CN101321892B - 耐气蚀部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及耐气蚀部件及其制造方法。该耐气蚀部件(1)的基材表面上形成有无定形碳膜涂层并且至少具有：位于该基材(2)的表面上并包括多个柱状结构(4a)的第一无定形碳膜涂层(4)；和无取向地沉积在该第一无定形碳膜涂层(4)的表面上并包括多个粒状结构(5a)的第二无定形碳膜涂层(5)。

Description

耐气蚀部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种与流体接触的基材表面上形成有无定形碳膜涂层的部件及其制造方法。更具体地，本发明涉及能够减小由于流体内出现的气穴现象而导致的气蚀的技术。
背景技术
在车辆内的液压装置中，因为工作流体高速流动，具有低压的部分工作流体在作为液压装置的一部分的阀及其类似物的区域内蒸发，由此出现蒸气泡(气穴气泡)。从而，出现气穴现象，其中，这些气泡在短时间(几微秒至几十微秒)内破裂和消失。当此气穴气泡破裂时，产生像几GPa那样大的冲击波。由于此冲击波对阀表面的作用，出现呈下陷形式且已知为气蚀的损害，该下陷表现为部件的表面被挖入。结果，液压装置可能表现出振动且性能降低。
为抑制由于这种气穴导致的气蚀，利用扩散渗氮处理与工作流体接触的阀表面。另外，日本专利申请公开文献No.JP-A-2003-207001已描述了在止回阀内提供的止回球的表面和用于收容该止回球的环形球片的表面之一或两者上提供DLC(类金钢石碳)膜涂层。
然而，近年来，随着向混合动力车的转变，已附加了在行驶时再生车辆能量的新系统。结果，这些车辆中提供的线性阀及其类似物经历的操作次数增多，且更多工作流体趋向于流经这些阀。另外，与工作流体接触的阀表面的气蚀更易于发生。为此，不能通过对铁质材料的表面进行扩散渗氮处理和简单地提供无定形碳涂层这些当前方法来充分地抑制气蚀(DLC膜涂层)。具体地，依据膜形成条件，膜特性例如膜结构、膜厚度、粘结性、表面硬度、SP2(石墨结构)/SP3(金刚石结构)比、氢含量和金属添加剂含量具有较大的不同。因此，不能说无定形碳膜涂层具有优良的耐气蚀性。另外，在此环境下被涂覆以无定形碳膜涂层(DLC膜涂层)的阀不能认为具有足够的粘结剂，存在碳膜涂层剥离的风险。
发明内容
本发明提供一种改善部件的耐气蚀性的膜涂层，同时实现该膜涂层在表面上的良好粘结性。
气蚀形式是由于部件表面受到气蚀导致的冲击波的重复应力而产生的，这使得该表面附近疲劳且使构成该表面的构造部分的脆弱部分(晶界部分)产生裂缝。另外，裂缝的生长导致部件继续气蚀的损坏形式。为改善部件的耐气蚀性，该部件的表面硬度必须足够硬以忍受气蚀导致的冲击波。具有适当表面硬度的一种材料是无定形碳材料。
由无定形碳材料制成的膜涂层理论上具有两个功能：(1)粘结该膜涂层和基材和(2)减小由冲击波导致的晶界(结构边界)的损伤。已确定以规则方式设在基材的表面上且具有柱状结构的无定形碳膜涂层实现该膜涂层与基材之间的均匀粘结，以及具有无任何取向的微细结构的无定形碳膜涂层可减小晶界损伤。因此，通过叠加具有这两种不同结构的无定形碳膜涂层，可同时满足两个功能。
本发明的第一方面涉及一种经处理以改善耐气蚀性的部件，其中，该部件与流体接触，并且无定形碳膜涂层形成在基材的表面上。该部件具有位于基材的表面上并包括多个柱状结构(柱状微结构)的第一无定形碳膜涂层和无取向地沉积在该第一无定形碳膜涂层的表面上并包括多个粒状结构(粒状微结构)的第二无定形碳膜涂层。
在本发明中，措词“多个柱状结构”指由具有柱状且以规则方式基本垂直(单向)于硬层表面延伸的无定形碳材料构成的一组结构。措词“无特定取向沉积的多个粒状结构”指由具有粒状且无任何特定取向沉积的无定形碳材料构成的一组结构。
根据本发明的耐气蚀部件，通过提供位于基材的表面上并包括多个柱状结构(柱状微结构)的第一无定形碳膜涂层，可改善该第一无定形碳膜涂层相对于基材的粘结性以及该第一无定形碳膜涂层与第二无定形碳膜涂层之间的粘结性。另外，即使气穴气泡的冲击波在基材的表面上导致波纹，因为膜涂层遵循此波纹，这些膜涂层也不会剥离。另外，通过提供无任何取向地沉积并包括多个粒状结构的第二无定形碳膜涂层，由于这些粒状结构中的每个都单独脱落，所以可减小部件的气蚀。
第二无定形碳膜涂层的表面硬度可通过形成Hv值在200至8000范围内的膜来确立。然而，从成膜容易性的观点来看，表面硬度Hv优选从1000至3000。由此，添加元素例如Si、Ti、Cr、Mo、Fe、W、B、N及其类似物可加入第一和第二无定形碳膜涂层。通过添加这些元素，可调整膜涂层的表面硬度。这些元素可作为梯度组件沿着第一和第二膜涂层的厚度方向添加。通过添加此元素，可调整膜涂层的特性以使该膜涂层适于使用环境。
经处理以改善耐气蚀性的部件可具有多层结构，其中，重复地形成第一和第二无定形碳膜涂层。在此情况中，多层膜的第二无定形碳膜涂层优选被形成为与流体接触。
另外，粒状结构的平均粒径优选为5至500nm。通过沉积此微细的毫微数量级粒状结构，可形成紧实膜。即使在第二无定形碳膜涂层的粒状结构由于气蚀导致的冲击波而脱落的情况下，总体损伤也较小。为此，可进一步改善部件的耐气蚀性。
另外，其上形成有无定形碳膜的基材的表面层可被硬化。按照这种方式，通过硬化基材的表面层，可减小由于气穴气泡导致的冲击波引发该基材表面的凹坑。为此，变得可以改善流量阀的防漏性，且可例如改善精密流体设备例如伺服阀的控制性能。
在本发明中，术语“硬化层”指经硬化处理的基材的表面。例如，当基材是铁质材料时，通过碳化或氮化等来硬化表面层，或者也可通过利用火焰硬化、RF硬化等获得的淬火来硬化该表面层。基材的表面可由铁质材料制成。硬化层还可是氮化层、碳氮化层和氧氮化层中的任一层。在这些层类型中，氮化层最优选作为硬化层。硬化层的厚度和表面硬度依据基材的钢类型而不同。然而，从制造容易性的观点来看，优选地，氮化层的厚度为50μm且其表面硬度Hv约为1000。若基材本身具有此表面硬度，也能够获得相同的效果。
与基材本身较硬情况下的高速钢和骰形钢(dice steel)相比，可较廉价地形成硬化层。经此氮化处理的处理面可具有亚微数量级的适当表面粗糙度。为此，当膜形成在处理面上时，由于固定作用，可改善膜的粘结性。
另外，包括选自Cr、Ti、W、Ni、Si、Al及其组合的元素的中间膜层设在硬化表面层与第一无定形碳膜涂层之间。通过提供此中间膜，可改善基材与第一无定形碳膜涂层之间的粘结性。另外，在如上所述经由氮化硬化的基材的表面上形成中间膜以使硬化层内包含的氮离子在形成中间膜时迁移到该中间膜。由此，可改善中间膜与硬化层之间的粘结性。也就是说，因为即使在低温下，已分散到固体硬化层中的氮离子也会比通过碳化分散的碳离子更易于分散到中间膜内，所以可更有效地改善粘结性。另外，因为在比碳化更低的温度下执行基材的氮化，可在处理后立即执行层表面的涂覆而不使部件尺寸变形或软化等。
另外，梯度膜可形成在底膜与第一无定形碳膜涂层之间，其中，梯度膜的成分从第一无定形碳膜涂层至底膜变化。通过形成这种梯度膜，可进一步增大无定形碳膜涂层的粘结性。另外，尽管此梯度膜形成在底膜与第一无定形碳膜涂层之间，但也可通过仅在基材与第一无定形碳膜涂层之间设置该梯度膜以代替中间膜来改善第一与第二无定形碳膜涂层的粘结性。
优选地，这种部件的第一无定形碳膜涂层的厚度为0.2至0.4μm，且第二无定形碳膜涂层的厚度为0.5至4.5μm。第一无定形碳膜涂层的厚度越薄，此膜涂层相对于气蚀冲击波的粘结性越好，且从成膜工艺的观点来看，形成均匀膜例如第一无定形碳膜涂层的最小厚度范围约为0.2至0.4μm。增大第二无定形碳膜涂层的厚度将提供更好的耐气蚀性。然而，如果在形成第二无定形碳膜涂层时膜厚度过大，则作用于该无定形碳膜涂层上的压缩应力将导致此膜与基材剥离。为此，优选地，可形成此膜涂层的膜厚度范围为0.5至4.5μm。另外，为改善耐气蚀性，理想的是最小厚度为2.0μm及大于2.0μm。结果，膜厚度优选2.0至4.5μm。
本发明的第二方面涉及一种具有改进耐气蚀性的部件的制造方法，其中，该部件与流体接触，并且无定形碳膜涂层形成在基材的表面上。该部件制造方法包括在基材的表面上形成包括多个柱状结构的第一无定形碳膜涂层的步骤和在该第一无定形碳膜涂层的表面上无取向地沉积包括多个粒状结构的第二无定形碳膜涂层的步骤。
根据此制造方法，在发生气蚀的情况下，耐气蚀性提高的制造部件能够减小气蚀并粘结膜涂层。
第一和第二无定形碳膜涂层不一定要利用特定的方法形成。然而，形成第一无定形碳膜涂层的适当方法是物理汽相沉积法(PVD)，且第二无定形碳膜涂层经由等离子体化学汽相沉积法(等离子体CVD)形成。通过利用这些膜沉积方法形成膜，可更容易地获得第一无定形碳膜涂层的多个柱状结构和无取向地沉积在第二无定形碳膜涂层内的多个粒状结构。PVD法包括诸如真空汽相沉积、离子电镀和溅射一类的方法，且通过采用此方法，可在低成膜温度(250℃或更低)下粘结第一无定形碳膜涂层。
在第二无定形碳膜涂层内，还优选的是粒状结构的平均粒径被形成为5至500nm。通过实现此粒径，可形成紧实膜。例如，即使第二无定形碳膜涂层的各个粒状结构由于气蚀冲击波而一个接一个地脱落，总体损伤也较小。为此，可改善耐气蚀性。另外，通过利用上述等离子体CVD法形成第二无定形碳膜涂层，可以特别地制造直径在此范围内的粒状结构。
可在形成第一无定形碳膜涂层之前硬化基材的表面层。通过形成这种硬化层，可减小由于气蚀导致的冲击波引发的基材表面的波纹。另外，表面层可通过例如氮化、碳氮化或氧氮化来硬化。通过执行这种处理，可廉价地获得具有良好粘结性的膜。例如，此氮化处理(包括软氮化法)的例子包括扩散渗氮(盐浴氮化)、气体氮化、等离子氮化、离子氮化、原子团氮化等。另外，氮化也可以这样处理，其中，铁质氮(εFe2-3N，γ‘Fe4N)不出现在基材的表面上且氮离子本身固体分散。
在形成第一无定形碳膜涂层的步骤之前，优选地，基材的表面包括铁质材料，底膜包括选自Cr、Ti、W、Ni、Si、Al或其组合且设在硬化层表面上的元素。具体地，当形成金属元素的中间膜时，分散到硬化表面层中的氮离子可扩散到底膜内，从而能够进一步改善两者的粘结性。
另外，梯度膜进一步设在底膜与第一无定形碳膜涂层之间。在梯度膜内，添加元素被添加为使得随着第一无定形碳膜涂层靠近中间膜，构成底膜的成分添加元素改变。通过这样做，可进一步改善无定形碳膜涂层的粘结性。考虑到与第一无定形碳膜涂层的粘结，底膜成分可通过溅射形成且利用碳和梯度膜作为靶。
另外，优选地，第一无定形碳膜涂层被形成为具有0.2至0.4μm的厚度，且第二无定形碳膜涂层被形成为具有0.5至4.5μm的厚度。通过选择这些膜厚度范围，可改善相对于气蚀冲击波的粘结性且抑制气蚀。另外，更优选地，第二无定形碳膜涂层的厚度为2.0至2.5μm。
根据本发明，通过在基材的表面上形成具有不同结构(微结构)的多个无定形碳膜涂层，在发生气蚀的情况下，可减小气蚀，同时粘结被形成在该表面上的无定形碳膜涂层。
附图说明
自以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的前述及其它目的、特征和优点将变得明显，其中，相同附图标记用于指示相同部件，且其中：
图1是示出根据本发明第一实施例的耐气蚀部件的图示的截面图；
图2是用于说明图1所示耐气蚀部件的制造方法的流程图；
图3a是示出喷射气蚀测试器的构造的图，图3b是说明利用金相显微镜或电子显微镜观察的试样的图；
图4示出利用金相显微镜拍摄的例1和比较例1和2的试样的表面的照片；
图5a是示出例1的表面硬度的测量结果的图，图5b是示出比较例1的表面硬度的测量结果的图；
图6a至6c是用于说明由于气蚀导致出现表面波纹的机理的图；
图7是示出在气蚀测试前后对于例2和比较例3至6而言损伤表面比与每个试样的表面硬度之间关系的图；
图8示出使用气蚀测试利用金相显微镜拍摄的例2和比较例3至5的试样表面的照片；
图9示出利用金相显微镜拍摄的例2和比较例3至5的表面的照片；
图10是说明气蚀的损伤机理的图；
图11是说明例3和比较例7的气蚀测试结果的图；
图12是示出膜厚度与例4和5以及比较例8和9的试样的第二无定形碳膜涂层的损伤表面积之间关系的图；
图13是示出膜厚度与例6以及比较例10和11的试样的第一无定形碳膜涂层的损伤表面积之间关系的图；以及
图14是示出采用耐气蚀部件的设备和部件的表格。
具体实施方式
以下基于实施例说明根据本发明的耐气蚀部件。
(例1)
<试样的制造>
例1的试样即试样W被预备为耐气蚀部件1，该耐气蚀部件1在例如图1所示基材2的表面上具有：底(梯度)膜3，以铬作为主要材料；第一无定形碳膜涂层(第一DLC膜涂层)，具有多个柱状结构4a且位于紧密接触膜3的表面上；以及第二无定形碳膜涂层(第二DLC膜涂层)5，具有多个粒状结构且无任何取向地设在第一无定形碳膜涂层4的表面上。
关于特定制造过程，试样W遵循如图2所示的过程制造。首先，把具有梯级且直径25mm和厚度12mm的不锈钢管(JIS标准：SUS303)预制为基材2，且磨削(研磨)其表面(S11)。接着，在150℃的温度下利用离子轰击处理此基材2的表面(S12)。此后，利用铬靶执行溅射20分钟以形成厚度为0.3μm的中间膜涂层。在这完成后，尽管与基底接触的部分是纯铬，但施予了梯度成分以使最外表面变成DLC(S13)。
然后，在采用物理汽相沉积法(PVD)的溅射方法中利用碳靶和乙炔处理其上形成有铬膜涂层的基材30分钟生长时间，以形成具有多个柱状结构4a的第一无定形碳膜涂层(S14)。另外，在等离子体化学汽相沉积法(等离子体CVD)中采用乙炔气体，以形成具有多个粒状结构5a且无取向地沉积在其上形成有第一无定形碳膜涂层的表面上的第二无定形碳膜涂层(S15)。在这一点上，尽管在形成第二无定形碳膜涂层后不进行表面磨削，但可根据需要进行磨削。
<气蚀测试>
试样W被放置在如图3a所示的喷射气蚀测试器(ASTM标准，气蚀材料测试器)20的容器21内。测试器20充满0.3Mpa压力下的离子交换水，且喷嘴22被设置成使直径0.4mm的喷孔22a的端部22b位于离试样W的第二无定形碳膜涂层的表面10mm距离处。在18Mpa的压力下且以17cc/s(130m/s)的流量从喷孔22a喷射离子交换水300秒，以使试样W的表面气蚀。评价试样W的气蚀。
[测试评价方法1：利用金相显微镜测量损伤表面积]
在气蚀测试前后利用金相显微镜观察试样的表面。另外，利用在执行金相显微镜观察时拍摄的相片测量损伤表面积，损伤表面积比被计算为(损伤表面积比)＝(损伤表面积)/(总表面积)×100。结果示出在图4中。
[测试评价方法2：利用金属和扫描电子显微镜观察表面]
如图3b所示，利用金相显微镜在放大倍率下观察气蚀测试后未观察到试样损伤的表面正常区域(I部)和观察到试样损伤的表面损伤区域(II部)。结果示出在图4的I至III部分中。在图4中，I和II是以1000倍的金相显微镜放大倍率观察的结果，以及III是以50倍的金相显微镜放大倍率观察的结果。
另外，如图3b所示，沿着无定形碳膜涂层的厚度方向切割试样。在1000倍的放大倍率下利用金相显微镜观察气蚀导致的切割面的截面损伤区域(III部)。结果示出在图4的IV内。
[测试评价方法3：测量试样的表面粗糙度]
利用表面粗糙度测试器测量图3b所示的表面正常区域(I部)和表面损伤区域(II部)的表面粗糙度。结果示出在图5a和下表1中。
(比较例1)
预备同例1相同的基材且在同例1相同的条件下执行离子轰击，利用溅射在该基材的表面上形成铬膜涂层，其后形成无定形碳膜涂层。也就是说，比较例1的试样不同于例1之处在于不利用等离子体CVD形成第二无定形碳膜涂层。按照与例1相同的方式执行评价测试。结果示出在图4中。表面粗糙度测量的结果示出在图5b和表1中。
(比较例2)
预备同例1相同的基材且预热该基材至350℃达75分钟。在570℃下执行扩散渗氮(盐浴氮化)60分钟，以实现1000的表面硬度Hv和25μm的层厚度，从而在基材2的表面上形成氮化层(硬化层)。处理后，冷却经加热的基材(在120℃下油冷却5分钟)。然后，按照与例1相同的方式执行评价测试，结果示出在图4中。
[表1]
  正常部分   损伤部分
  例1   比较例1   例1   比较例1
中心线平均粗糙度(Ra) 0.02μm 0.08μm 0.19μm 0.25μm
最大粗糙度(Rmax) 0.13μm 1.01μm 1.28μm 2.12μm
0点平均粗糙度(Rz) 0.09μm 0.9μm 1.39μm
(结果1：表面损伤结果)
如图4所示，例1的试样在气蚀测试后几乎不显示任何表面损伤，例1的损伤表面积比小于1％，此值与比较例1和2相比较小。
(结果2：表面状况结果)
如图4的III和图5所示，例1和比较例1的试样的由气蚀导致的损伤部分的表面显示多个类似于凹部的表面波纹。如图5和表1所示，例1的表面损伤区域的表面粗糙度与比较例1相比较小。
(观察1：表面损伤的预测)
因为例如例1试样表面上的第二无定形碳膜涂层是一组由无任何特定取向沉积的粒状无定形碳材料构成的结构(粒状结构)，所以即使气穴气泡导致的冲击波作用于其膜涂层表面，各个粒状结构也一个接一个地损坏。由此，损伤不会扩散到第一无定形碳膜涂层，且试样表面的损伤表面积比小，这被认为可长时间地保持耐气蚀性。
相反，在比较例1的试样情况下，形成该试样表面上的无定形碳膜涂层的多个柱状结构被形成为垂直于基材的表面。为此，当气穴气泡导致的冲击波作用于此膜涂层的表面上时，柱状结构本身受到损坏且基材的表面露出。由于产生此结果，认为试样表面的损伤表面积比变大。另外，认为在比较例2的试样情况下，因为金属内颗粒的结合弱于比较例1的柱状结构之间的结合，金属的尺寸进一步增大，使得损伤表面积比大于比较例1。
(观察2：表面波纹的预测)
如图4中的III所示，例1和比较例1的试样的表面内出现类似于凹部的多个表面波纹。其理由被认为是如图6a和图6b所示，产生气穴气泡，且该气泡与试样撞击时冲击波的能量影响该试样直至基材，结果，伴随着膜涂层表面的气蚀，变形延伸至作为比该膜涂层软的底层的基材表面，从而导致该试样表面内的波纹。另外，还认为新产生的气穴气泡重复此现象，使损伤区域内的表面粗糙度与正常区域相比增大。
在例1的试样的情况下，冲击波的能量分布在膜涂层内，使表面波纹少于比较例1。这被认为是因为第二无定形碳膜涂层是由无任何特定取向沉积的粒状无定形碳材料构成的一组结构，且还因为形成在下面的底层是具有不同结构的第一无定形碳膜涂层。如图6c所示，还认为如果硬化层进一步经由氮化等形成在基材的表面上，则可进一步减小表面的波纹。
(例2)
按照与例1相同的方式预备试样。与例1不同之处如下。在形成图1所示底膜3之前，在350℃下预热基材2达75分钟。然后，在570℃下执行扩散渗氮(盐浴氮化)60分钟，以实现1000及更高的表面硬度Hv和25μm的层厚度，从而在基材2的表面上形成氮化层(硬化层)。处理后，冷却经加热的基材(在120℃下油冷却5分钟)。此后，按照与例1相同的方式，按顺序形成底膜3、第一无定形碳膜涂层4和第二无定形碳膜涂层5。
<表面硬度测试>
测量如上所述制造的试样的表面硬度。结果示出在图7中。
<气蚀测试及其评价>
进一步执行类似于例1的气蚀测试，且按照与例1相同的方式进行评价。结果示出在图7至图9中。在图9中，利用金相显微镜观察的结果示出在针对表面正常区域的部分I内(对应于图3中的I部分)、针对表面损伤部分的部分II内(对应于图3中的II部分)以及针对截面损伤区域的部分III内(对应于图3中的III部分)，且利用SEM观察的结果示出在针对截面损伤区域的部分IV中(对应于图3中的IV部分)。
(比较例3)
利用与例2相同的基材预备试样，且在与例1相同的条件下，经由扩散渗氮处理(盐浴氮化)在该基材的表面上形成氮化层，离子轰击该基材的表面。在利用溅射于基材的表面上形成铬膜涂层后，形成无定形碳膜涂层。也就是说，例3的试样不同于例2之处在于不形成第二无定形碳膜涂层。按照与例2相同的方式执行表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图7至图9中。
(比较例4)
利用与例2相同的基材预备试样，且在与例2相同的条件下，经由扩散渗氮处理(盐浴氮化)在该基材的表面上形成氮化层，离子轰击该基材的表面。在利用溅射于基材的表面上形成铬膜涂层后，形成无定形碳膜涂层，同时添加钨。也就是说，例4的试样不同于例2之处在于不形成第二无定形碳膜涂层。按照与例2相同的方式执行表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图7至图8中。
(比较例5)
利用与例2相同的基材预备试样，且在与例1相同的条件下，进行扩散渗氮处理。也就是说，比较例5的试样不同于例2之处在于通过溅射形成铬膜涂层且不形成第一和第二无定形碳膜涂层。按照与例2相同的方式执行表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图7至图9中。
(比较例6)
利用与例2相同的基材预备试样。然后，利用电弧离子电镀法形成氧化铬膜，采用铬靶和氮气且基材温度为475℃。按照与例2相同的方式执行表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图7中。
(结果3：损伤表面积比)
如图7和图8所示，例2的试样的表面在气蚀后几乎不显示任何损伤。例2的损伤表面积比小于1％，此值与比较例3至6相比较小。
(结果4：表面正常区域的观察)
利用图9中IV所示的SEM观察，在形成于例2和比较例3的试样上的无定形碳膜涂层(例2的情况下为第一无定形碳膜涂层)内观察到一组柱状结构。这组柱状结构由近似垂直于表面生长且短边尺寸范围从10nm至近似500nm的无定形碳材料组成。另外，例2的试样上，在形成于柱状结构组(第一无定形碳膜涂层)上且直径约为范围从5nm至500nm的第二无定形碳膜涂层内观察到一组由无任何取向(不朝向特定方向生长)设置的无定形碳材料组成的粒状结构。在形成于比较例3和4的试样上的无定形碳膜涂层内观察到微滴。
(结果5：损伤部分的观察)
从如图9所示利用金相显微镜观察表面和截面的结果来看，可由例2的试样证实在第二无定形碳膜涂层的粒状结构缺失的部分上存在损伤部分(图中沿水平方向损伤)。
对比较例3和4的无定形碳膜涂层的粒状结构的截面的正常部分的观察显示多个微滴。然而，对损伤部分和截面的观察显示尺寸和分布状态与微滴近似的多个损伤部分。沿着柱状结构相互接触的边界部，观察到部分该柱状结构缺失的损伤部分(图中沿垂直方向损伤)。另外，在基材露出的损伤部分位置，沿着该基材的金属的晶界，观察到金相结构缺失的部分。
另外，对比较例5的试样的损伤部分表面的观察显示多种尺寸的凹部，所有这些凹部的附近都具有裂缝。对损伤部分的截面的观察显示在大缺失部分的附近已生成沿晶界的裂缝。
(观察3：损伤机理)
由结果3至5，预测试样的损伤机理如下，参照图10。
如图10所示，因为这些试样表面上由气蚀导致的重复冲击波的作用，该冲击波引发的重复冲击(应力)导致试样表面疲劳。具体地，这些冲击波导致裂缝在无定形碳膜涂层的结构组内的结构之间的边界薄弱位置以及金属基材表面结构内的晶界薄弱位置出现且生长。可预想裂缝的生长将导致一部分结构组和一部分金属结构脱落，引发表面损伤。
作为例2的试样的表面的第二无定形碳膜涂层是一组由无任何特定取向且不规则设置的粒状无定形碳材料构成的结构(粒状结构)，且该粒状结构微细，平均粒径为5至500nm。为此，可预想即使这种裂缝生长，该裂缝也不会生长至其它粒状结构之间的边界，使得已产生裂缝的单个微细粒状结构一个接一个地脱落，结果是此试样表面的损伤表面积比小且可在长时间内具有耐气蚀性。
在比较例3和4的情况下，因为构成这些试样表面上的无定形碳膜涂层的多个柱状结构垂直于基材的表面生长，所以由于冲击波引发的疲劳而在膜表面上柱状结构之间的边界内产生的裂缝将生长至该基材的表面。结果，可预想的是柱状结构发生损伤。具体地，可预想的是在具有微滴的位置，因为该微滴与相邻柱状结构之间的边界薄弱，所以该微滴将由于裂缝朝向边界的产生和生长而脱落。结果，可预想的是由于这种柱状结构和微滴的脱落，试样表面的损伤表面积比变大。
另外，在比较例5的试样的情况下，裂缝在试样金属表面上薄弱的金属之间晶界处产生和生长。结果，可预想的是由于比柱状结构大的结构从表面脱落，进一步增大了试样表面的损伤表面积比。还可预想的是，在比较例3和4的情况下，在无定形碳膜涂层损伤(剥离)且基材表面露出的位置也出现相同类型的现象。
(观察4：损伤与硬度之间的关系)
即使比较例3例如在比较例4中简单地增大试样膜涂层的表面硬度，该比较例4的损伤表面积比也不会降低，如图7所示。结果，可预想的是不能通过简单地增大表面硬度来减小该表面的损伤表面积比。为此，可预想的是如观察3中所示的此表面的损伤表面积比取决于这些结构的形状、尺寸和取向。
(例3)
制造与例2相同的试样，且执行与例2情况相同的表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图11中。
(比较例7)
预备与例2相同的基材，且在与例2相同的条件下，采用扩散渗氮处理(盐浴氮化)在该基材的表面上形成氮化层，离子轰击该基材的表面。在利用溅射于基材的表面上形成铬膜涂层后，利用等离子体CVD形成无定形碳膜涂层。也就是说，比较例7的试样不同于例2之处在于不通过溅射形成第一无定形碳膜涂层。按照与例2相同的方式执行表面硬度和气蚀的测试。结果示出在图11中。
(结果6)
如图11所示，例3的试样的表面在气蚀后几乎不显示任何损伤。例3的试样的损伤表面积比小于1％，此值与比较例7相比较小。比较例7的损伤表面积比近似70％。
(观察5：第一无定形碳膜涂层的作用)
如图7所示，尽管形成由多个粒状结构组成的无定形碳膜涂层，但损伤表面积比大于预期，因为不能使此由多个粒状结构组成的无定形碳膜涂层充分地粘结到基材上。也就是说，可预想的是能够通过在第一无定形碳膜涂层的表面上形成第二无定形碳膜涂层来粘结该第二无定形碳膜涂层，例如例3。
(总结)
结果1至6和观察1至5示出在下表中。此表中，“A”，“B”和“C”是膜涂层和层的比较指数，“A”指良好，“B”指平均，而“C”指差。
[表2]
制造方法 硬度  粘结性  结构 杂质  耐气蚀性
第二DLC膜涂层 PCVD A  C  粒状结构 无  A
第一DLC膜涂层 PVD B  A  柱状结构 金属  B
硬化层(氮化层) 扩散渗氮 B  A  粗粒 无  C
按照这种方式，若考虑耐气蚀性，则必须在与流体接触的流体接触表面上形成第二无定形碳膜涂层(第二DLC膜涂层)。然而，若考虑与膜涂层的粘结性，则仅此第二无定形碳膜涂层是不够的。因此，为改善第二无定形碳膜涂层与基材之间的粘结性，需要在该第二无定形碳膜涂层与基材之间提供第一无定形碳膜涂层(第一DLC膜涂层)。另外，为减小气穴气泡导致的表面波纹，优选利用例如氮化在基材的表面上形成硬化层。
(例4，5)
像例2中所述的那样制造试样。例4，5的试样的区别在于第一无定形碳膜涂层的厚度落在范围0.3μm±0.1μm内和第二无定形碳膜涂层分别具有1.85μm和3.22μm的厚度。执行与例2相同的气蚀测试，且确定损伤表面积比。结果示出在图12中。
(比较例8，9)
像例4中所述的那样制造试样。比较例8，9的试样的区别在于第二无定形碳膜涂层分别具有0.8μm和1.51μm的厚度。执行与例4相同的气蚀测试，且确定损伤表面积比。结果示出在图12中。
(结果7)
与比较例8，9相比，例4，5在气蚀测试后几乎不显示任何表面损伤。
(观察6：最佳第二无定形碳膜涂层)
结果，可认为伴随着第二无定形碳膜涂层的厚度增大，损伤表面积比减小且耐气蚀性提高。然而，由比较例8，9的试样的损伤表面积比来看，认为即使采用比较例8，9，也能获得足够的耐气蚀性。相反，若在形成第二无定形碳膜涂层时该第二无定形碳膜涂层的膜厚度过大(厚于4.5μm)，则可能由于此无定形碳膜涂层的压缩应力而导致发生膜剥离。
可认为若第二无定形碳膜涂层的膜厚度至少在0.5至4.5μm的范围内，则可以获得足够的耐气蚀效果。另外，若最小膜厚度例如在例4，5中为2.0μm，也就是说，若厚度为2.0至4.5μm，则可认为耐气蚀性进一步提高。
(例6)
制造与例2相同的试样。例6的试样区别于例2之处在于第一无定形碳膜涂层的厚度为0.33μm且第二无定形碳膜涂层被形成为使膜厚度落在范围0.85μm±0.15μm内。执行与例2相同的气蚀测试，且确定损伤表面积比。结果示出在图13中。
(比较例10，11)
制造与例2相同的试样。比较例10，11的试样区别于例2之处在于第一无定形碳膜涂层的厚度分别为1.4μm和1.99μm。执行与例4相同的气蚀测试，且确定损伤表面积比。结果示出在图13中。
(结果8)
如图13所示，损伤表面积比按照例6、比较例10和比较例11的顺序逐渐变大。
(观察7：最佳第一无定形碳膜涂层)
由结果8，较薄的第一无定形碳膜涂层相对于气蚀冲击波具有更好的粘结性。从成膜观点来看，可均匀地形成最小膜厚度范围在0.2至0.4μm内的第一无定形碳膜涂层。
根据本发明的耐气蚀部件可用在如图14所示的材料与工作油或其类似物接触的汽车设备及零件中。

Claims (14)

1.一种耐气蚀部件，其中，所述部件与流体接触，并且无定形碳膜涂层形成在基材(2)的表面上，所述耐气蚀部件包括：
位于所述基材(2)的表面上并包括多个柱状结构(4a)的第一无定形碳膜涂层(4)；和
无取向地沉积在所述第一无定形碳膜涂层(4)的表面上并包括多个粒状结构(5a)的第二无定形碳膜涂层(5)。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，
所述粒状结构(5a)的平均粒径为5至500nm。
3.根据权利要求1或2所述的部件，其中，
所述基材(2)的表面被硬化。
4.根据权利要求3所述的部件，其中，
所述基材(2)由铁质材料制成，所述基材(2)的硬化表面是选自氮化层、碳氮化层和氧氮化层的层。
5.根据权利要求1或2所述的部件，其中，它还包括：
中间膜(3)，该中间膜(3)包括选自Cr、Ti、W、Ni、Si和Al的至少一种元素，并且设置在硬化层与所述第一无定形碳膜涂层之间。
6.根据权利要求1或2所述的部件，其中，
所述第一无定形碳膜涂层(4)具有0.2至0.4μm的厚度。
7.根据权利要求1或2所述的部件，其中，
所述第二无定形碳膜涂层(5)具有0.5至4.5μm的厚度。
8.一种耐气蚀部件的制造方法，其中，所述部件与流体接触，并且无定形碳膜涂层形成在基材(2)的表面上，所述制造方法包括：
在所述基材的表面上通过物理汽相沉积法形成包括多个柱状结构(4a)的第一无定形碳膜涂层(4)(S14)；和
通过等离子体化学汽相沉积法形成第二无定形碳膜涂层(5)，其包括无取向地沉积在所述第一无定形碳膜涂层的表面上的多个粒状结构(5a)(S15)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述第二无定形碳膜涂层(5)内的所述粒状结构(5a)的平均粒径为5至500nm。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述方法还包括：
在形成所述第一无定形碳膜涂层(4)前硬化所述基材(2)的表面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述基材(2)的表面由铁质材料制成，以及
所述基材(2)的表面的所述硬化是选自氮化、碳氮化和氧氮化的处理。
12.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述方法还包括：
在形成所述第一无定形碳膜涂层(4)前，在硬化层的顶部上形成包括选自Cr、Ti、W、Ni、Si和Al的至少一种元素的中间膜(3)(S13)。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其中，
所述第一无定形碳膜涂层(4)具有0.2至0.4μm的厚度。
14.根据权利要求8或9所述的方法，其中，
所述第二无定形碳膜涂层(5)具有0.5至4.5μm的厚度。
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