专利名称：层状结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种层状结构，所述层状结构包括含有至少一种第IVB、VB或IVB族元素的第一中间层、包含类金刚石纳米复合组合物的第二中间层和类金刚石碳层。
本发明还涉及至少部分利用所述层状结构覆盖的基材，以及利用所述层状结构覆盖基材的方法。
背景技术：
用类金刚石碳涂层(DLC)覆盖基材是公知的。DLC涂层是一种无定型的加氢碳膜(-C:H)，其特征是具有高硬度、低摩擦系数和极好的耐磨性。
但由于涂层中高的压缩残余应力，DLC涂层与基材的粘合性通常很弱。对于DLC涂层来说这是一个主要的缺点，其限制了DLC涂层在某些领域的应用。
为了改进DLC涂层与基材的粘合性，已经做了许多尝试，例如通过在基材与DLC涂层之间应用中间层来达到此目的。
这种尝试的一个例子包括使用类金刚石纳米复合(DLN)层作为基材和DLC层之间的中间层，正如WO 98/33948中所述。
类金刚石纳米复合涂层包括C、H、O和Si。
DLN涂层通常包含两个互相贯穿的网络，即-C:H和-S:O。DLN涂层为工业上已知的Dylyn涂层。
为了提高DLC涂层与基材的粘合性，在基材和DLC层之间应用钛或钛基中间层在本领域中也是已知的。
对于这类层状结构来说，需要由钛或钛基层逐渐变化为DLC层。
因此，首先通过PVD方法在基材上沉积钛或钛基层，然后在钛或钛基层上沉积DLC。因此，钛或钛基层的组成逐渐由钛或钛基层变成DLC层。
但应用钛或钛基中间层的一个严重问题是钛靶的靶向中毒。由于该靶向中毒，使钛或钛基层与DLC层之间的过渡不能重复。
应用钛或钛基层和DLC涂层的层状结构的另一个缺点是所得到的防腐性较差。
这是由于所要覆盖的基材的背部表面的表面覆盖(准线位置)较差。这些表面未暴露于钛原子束下。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种含有DLC涂层的层状结构，其中所述DLC涂层对基材具有改进的粘合性。
本发明的另一个目的是提供一种层状结构，其可以承受高负荷，因此适用于高冲击和高剪切应用。
本发明的另一个目的是提供一种基材，所述基材利用具有改进的表面覆盖特性的结构覆盖。
按照本发明的第一个方面，提供一种层状结构。
本发明的层状结构包含-第一中间层，其包括至少一种第IVB、VB或VIB族的元素；-沉积在所述第一中间层上面的第二中间层，所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物；-沉积在所述第二中间层上面的类金刚石碳层。
第一中间层所述第一中间层包含至少一种第IVB、VB或VIB族的元素。
所述第一中间层优选包含钛和/或铬作为钛层、铬层、钛基层或铬基层。
钛基层可以包含TiC层、TiN层或TiCN层。铬基层可以包含CrN层或Cr3C2层。
对于许多应用来说，钛基层优于铬基层，这是由于包含钛基层的层状结构重构或修整更容易。
例如，用于除去涂层的反应性离子蚀刻技术对铬基中间层不起作用。
第一中间层的厚度优选为0.001-1μm。第一中间层的厚度更优选为0.1-0.5μm。
可以用本领域中已知的任何技术沉积第一中间层。优选的技术包括物理气相沉积技术如溅射法或气化法。
第二中间层所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物。
所述类金刚石纳米复合组合物包含无定形结构C、H、Si和O。
相对于C、Si和O的总和的比例计，所述纳米复合组合物优选包含40-90％的C、5-40％的Si及5-25％的O(以％原子表示)。
类金刚石纳米复合组合物优选包含-C:H和-Si:O的两个相互贯穿的网络。
类金刚石纳米复合涂层还可以掺杂金属，如第IV至VII族的过渡金属。可以通过掺杂涂层来影响涂层的传导性。例如W、Zr和Ti非常适合用作掺杂元素。
第二中间层的厚度优选为0.01-5μm。更优选为0.1-1.0μm，例如0.2-0.5μm。
可以通过本领域中已知的任何技术来沉积第二中间层。优选的技术包括化学气相沉积(CVD)，例如等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)。
类金刚石碳涂层类金刚石碳涂层包含无定形加氢碳(-C:H)。
类金刚石碳涂层优选包含sp2和sp3键合碳的混合物，其中氢的浓度为0-60％原子。
DLC涂层可以掺杂金属，以影响涂层的电传导性。优选的掺杂元素是第IV至VII族的过渡金属，如W、Zr和Ti。
DLC涂层的厚度优选为0.1-10μm。
可以通过本领域中已知的任何技术来沉积DLC涂层。优选的技术包括化学气相沉积(CVD)，例如等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)。
虽然申请人不希望受任何理论所束缚，但确信为了使本发明的层状结构得到较好的结果，各层的硬度梯度是很重要的。
当钛层用作DLN涂层的中间层时，存在带有软的Ti层的软基材。沉积在这种堆叠层上的DLC易于被击穿。
在本发明的层状结构中，包含第一中间层和含有DLN的第二中间层，其中第二中间层提供更多的支撑。另外，第二中间层的硬度居于第一中间层的硬度和DLC涂层的硬度之间，提供减震效果。
本发明的层状结构有可能进一步包含一个或多个附加层，例如在类金刚石碳层上面包含类金刚石纳米复合组合物的层。
在另一个实施方案中，层状结构还包含在类金刚石碳层上面的类金刚石纳米复合层和在类金刚石纳米复合层上面的类金刚石碳层。
对于本领域技术人员来说，很清楚的是可以根据层状结构的理想特性改变附加涂层的个数。
依据层状结构的希望特性和用途，可以选择层状结构的顶层。
当在层状结构的上面沉积DLC层时，硬度和低磨擦性能很重要，这对DLC类型的涂层来说是典型的。这意味着通过在层状结构的上面沉积DLC层，得到具有高耐磨性的涂层。通过这种方式，可以沉积比常规的DLC涂层更厚的涂层。
当DLN涂层作为顶层而沉积时，层状结构的特征在于低的表面能和低的摩擦系数。这种层状结构特别适合作为非粘性涂层。
按照本发明的第二个方面，提供一种至少部分覆盖有上述层状结构的基材。
本发明的层状结构的一个较大的优点在于其可以得到好的防腐性，这是由于好的表面覆盖所致。
而没有用第一中间层覆盖或没有很好覆盖的基材表面由于没有暴露于第IVB、VB或VIB族的原子束而被第二中间层和类金刚石碳层所保护。
按照本发明的第三个方面，提供上述利用层状结构至少部分覆盖的基材用于高冲击和/或高剪切应用的用途。
本发明的基材可以用于高冲击和/或高剪切应用，这是由于DLC涂层与基材间通过第一和第二中间层而具有强的粘合性。
本发明的层状结构适合用作金属成型元件的涂层，如冲心錾、冲压机、心轴、缩颈模，如用于制备铝罐的缩颈模。
本发明的层状结构也适合用作如下部件的涂层半导体芯片制造部件、计量部件、平版印刷或测试设备如静电卡盘、晶片处理器、起模顶杆、精准定位组件、在电子包装中应用的冲压机和工具以及在晶片探测中应用的元件。
另外，所述层状结构可以用作如下部件的涂层吹模部件和纺织机部件如细丝分隔、基底、引线和芯；发动机部件(如竞赛用部件)如升降机、梃杆、连接杆和肘销；用于塑性预制坯的缩颈环。
另外，本发明的层状结构适用于保护铜和镍基合金。
按照本发明的另一方面，提供一种利用所述层状结构覆盖基材的方法。
所述方法包括如下步骤-提供基材；-施用第一中间层，所述第一中间层包括至少一种第IVB、VB或VIB族的元素，如钛和/或铬；-施用第二中间层，所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物；-施用类金刚石碳层。
如果需要，在施用第二中间层之前，第一中间层的沉积可以完全停止。按照这种方法，可以得到层间可重复的过渡。
具体实施例方式
比较了三种不同涂层类型的特性。所述涂层类型为在硬化钢基材上沉积的。
使三种涂层类型进行Rockwell粘合试验和划痕(scratch)粘合试验。
a)包含如下层状结构的第一类涂层DLN层和沉积在该DLN层上面的DLC层；b)包含如下层状结构的第二类涂层钛层和沉积在该钛层上面的DLC层。钛层的组成逐渐由钛层变成DLC层。
c)包含本发明的层状结构的第三类涂层。该层状结构包含钛层、沉积在钛层上面的DLN层及沉积在DLN层上面的DLC层。在钛层和DLN层之间没有梯度，而是DLN层逐渐变为DLC层。
通过Rockwell C鉴别试验测量的第二类和第三类涂层的粘合性要比第一类涂层的粘合性好得多。
第一类涂层的HF值为HF 3-5。对第二类涂层来说，测量的HF值为1-3，而对第三类涂层测量的HF值为1-3。
在划痕粘合试验中，得到脱层的临界负荷对第三类涂层来说为22-35N。对于第一类涂层来说，所得到的临界负荷为15-30N。对第二类涂层来说，所得到的临界负荷为15-27N。
不同涂层的划痕粘合的比较表明第三类涂层具有最好的Lc2值。
在高剪切和高冲击负荷应用中，第一类涂层的性能不是很好。
在高冲击负荷下，第二类涂层的性能稍好一些。但在高剪切负荷下，其有可能发生磨损并造成涂层剥离。
在高冲击和高剪切应用中，第三类涂层的性能非常好。
在高冲击铝板金属成型应用中比较了第二类涂层和第三类涂层。
第三类涂层提供延长的使用寿命。与第二类涂层的使用寿命相比，第三类涂层的使用寿命要长3-4倍。
权利要求
1.一种层状结构，其包括-第一中间层，所述第一中间层包含至少一种第IVB族、第VB族或第VIB族的元素；-沉积在所述第一中间层上面的第二中间层，所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物；-沉积在所述第二中间层上面的类金刚石碳层。
2.权利要求1的层状结构，其中所述第一中间层包含钛和/或铬。
3.权利要求1或2的层状结构，其中所述结构还包括在所述类金刚石碳层上面的至少一个包含类金刚石纳米复合组合物的层。
4.前述权利要求任一项的层状结构，其中所述第一中间层的厚度为0.001-1μm。
5.前述权利要求任一项的层状结构，其中所述第二中间层的厚度为0.01-5μm。
6.前述权利要求任一项的层状结构，其中所述类金刚石碳层的厚度为0.1-10μm。
7.前述权利要求任一项的层状结构，其中以相对于C、Si和O的总和的比例计，所述纳米复合组合物包含40-90％原子的C、5-40％原子的Si及5-25％原子的O。
8.前述权利要求任一项的层状结构，其中所述第二中间层包含金属掺杂的类金刚石纳米复合组合物。
9.前述权利要求任一项的层状结构，其中所述类金刚石碳层掺杂有金属。
10.一种至少部分覆盖有权利要求1-9任一项的层状结构的基材。
11.权利要求10的基材用于高剪切和/或高冲击应用的用途。
12.利用权利要求1-10任一项的层状结构覆盖基材的方法，包括如下步骤-提供基材；-施用第一中间层，所述第一中间层包含至少一种第IVB族、第VB族或第VIB族的元素；-施用第二中间层，所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物；-施用类金刚石碳层。
全文摘要
本发明涉及一种层状结构，其包括第一中间层，所述第一中间层包含至少一种第IVB族、第VB族或第VIB族的元素；沉积在所述第一中间层上面的第二中间层，所述第二中间层包含类金刚石纳米复合组合物；沉积在所述第二中间层上面的类金刚石碳层。本发明还涉及利用这种层状结构覆盖的基材用于高剪切和/或高冲击应用的用途，本发明还涉及用这种层状结构覆盖基材的方法。
文档编号C23C16/02GK1890398SQ200480035764
公开日2007年1月3日 申请日期2004年11月30日 优先权日2003年12月2日
发明者C·温卡特拉曼, K·马杰罗尼, D·凯斯特 申请人:贝卡尔特股份有限公司