[发明专利]非晶形硬碳膜,机械部件及生产非晶形硬碳膜的方法

说明书

本发明涉及一种用于滑动件和类似物的防护涂层，该涂层的目的是增强耐磨性和减少摩擦系数。尤其是，本发明涉及作为防护涂层的硬碳膜及生产硬碳膜的方法。此外，本发明还涉及涂有非晶形(amorphous)硬碳膜的机械部件，该机械部件用于汽车和家用电器。在本发明中，术语“硬”是根据一般的摩擦学术语而被使用的(例如“摩擦学”(日文)1999，44卷，9号，小专刊“硬质材料”)。特别地，比对应件更硬的滑动件被认为达到硬特性。特别是，硬膜的硬度是Hv1000或更多(显微维氏硬度值)，最好是Hv1500或更多。非晶形硬碳膜应用的多个例子已在1996，41卷，9号，第760-771页的摩擦学中被评论。

传统的用于增强耐磨性和抗擦伤(scuffing)性的金属材料表面处理方法包括渗氮，PVD(物理汽相沉积)和CVD(化学汽相沉积)。金属碳化物，例如TiC，或金属氮化物，例如TiN用后两种方法作为硬膜被涂覆在如工具，金属压模和类似物的金属材料表面上。由于这种涂层硬度为Hv2000-3000，但是摩擦系数近于0.2至0.8的范围内，相应较高，因而对应(opposite)材料滑动阻力随环境而增大。结果，出现了涂层磨损和对应材料损坏的问题。

汽车内燃机的滑动件遭受剧烈的滑动条件，特别是活塞环外周面。压缩机的翼片和燃油泵的柱塞(活塞)也遭受剧烈的滑动条件。因而这些部件所要求的耐磨性是很高的。

迄今为止，为保证良好地滑动特性，特别是这些部件的耐磨性，优质耐磨材料被使用并经受诸如渗氮和渗碳的表面硬化处理。但是，传统的方法涉及使用昂贵材料的问题。此外，由于表面硬化处理必须在几百度到1000℃的高温度下进行，由于热变形，尺寸精度降低且基底材料(工件)硬度也降低。

燃油喷射泵柱塞运行于不良润滑汽油的环境下。因而带有分散的硬颗粒的复合镀层被涂覆于柱塞表面。热处理必须在接近400℃的温度下进行以增加复合层的硬度使其达到所需标准。因而，相当于SKD11的高级材料(冷工作工具钢)应被使用以避免在热处理中的软化。在这种情况下，要求研制一种在冷温下成形耐磨硬膜的方法。

在等离子体或离子束的帮助下通过CVD方法成形的非晶形硬碳膜有高的硬度，其范围从近2000到3000Hv。此膜是作为高耐磨涂层材料而被引起注意的。非晶形硬碳膜可以是类钻石的碳膜，i-碳膜，氢化非晶形碳膜(a-C：H)及类似的膜。这些膜中的每一种膜主要都包括非晶形碳(amorphous carbon)。

虽然这种非晶形硬碳膜已被考虑应用于滑动件，但是膜内固有的较大压应力降低了该膜与基底材料的粘附力并使该膜不可能形成厚涂层。

人们打算依靠夹在基底和非晶形硬碳膜之间的中间层来增加非晶形硬碳膜与基底之间的粘附力，该中间层由金属，金属氮化物和金属碳化物组成。例如，日本已审专利公开号为5-82472的专利公开了使用周期表中4a，5a和6a金属族的碳化物，碳-氮化物，碳-氧化物，碳-氧-氮化物和碳-硼化物，还有Si的碳化物或碳-氮化物作为中间层。日本未审专利号为10-130865的专利公开了一种中间层，它主要含有从Al，Cr，Sn，Co族中选择的至少一种金属元素或其氧化物，氮化物或碳化物。但是，这些提高粘附力的建议都与中间层有关，而不是与和滑动件直接相接触的表面层有关。

表面涂层技术，47,710-721(1991)和日本未审专利公开号为3-240957的专利(日本专利号2971928)公开了借助于将周围气体吸收到形成在非晶形硬碳-氢-硅膜滑动表面上的氧化硅(SiO₂)中来获得低摩擦系数。需注意在与对应件的滑动过程中，氧化硅形成在氢化的非晶形碳膜低摩擦系数表面上，而该膜内预先含有Si。换句话说，氧化硅一开始就不存在于膜内。因而，摩擦系数在滑动开始时很高，需要经过一段时间才能达到一个较低水平的摩擦系数。

因而，本发明的一个目的是克服了现有技术中涉及的问题，并提供了一种带有高硬度低摩擦系数和良好粘附力的非晶形硬碳膜。

本发明的另一个目的是提供了一种机械部件，它在滑动表面上涂覆了含有金属氧化物的非晶形硬碳膜。

本发明的再一目的是提供了一种非晶形硬碳膜，它含有金属氧化物并从滑动开始就获得稳定的低摩擦系数。顺便提及，传统的非晶形碳膜不能从一开始就显示出这种低摩擦系数。

本发明的还有一个目的是提供了一种生产这种带有上文所述特性的非晶形硬碳膜的方法。根据本发明，在机械部件的滑动表面上形成非晶形硬碳膜的方法是不需高温。