著量的Sp3杂化碳原子。这些Sp3键不仅以晶体出现一一 换句话说，长程有序的固体一一而且以其中原子随机排列的非晶态固体出现。在这种情况 下，仅仅在一些单独的原子之间进行键合，即短程有序，并在大量原子上延伸的长程有序中 不进行键合。键的类型对非晶态碳膜的材料性质有相当大的影响。如果主要是SP2型，则 DLC膜可能更柔软，而如果主要是SP3型，则DLC膜可能更硬。
[0134] DLC涂层可以作为非晶态、柔性以及主要SP3键合的"金刚石"制成。最硬的是这种 混合物，已知为四面体非晶态碳膜，或ta-C。这种ta-C包括高体积份数（约80% )的Sp3 键合碳原子。用于DLC涂层的任选填料包括但不限于氢、石墨Sp2碳和金属，并且可采用其 它形式使用以根据特定应用实现希望的性质组合。可将各种形式的DLC涂层涂敷至与真空 环境兼容并且也导电的各种基质。DLC涂层质量也取决于合金和/或掺杂元素例如氢的份 数含量。某些DLC涂覆方法需要氢气或甲烷作为前驱气体，因此完成的DLC材料中可保留 相当大百分比的氢气。为了进一步提高它们的摩擦学和机械性质，经常通过加入其它合金 和/或掺杂元素来改进DLC膜。例如，对DLC膜添加氟（F)和硅（Si)降低了表面能和可润 湿性。减少含氟DLC(F-DLC)中的表面能是归因于在薄膜中存在-CFjP-CF3基团。然而， 更高的F含量可引起更低的硬度。Si的添加可通过减少表面能量的分散成分而减少表面能 量。添加Si也可通过促进DLC膜中的Sp3杂化而增加DLC膜的硬度。对膜添加金属元素 (例如，W、Ta、Cr、Ti、Mo)能够减少压缩残余应力，从而使膜在压缩加载时的机械完整性更 好。
[0135] DLC的类金刚石相或SP3键合碳是热力学亚稳定相，而具有SP2键合的石墨是热力 学稳定相。因此，DLC涂层膜的形成需要不平衡的处理以获得亚稳定的Sp3键合碳。平衡处 理方法，例如石墨碳膜的蒸发，其中蒸发的物种的平均能量低（接近kT，其中k为波尔兹曼 常数且T为绝对温标的温度），引起形成100%的Sp2键合碳。本文公开的用于生产DLC涂 层的方法要求碳膜的SP3键长度显著小于SP2键长度。因此，压力、冲击、催化作用或这些的 某种组合以原子级施加可迫使更靠拢的SP2键合碳原子成为SP3键合。这可以足够活跃地 完成使得原子不能简单地回弹分开而具有SP2键的分离特性。典型技术或者将这种压缩与 将新的Sp3键合碳集群更深地推入涂层相结合，使得不存在用于膨胀回到SP2键合所需的分 离的余地；或者新集群被为了下一个冲击循环而到来的新碳膜包埋。
[0136] 本文公开的DLC涂层可通过物理气相沉积、化学气相沉积或等离子辅助化学气相 沉积涂覆技术来沉积。物理气相沉积涂覆方法包括RF-DC等离子反应磁控管溅射、离子束 辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积（PLD)。化学气相沉积涂覆方法包括离子束辅助 CVD沉积、等离子增强沉积、使用来自烃气体的辉光放电、使用来自烃气体的射频（R.F.)辉 光放电、等离子浸入式离子处理和微波放电。等离子增强化学气相沉积（PECVD)是用于以 高沉积速度大面积沉积DLC涂层的一种有利的方法。基于等离子的CVD涂覆处理是非视线 技术，g卩，等离子保形地覆盖待涂覆的零件并且该零件的整个暴露表面以均匀的厚度被涂 覆。在DLC涂层涂敷之后可保留零件的表面光洁度。PECVD的一个优点是基质零件的温度 在涂覆操作期间不会升高到约150°C以上。含氟的DLC(F-DLC)和含硅的DLC(Si-DLC)膜 能够使用分别混合有含氟和含硅的前驱气体（例如四氟乙烷和六甲基二硅氧烷）的乙炔 (C2H2)处理气体利用等离子沉积技术合成。
[0137] 本文公开的DLC涂层可呈现在在前述范围内的摩擦系数。低COF可以是基于在实 际接触区域中形成薄石墨膜。由于SP3键合是碳在600-1500°C高温的热力学不稳定相，所 以取决于环境状况，其可转换为可用作固体润滑剂的石墨。这些高温在微凸体碰撞或接触 的过程中可作为很短暂的瞬时温度（称为初始温度）出现。DLC涂层的超低COF的可选理 论是烃基滑膜的存在。Sp3键合碳的四面体结构可在表面导致这样一种情形，其中可能存在 来自表面的一个空电子，其没有碳原子可以附着，这称为"悬键"轨道。如果具有其自身电 子的一个氢原子被置于这种碳原子上，则其可能与悬键轨道键合而形成双电子共价键。当 带有单个氢原子外层的两个这种光滑表面彼此相对滑动时，氢原子之间将发生切变。表面 之间不存在化学键合，仅有很弱的范德华力，并且表面呈现重烃蜡的性质。在表面处的碳原 子可形成三个强键，在从表面引出的悬键轨道中留下一个电子。氢原子附着在这种表面上， 该表面变成疏水的并呈现低摩擦。
[0138] 本文公开的用于多层低摩擦涂层的功能层的DLC涂层也防止由它们的摩擦学性 质引起的磨损。特别地，本文公开的DLC涂层具有改进的耐磨耗和磨损性，使得它们适合用 于经历极端接触压力和严重磨耗条件的应用中。
[0139] 缓冲层：
[0140] 在本文公开的多层低摩擦涂层的另一个实施方案中，所述设备可以还包括一个或 多个缓冲层，其位于主体组件或加硬带层的外表面与处于至少一部分暴露外表面上的含多 层低摩擦涂层的层之间。
[0141] 在镍基合金用作缓冲层的一个实施方案中，此层可以通过电镀形成。电镀镍可以 作为缓冲层沉积，其设计硬度为150-1100或200-1000或250-900或300-700HV。镍是银白 色金属，所以镍基合金缓冲层的外观可以是从深灰色到几乎白色的明亮涂饰。在本文公开 的镍基合金缓冲层的一种形式中，氨基磺酸镍可以使用电镀从氨基磺酸镍浴沉积。在本文 公开的镍基合金缓冲层的另一种形式中，瓦特镍可以从硫酸镍浴沉积。瓦特镍通常产生比 氨基磺酸镍更亮的涂饰，这是因为即使深色的瓦特镍也含有颗粒改进剂以改进沉积。瓦特 镍也可以作为半亮涂饰沉积。半亮瓦特镍实现了更明亮的沉积，这是因为所述浴含有有机 和/或金属的增白剂。在瓦特镍中的增白剂使得沉积物平滑，得到比下层部分更光滑的表 面。半亮瓦特镍沉积物可以被容易地抛光成具有高光泽度的超光滑表面。明亮的镍浴含有 较高浓度的有机增白剂，其在沉积物上具有流平效果。基于硫的增白剂通常用于实现在早 期沉积物中的流平，并且不含硫的有机物例如甲醛用于随着镀层增厚而获得全亮度的沉积 物。在另一种形式中，用于缓冲层的镍基合金可以从黑镍形成，其通常施用于下层的电解或 化学镍镀的涂层上。镍基缓冲层提供的有利性能包括但不限于防腐蚀性、磁性能、光滑表面 涂饰、外观、润滑性、硬度、反射率和发射率。
[0142] 在另一个实施方案中，用做缓冲层的镍基合金可以作为化学镍镀形成。在此形式 中，化学镍镀是一种自催化工艺，且不使用外部施加的电流以产生沉积物。化学镀覆工艺 沉积了金属的均匀涂层，与部件形状或其表面不规则性无关；所以，这克服了电镀的主要缺 点之一，即镀覆厚度的变化，这是由于镀件的几何形状引起的电流密度的变化及其与镀覆 阳极的关系导致的。化学镀覆溶液在与正确准备的表面接触时产生了沉积物，且不需要符 合阳极和复杂的纹理。因为化学浴保持均匀的沉积速率，所以镀覆器可以通过简单地控制 浸没时间来精确地控制沉积物厚度。用作缓冲层的低磷含量的化学镀镍可以产生最亮和 最硬的沉积物。硬度是60-70RC(或697-1076HV)。在另一种形式中，中等磷含量或中等 磷可以用作缓冲层，其具有约40-42RC(或392-412HV)的硬度。硬度可以通过加热处理成 60-62RC(或697-746HV)范围来改进。孔隙率较低，并且相反耐腐蚀性比低磷含量的化学镀 镍更高。与中等和低磷含量的沉积物相比，高磷含量的化学镀镍是更稠密和更灰暗的。高 磷含量显示出化学镀镍家族的最佳耐腐蚀性；但是，沉积物并不像低磷含量形式那么硬。高 磷含量的化学镀镍是基本上非磁性的涂层。对于本文公开的镍合金缓冲层，镍硼可以用作 用于金属的底镀层，其需要燃烧以粘合。NiP无定形基体也可以包括第二分散相。非限制 性示例的第二分散相包括：i)被引入细纳米尺寸第二相金刚石粒子中的无电NiP基体，ii) 具有分散在基体内的六面体氮化硼粒子的无电NiP基体，和iii)具有均匀分散在涂层中的 亚微米PTFE粒子（例如20-25 %体积的特氟龙）的无电NiP基体。
[0143] 在另一个实施方案中，缓冲层可以由电镀的铬层形成以获得光滑和反射表面涂饰 层。硬铬或功能铬镀缓冲层提供了在700-1000或750-950或800-900HV范围内的高硬度， 具有光亮和光滑的表面涂饰，并且在20-250ym或50-200ym或100-150ym范围的厚度是 耐腐蚀的。铬镀缓冲层可以在低成本下容易地施加。在此实施方案的另一种形式中，装饰 性铬镀层可以用作缓冲层以提供具有光滑表面涂饰的耐久性涂层。装饰性铬缓冲层可以按 0? 1-0. 5ym或0? 15-0. 45ym或0? 2-0. 4ym或0? 25-0. 35ym范围内的厚度沉积。装饰性 铬缓冲层也可以施加在亮镍镀层上。
[0144] 在另一个实施方案中，缓冲层可以在主体组件或加硬带上从超级抛光工艺形成， 这除去了机械/研磨沟槽，并向表面涂饰层提供了低于0. 25ym的平均表面粗糙度（Ra)。
[0145] 在另一个实施方案中，缓冲层可以在主体组件或加硬带上通过一个或多个以下非 限制性示例方法形成：PVD，PACVD，CVD，离子植入，渗碳，氮化，硼化，硫化，硅化，氧化，电化 学方法，无电镀覆方法，热喷涂方法，动态喷涂方法，激光基方法，摩擦_搅拌法，喷丸硬化 方法，激光振动硬化方法，焊接方法，铜焊方法，超细超抛光方法，摩擦化学抛光方法，电化 学抛光方法，以及它们的组合。
[0146] 界面：
[0147] 在涂层中的各层之间的界面可以对涂层的性能和耐久性有明显影响。尤其是，非 缓变的界面可以产生弱点来源，包括一个或多个以下弱点：应力集中，空隙，残余应力，散 裂，脱层，疲劳断裂，粘合性差，化学不相容性，机械不相容性。一个改进涂层性能的非限制 性示例方式是使用缓变的界面。
[0148] 缓变的界面允许在各层之间的材料和物理性能方面的逐渐变化，这降低了弱点源 的集中。一个在制造方法期间形成缓变界面的非限制性示例方式是逐渐停止第一层的加 工，且同时逐渐开始第二层的加工。缓变界面的厚度可以通过改变加工条件的变化速率来 优化。缓变界面的厚度可以是0.01-10ym或0.05-9ym或0.1-8ym或0.5-5ym。或者， 缓变界面的厚度可以是最薄邻接层的厚度的5-95%。
[0149] 检测方法
[0150] 高砂CETR环块摩擦实验：
[0151] 此实验设计用于模拟高载荷（即高接触压力）和高磨耗环境。使环样品在环境 温度下在各种速度和载荷下围着6. 36_宽的钢块旋转（硬度为约300-350HV)。钢端面以 lmm/s的往复速度以垂直于环旋转轴的方式移动，从而保持沿着环的磨损均匀性。用于此研 宄的润滑介质由油基浆液（油：水=1:9)组成，其中水用作连续相。使用在KKTC下具有 8cSt粘度的聚a-烯烃油。这得到乳液粘度在实验温度下为约0.009Pa.S，这与在相似条 件下的典型油基泥浆的粘度是相当的。此浆液含有50重量％的平均直径为150ym的砂子 (硅石）。将此浆液引入容纳室中，在所述实验期间将环部分地浸泡在所述容纳室中。通过 将此浆液（在密封的容器中）在磁力搅拌器下引入30分钟，使得砂子在实验之前在润滑介 质中完全均化。环的旋转防止了粒子在实验期间在容器中沉淀。通过计算机自动地记录在 每个磨损实验中的摩擦系数值。块磨损（疤痕深度）是通过在尖针式轮廓检测仪中扫描磨 损痕迹检测的，同时基于目测估计涂层磨损。块磨损用作衡量对于任何给定涂层的端面友 好性的手段。应当注意的是，所有涂层获得了低摩擦系数（通常〈〇. 1)，DCL在CETR-BOR实 验期间保持完整未受损。
[0152] 改良ASTMG105磨耗实验：
[0153] 这是一种湿砂/橡胶轮磨耗实验，设计用于模拟较低载荷和非常严重的磨耗环 境。标准ASTMG105实验是使用具有四种不同肖氏硬度的橡胶轮进行的操作。但是，为了避 免复杂性，为此研宄而改良了ASTMG105实验，其中样品在与具有给定肖氏硬度（A58-62) 的旋转橡胶轮接触时进行检测。这些实验是在Falex磨损检测仪中检测，其中保持橡胶轮 部分地浸没在砂子和水的混合物中。轮子在200rpm下相对于垂直放置的平面试样（l"x 3"）在301bf载荷下旋转30分钟。轮子的直径和宽度分别是9"和0.5"。浆液含有60%的 Si02# (圆形）和40%水。在完成实验时，研宄样品的涂层耐久性和通过以下方式检测的 性能：(a)在平板上的残余涂层（目测一一在实验后被面涂层覆盖的磨损区域的百分比）， (b)质量损失，（c)轮廓检测仪检测磨损疤痕深度，和（d)显微术。报告的磨损疤痕深度是 通过触针沿着橡胶轮经过磨损区域宽度中心产生的磨损痕迹长度扫描检测的磨损沟槽的 最大深度。 实施例
[0154] 说明性实施例1 :
[0155] 下述两个步骤用于改进在严重磨耗/载荷条件下的涂层耐久性。
[0156] 步骤1 :厚/超厚的底层结构：
[0157] DLC和粘合促进层的沉积可以通过方法例如PAV⑶进行，其中来源和/或目标用于 沉积DLC层和底层（例如CrxN、TixN等）。在一些情况下，DLC层（通常1-5ym)直接沉积 在基材上且没有任何底层。在其它情况下，底层（通常2-5ym)在DLC沉积（沉积在底层 上）之前沉积到基材上。底层通过载荷屏蔽提供了一部分的机械完整性和韧性，同时也提 供与基材之间的一部分粘合改进性能。通常，较小的底层厚度帮助改进在不太苛刻的条件 下的整体涂层性能（例如低磨耗/载荷），涂层耐久性在遇到高度磨耗/载荷的条件下仍然 是非常差的，这主要是由于基材的塑性形变和DLC本身的磨耗磨损。
[0158] 精细元素分析（FEA)显示载荷经由砂粒的转移可以引起底层基材在〈1ym的凹进 深度下的显著塑性变形，这在高载荷操作条件下是可能的。实际上，使用较大的砂粒（约 25-50ym)，基材塑性形变的水平（局部）可以十分高（>10%)，这导致这种接近底层/基 材界面处的涂层的脱层和断裂。此外，在基材中的塑性形变可以改变在底层/DLC界面中的 应力状态，进一步降低DLC涂层的载荷耐受能力。涂层的脱层/断裂通过在DLC涂层内的 高压缩残余应力而加速，这产生了复杂的局部应力状态以导致涂层脱除（脱粘）。
[0159]通过系统地增加底层厚度（达到彡10-15ym)，可以产生更有效的载荷屏蔽层，因 此显著减少基材的形变。实验和磨耗检测结果（下文所讨论）显示随着增加底层（CrN)厚 度对于涂层耐久性的有益效果。这种厚底层的沉积是技术挑战的方法，并且可以需要对化 学计算量的良好控制（例如交替的CrN和Cr2N层以控制残余应力）和较长沉积时间（对 于CrN的典型沉积速率是1ym/40-50分钟）。
[0160] 步骤2 :厚/超厚的、超硬的和/或复合的DLC结构：
[0161] 虽然步骤1 (上述）帮助减少基材的塑性形变，但是不能直接解决在严重磨耗条件 下的DLC性能问题（即耐久性）。
[0162] 在涉及磨耗介质（即砂子）的磨损中，磨耗介质和涂层的硬度比率（即表面被磨 耗）决定了整体磨耗速率（根据现有文献）。在这种预期下，提高涂层硬度能帮助降低磨 耗磨损。但是，提高的DLC涂层硬度是以提高残余应力为代价的，这引起涂层断裂/脱层/ 散裂的问题。因此，这方面导致关注相对于"极限"硬度的"最佳硬度"