弧等離子體源產(chǎn)生鈦離子進行離子處理。在板上施加1500V的負壓。電弧電流設定在80A。處理時間為5分種。將板冷卻到300K。然后，重復離子處理1分種。然后，將電壓降至100V得到200埃的鈦亞表層。然后在不對樣品施加電壓和下列參數(shù)下，采用脈沖放電對石墨陰極進行電弧濺射，形成2微米的金剛石般的碳涂層。所述的參數(shù)為電容為2000μF的電容電池的電壓為300V；放電時間為0.5ms；脈沖的循環(huán)頻率為10赫茲。此時，離子能量為70伏特、離子強度為×1013cm-3的碳等離子體。板的溫度升至423K。
金剛石般的碳涂層的微硬度在100克負荷下為8000HV。與鋁的摩擦系數(shù)為0.12。
在大批生產(chǎn)汽車板的情況下對硬合金板進行產(chǎn)品測試。表明使用壽命增加，表面質量改進。
X-射線分析表明涂層為無定形。
權利要求
1.一種在真空中生成金剛石般碳涂層的方法，該方法包括以下步驟將部件表面預處理；將部件放入真空室中；用加速離子處理部件的表面；在經(jīng)處理的部件表面涂上一亞表層；從陰極斑點對石墨陰極進行電弧真空濺射從而生成碳等離子體；將碳等離子體的離子加速；將所生成的碳等離子體沉積在部件表面從而生成金剛石般的碳涂層；其特征在于為了生成、加速和沉積碳等離子體，所述的方法包括如下步驟采用脈沖電弧放電在石墨陰極的端表面激發(fā)一組陰極斑點，所述的斑點以10-30米每秒的速度沿陰極的端表面移動，生成離子能量為40-100電子伏特的碳等離子體，等離子體中離子濃度為1012-1014每立方厘米，部件在真空室中電絕緣；以及控制脈沖循環(huán)頻率來維持部件的溫度在200-450K。
2.權利要求1的方法，其特征在于在處理金屬部件時，用金屬離子作為加速離子。
3.權利要求2的方法，其特征在于采用厚度為100-500埃的金屬作為亞表層材料，所述的金屬選自鈦、鉻、鉬、鋯、鈮和鎢。
4.權利要求2或3的方法，其特征在于在處理部件表面時，將部件的溫度增加到473-573K的范圍；將部件冷卻到293-300K；用加速的金屬離子再處理部件表面直至溫度到達323K。
5.權利要求2-4之一的方法，其特征在于該方法在10-2-10-1帕的氬氣氣氛中進行。
6.權利要求1的方法，其特征在于在處理介電部件時，用氣體離子作為加速離子，所述的氣體選自氬、氮、氧或其混合物。
7.權利要求1的方法，其特征在于在處理玻璃部件時，在其上施加厚度為50-200埃的氮化鋁的層。
8.權利要求1的方法，其特征在于采用孔隙量為約0.5％的高純石墨作為石墨電極。
9.權利要求1的方法，其特征在于采用與摻雜元素相混合的石墨作為石墨電極，所述的滲雜元素選自硅、鍺、鋨、鉍、磷和銻。
10.權利要求1的方法，其特征在于對由選自鈦、鉻、鋁、鋯和鍺的金屬制成的另外的電極進行濺射。
11.權利要求1的方法，其特征在于用氣體或金屬的加速離子對形成在部件表面的金剛石般的碳涂層進行處理。
全文摘要
一種在真空中生成金剛石般碳涂層的方法,包括以下步驟:將部件表面預處理;將部件放入真空室中;用加速離子處理部件的表面;在經(jīng)處理的部件表面涂上一亞表層;從陰極斑點對石墨陰極進行電弧真空濺射從而生成碳等離子體;將碳等離子體的離子加速;將所生成的碳等離子體沉積在部件表面從而生成金剛石般的碳涂層。采用脈沖電弧放電在石墨陰極的端表面激發(fā)一組陰極斑點,所述的斑點以10－30米每秒的速度沿陰極的端表面移動,生成離子能量為40－100電子伏特的碳等離子體,等離子體中離子濃度為10
文檔編號C23C14/32GK1258322SQ98805586
公開日2000年6月28日 申請日期1998年5月28日 優(yōu)先權日1997年5月30日
發(fā)明者瓦勒里·P·岡查倫科, 亞歷山大·J·科爾帕科夫, 安納托利·I·馬斯洛夫 申請人:帕蒂納公司