[发明专利]含金属的类金刚石碳涂层组合物

说明书

对相关申请的交叉参考

不适用。

联邦政府资助的研究

美国政府拥有本发明的已付许可且在有限情况下有权要求专利所有人在美国军方授予的DAAH10-98-2-0004所提供的适当项目上给予其他人许可。

技术领域

本发明涉及金属类金刚石碳涂层组合物，且更具体而言，涉及包含过渡金属如铬或过渡金属碳化物的中间层以及碳和过渡金属如钛、钨或铌的外层的金属类金刚石碳涂层组合物及其制造方法。

背景技术

多年来，已公知的是类金刚石碳(DLC)薄膜较硬且尤其对于钢而言，具有较低的摩擦系数(μ)。披露了无定形氢化(简写为a-C:H或DLC)薄膜以及含烃金属(Me-C:H或Me-DLC)薄膜的这些较低的μ值(～0.2)。目前，对于两种类型的涂层而言，多种应用情况，尤其是在机器元件和工具领域的应用是已公知的。除了涂层性质以外，一个重要方面在于类金刚石碳以及金属-类金刚石碳涂层可在较低的基体温度(＜200℃)下进行沉积。

类金刚石碳和金属-类金刚石碳的对比表明在两种涂层材料以及相应的沉积技术方面各有优缺点。包括碳原子的高度交联网络的硬质类金刚石碳涂层具有较高的压缩应力(几个GPa)。所述较高的应力值通常导致与基体的粘附力不够，尤其是与钢的粘附力，且因此限制了其在实际应用情况中的使用。

已经研发出多种制备类金刚石碳薄膜的方法。最普遍采用的方法是通过自身带有负偏压的基体与烃气产生射频(r.f.)辉光放电。然而，在按比例放大地将该射频技术用于与工业相关的尺寸和几何结构方面存在许多问题。

通常，具有较低的金属含量(Me/C的原子比值高达约0.3)的金属-类金刚石碳薄膜具有明显低于a-C:H的压缩应力(＜1GPa)。这些薄膜包括无定形碳网络(类金刚石碳)，所述无定形碳网络包括金属碳化物。这些涂层的摩擦系数与类金刚石碳涂层的那些摩擦系数相当相似。然而，金属-类金刚石碳涂层的磨损阻力通常低于类金刚石碳涂层的磨损阻力。同时，所报道的金属-类金刚石碳涂层的最低磨损率比所报道的无金属类金刚石碳涂层的最低磨损率至少高两倍。

通常，通过使用金属或金属碳化物靶在氩气-烃气混合物中进行反应磁控溅射而在工业用批量涂覆机中制备Me-C:H(金属-类金刚石碳)涂层。当对比两类涂层时，应该注意，类金刚石碳涂层的电阻率(＞10⁶Ωcm)远高于金属-类金刚石碳涂层的电阻率(10^-3～1Ωcm)。

例如，在Voevodin等的论文中介绍了采用磁控溅射辅助的脉冲激光沉积技术制备包含碳化钛和碳化钨的无定形类金刚石碳薄膜。在另一篇论文中，Wei等采用脉冲激光技术以及专用靶构型，所述专用靶构型允许烧蚀石墨和掺杂剂(Cu、Ti、Si)。被包括在碳基质内的几个百分比的这些元素导致粘附性能得到明显改进。然而，看起来难以将所述合成薄膜的性质与金属-类金刚石碳薄膜的性质相比，所述金属-类金刚石碳薄膜包含氢且采用K.Bewilogua，C.V.Cooper，C.Specht，J.Schroder，R.Wittorf和M.Grischke，Surface & CoatingsTechnology 127，224-232，Elsevier(2000)中的题目为“Effect oftarget material on deposition and properties of metal-containingDLC(Me-DLC)coatings(靶材料对含金属的类金刚石碳(Me-DLC)涂层的沉积和性质的影响)”的论文中所讨论的不同制备技术进行制备，所述论文的整体内容在此作为参考被引用。

因此，需要一种与商业上可买到的金属类金刚石碳涂层组合物相比具有优良的硬度以及对纯滚动破裂(failure in pure rolling)具有较高抗力的金属类金刚石碳涂层组合物。

发明内容