CN101501813A - 表面修饰用方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以基于碳的耐磨层被覆基体的方法，所述方法包括下述步骤：i)提供包含对碳具有亲和性的材料的基体，ii)清理基体表面，iii)在所述表面上沉积含有金属的层，iv)离子轰击经被覆的表面，v)在所述表面上沉积碳层。此外，本发明还涉及在其表面上具有类金刚石碳被覆层的基体，和用于实施本发明的方法的设备。

Description

表面修饰用方法和设备
技术领域
本发明涉及在真空中应用被覆层，特别涉及产生导电材料的等离子体的设备。所述设备用于实施提供具有类金刚石碳被覆层的基体的方法，其中所述碳被覆层可改善所述基体的硬度、切削性能和耐磨性。此外，本发明还涉及用于在印刷电路板上执行布线(routing)、分切、钻孔等加工和用于Al、Cu等有色金属材料的机械加工的钻孔装置。
背景技术
以类金刚石碳进行被覆的技术在本领域中已经广为人知。
WO 2004/083484 A1描述了通过CVD(化学气相沉积)技术在基体表面上沉积纳米晶类金刚石材料的可能性，特别是用于在PCB(印刷电路板)铣刀的表面上获得这些类标准碳层的化学气相沉积技术。
PCB制造的主要问题是机械加工PCB时在提高生产率和降低成本方面始终存在压力。由于金刚石极为坚硬，DLC(类金刚石碳)被覆的铣刀也极为适于机械加工坚硬的复合材料和玻璃化转变温度(Tg)为170℃～180℃的极为耐热的高Tg材料。
Vladimir I.Gorokhovsky的美国专利5,435,900、6,663,755和6,617,057描述了在一个单独的反应室中通过过滤阴极电弧沉积在真空中沉积被覆层的可能性，其中，在真空中由磁偏转系统围绕的等离子体电弧与第一等离子体源相连，并且将被覆室用作一个设备。
EP 1 186 683 B1描述了利用过滤电弧碳源在钟表业中所用的零件上提供类金刚石碳(DLC)层。
印刷电路板(PCB)用金刚石被覆(DLC)铣刀由于使用了极为耐磨的材料而在PCB铣削方面优于普通碳化物工具，这一点例如公开于美国专利5,653,812，其中DLC层通过CVD技术获得。
一般而言，微型工具，特别是微钻头、立铣刀等对于微电子和微技术已经变得越来越重要。用于微型机器的微型工具，或者一般而言，用于微型机械零件的微型工具需要具有低粗糙度的高质被覆层。此外，沉积过程中的低温通常都很重要。与大型工具相比，由于微型工具具有超小的尺度，因而对于微型工具被覆层性能和生产微型工具被覆层的方法存在很多新要求。具体而言，微型工具被覆层不仅应该坚硬和具有低摩擦，还应该光滑并且厚度得到良好控制。微型工具刃口的典型尺寸或者“尖(point)”的半径的曲率小于1微米。
存在的一个主要问题是沉积处理过程中微型工具的锐刃和“尖”的过热。沉积过程中高温和“偏压(bias)”通常有利于使被覆层对基体的良好粘合。然而过热却是微型工具的一个主要问题。在锐利的“尖”周围等离子体密度较高，“尖端”处集中的高流(离子)密度是导致过热的原因。刃口的过热例如会使其机械性能降低。
应该注意，据本申请人所知，目前市场上还没有经被覆的微型工具，特别是直径<0.2mm的微钻头。
发明内容
PCB铣刀和用于钻深孔的钻头的发展趋势使得获得更深(钻孔的总长度)的孔和具有良好质量的孔变得越来越困难。结果，基体的几何形状和被覆层必须要与其应用精确匹配。标准工具，例如粗糙被覆层所主要采用的绞扭器无法处理这些载荷并满足这些规范，往往无法将机器输出转化为切削性能。
因此，本发明的所要解决的问题之一是提供另外一种用于被覆基体的更好的方法，特别是提供具有类金刚石碳层的钻孔和切削装置，所述碳层能够使得其所被覆的工具的使用寿命更长且孔质量更佳。
上述问题已通过以基于碳的耐磨层被覆基体的方法得以解决，所述方法包括下述步骤：
i)提供包含对碳具有亲和性的材料的基体
ii)清理所述基体的表面
iii)通过主要含有金属离子的过滤离子源在所述表面上沉积金属界面层
iv)离子轰击经被覆的表面
v)在经钛被覆的表面上沉积碳DLC层。
本发明的方法可以于低温在基体上提供一种具有良好粘合性的DLC被覆层，所述被覆层非常坚硬(>40GPa，优选为45GPa～60GPa，特别是Hv＝5130)，具有自润滑性，相对较厚，并且在低温下沉积。此外，所述被覆层优选具有400GPa～700GPa的杨氏模量。
术语“对碳具有亲和性”是指材料能够与碳形成热力学稳定的化合物和/或相。
优选的是，在步骤i)之前先进行一个加热步骤，其中用至少20分钟将基体加热到200℃～300℃。
DLC层的出乎意料的效果和硬度以及耐用性也可以归因于提供了钛界面层，该层提高了DLC在较低温度(低于200℃，更优选为低于120℃，最优选为低于70℃)对表面的粘合性。本发明的方法中所使用的离子注入技术使碳层和钛层部分重叠，这为基体表面上的这两层被覆层提供了额外的强度和更好的粘合性。
通过在步骤iii)之前以例如Ar离子进行额外的离子轰击，可以使基体边缘，例如刃口及钻头等变锋利。
步骤iv)和v)可以重复进行数次，由此在表面上获得较厚的(即，厚于1微米(mkm))的DLC层。
在沉积完金属层后进行可选的冷却步骤，在该步骤中将被覆有金属，例如钛层的基体冷却至低于100℃，优选为低于70℃。该冷却使DLC在金属表面上的粘合性更佳。所述金属可以是Ti、W、Cr及其混合物(如合金)中的一种或多种。为便于描述，下文中使用的是钛，但它也代表相应的上述其它金属和混合物。
为获得良好的粘合性，金属的沉积优选在高于200℃的温度进行。金属“界面”层在0V～100V的“偏压”(施加在基体上的电压)下沉积在基体上。然而，为有效粘合沉积的碳，需要使温度低于70℃。通过串联布置，可将冷却基体所需的时间缩短至小于10分钟。在本发明的上下文中串联布置是指各个处理步骤都在位于不同位置的特定区域/位置，例如反应室中进行，这些区域/位置沿一条线相继布置。
以稀有气体特别是Ar对经被覆的表面进行的离子轰击可以除掉可能影响碳层对钛层的粘合性的杂质，所述轰击可以进行数次，特别是在要进行多次碳沉积的情况下。
此外，在适宜的条件(即，偏压、电流、离子和基体类型)下，离子轰击会提高工具刃口的锐度，这与在步骤iii)之前所要进行的前述附加操作的说明相似。
优选的是，所述基体为含有金属的基体，其中基体的金属选自由铁、铬、钒、钨、钼、镍、铌、钽、它们的合金、碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、钛化物中的一种或多种组成的组。因此，任何已知的工具，例如切削工具、钻头等都可以被用作需要硬化和锋利化其表面或刃口的基体。优选的钻头是直径小于0.3mm的微钻头。特别优选的基体用材料是含有4％～12％的Co的WC-Co。
已经知道，使用DLC被覆层可以改善基体的表面硬度、摩擦系数和抗粘连性。这些特征被认为DLC的主要性质，以改善微型机电系统(MEMS)中的机械加工工具或其它功能部件的性能。然而，总体而言，直径小于0.2mm的圆柱形基体或者具有相应厚度的基体这些小尺寸微型工具(特别是在其由多晶材料制成的情况下)非常容易毁坏。此类基体的主要问题与沿着裂纹的发展而发生的破裂相关。裂纹通常始于表面微(纳米)裂缝处，并通过体材料(bulk material)的晶界而扩展。
因此，本发明的方法的优点之一是通过所施加的被覆层“修复(healing)”表面微(纳米)裂纹，由此防止裂纹扩展。
本发明的离子束处理和多层被覆技术增加了基体的出乎意料的弹性区域，并且显著改善了(微)基体的耐破裂性和韧性。此外，已经惊讶地观察到，基体的直径或厚度变得越小，本发明的被覆层对于基体的任何体材料的弹性性能的作用越明显，当基体的直径或厚度与基体材料的粒度(例如晶体或无定形晶粒的粒度)相当时(比如像微型工具)，所述作用将达到极限。因此，在本发明的方法中，本发明的有利之处不在于产生技术上尽可能硬的DLC被覆层，而在于提供使表面上的微(纳米)裂纹“闭合”的被覆层结构。
在本发明的另外一些实施方式中，基体是硅或陶瓷基体，由此提供某些特定的基体和工具。在此情况下，基体优选包含铁、铬、钒、钨、钼、镍、铌和钽中的一种或多种的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物和钽酸盐(tantanide)。
优选通过离子束溅射进行清理步骤，优选在真空中进行。应该知道，也可以采用等效方法。
在碳沉积之前沉积金属通过主要含有金属离子(优选为W、Cr、Ti离子)的过滤离子束来进行。所述沉积优选在小于150V，更优选为小于80V的低偏压下通过过滤电弧进行。
金属沉积后，利用稀有气体离子，优选为氩离子进行离子轰击。对金属进行离子轰击期间，基体的温度优选保持为低于200℃，更优选为低于150℃，例如，这可以通过使用低于250V的低能离子枪来实现。优选的低能离子枪的其它参数为：阳极电流为3A～10A，最优选为大约5A，阴极电流为0A～30A，气体压力为10-2托～10-4托。阴极优选使用钨丝制成，其基于霍尔加速器原理。
碳的最终沉积通过主要含有碳离子的脉冲式过滤电弧离子束进行。频率优选为1Hz～15Hz。在本发明的一个实施方式中，离子束不包含如现有技术的其它技术中所包含的C-H化合物。因此，与现有技术不同，没有形成平滑的C-H化合物和注入产物。优选在低于100℃，更优选在低于70℃的温度进行被覆。此外，以70eV～140eV进行沉积。用于碳沉积的阴极优选为高密度、低粒度、高压制成的阴极。
电弧放电的脉冲模式对于通过计算放电次数来控制膜厚是非常方便的。
碳注入区域的厚度为5纳米～50纳米，所述厚度优选具有碳原子浓度为0～100％的恒定的梯度。应该理解，与金属，例如钛注入和钛层相比，碳注入可以达到基体的更深处，因此两个注入区域会有一定程度的重叠。
基体表面上的整个DLC层的厚度为1纳米至大于1000纳米(即1500纳米)，因此能够适用于各种不同的应用。更优选的厚度为400纳米～700纳米。类金刚石碳层优选具有无定形碳基质或具有金刚石纳米团簇的无定形基质。术语“纳米团簇”应根据下述文献中给出的描述理解：“Ramanspectroscopy of amorphous，nanostructured，diamond-like carbon，andnanodiamond”，A.C.Ferrari和J.Robertson，＂Phil.Trans.R.Soc.Lond.A(2004)362，2477-2512。
本发明所要解决的问题也通过下述基体得到了解决，在所述基体表面上具有金属层，特别是钛层、铬层或钨层，和位于所述金属层上的类金刚石碳层，其中所述碳层和金属层部分重叠，并且所述碳层具有碳原子浓度为0～100％的梯度。
金属层的沉积厚度优选为50纳米～250纳米。
类金刚石碳层的厚度为20纳米～1500纳米。更优选的厚度为400纳米～700纳米。
在优选实施方式中，基体为钻头、铣刀和刀片等。
过滤电弧金属沉积和过滤脉冲式电弧碳沉积都优选通过低能离子，例如由上述优选的低能离子枪产生的低能离子辅助进行。沉积优选在低于70℃进行，这可以通过将所述沉积技术与低能离子枪结合而实现。
粗糙度(Ra)优选低于30纳米。
为了抵抗和抑制裂纹沿垂直于基体表面的方向扩展，被覆层的基本结构是无定形的。可以根据所计划的具体应用，对DLC被覆层进行优化设计，包括对微结构、膜厚、硬度等的优化设计。
令人惊讶的是，如下所述，当单一的被覆层中包括几个各自具有不同的sp3/sp2碳比例的碳层时，本发明的方法会使所述被覆层中的不同碳膜性质的组合得到进一步组合。这些每一层都具有不同的sp3/sp2碳比例的“多层结构”可以更加有效地防止裂纹扩展。
最终的微结构取决于被覆方法和基体的表面性质，而后者又取决于是平坦的表面还是具有锐边的“尖”表面。在此情况下，甚至可能存在具有不同硬度、不同比例等的经被覆基体的表面区域，因为这些区域中sp3/sp2碳的局部比例不同。
本发明所要解决的问题通过用于以类金刚石层被覆基体的设备得到进一步解决，所述设备包含多个装置，包括：
i)金属过滤电弧离子源；
ii)碳离子过滤电弧源，优选带有电点火或激光点火；
iii)离子枪，优选低能离子枪；
iv)红外加热装置；
v)冷却室。
这些单独的装置优选串联布置，各自位于一个独立的反应室中。上述的几种离子轰击用参数也适用于所述设备。
这些各自位于单个室中的装置的串联布置特别能够显著降低冷却被覆有金属的基体所需的时间。
例如，对于在现有类似技术中所采用的单室设备，冷却被覆有金属/钛的基体所需的时间大约为1小时～2小时，其中被覆必须在高于200℃的温度进行。而在本发明的串联系统中，各个装置都被布置在彼此独立的单独的室中，这些室通过用于将待被覆的基体从一个室运输到下一个室的移动装置相连，由此使得冷却被覆有钛的基体所需的时间为约10分钟。
因此，实施本发明的方法可以节约很多时间。
此外，串联布置允许同时使用多个基体，这根据所用的样品支架，可以同时使用数百个乃至数千个较小的基体，这可以显著提高本发明的方法的生产率。
本发明的设备允许同时使用多个样品支架，样品支架优选为盒式的，诸如钻头、刃口等基体在其中得到被覆。在本发明的设备的各个室中，样品支架在本发明的方法的特定步骤得到实际处理。
相对于其中必须进行各个处理步骤的现有技术的单一反应室，这一优点使该方法的生产率提高了500％(计算值)。
当阴极由相应金属或其合金制成时，为获得均匀的粘合层，金属源，特别是Ti，为过滤电弧离子源。此外，金属源采用直流电金属沉积。
为了在基体上产生类金刚石碳被覆层，碳源为脉冲式过滤或非过滤电弧源，或者溅射石墨靶的激光烧蚀源。
优选的是，本发明的DLC被覆层的硬度H满足H＝45GPa～60GPa(Hv＝5130)，弹性模量为400GPa～700GPa。
碳沉积发生在80eV并且具有浮动电位。无定形碳膜在T<70℃、可变电弧脉冲频率为1Hz～15Hz时沉积。生长期间避免对硬DLC膜施加高压缩应力非常重要。通过改变沉积过程中的脉冲频率来控制应力水平。大于5Hz的较长的脉冲会产生较多的sp2“平滑”的类石墨碳相，小于1Hz～5Hz的较低的频率会产生较多的“硬”sp3类金刚石碳相。因此，获得了含有不同“碳层”的被覆层，所述“碳层”具有不同的sp2/sp3碳比例。也可以通过改变本发明的设备的过滤水平而松弛应力。
为了提高沉积速率，可以在10-3托～10-5托的压力向真空室中引入含烃(C2H2、CH4、C6H6)气体，优选纯乙炔。在碳脉冲式电弧等离子体流中，所述烃分子发生离解和离子化。该过程中所释放的少量的氢对于DLC膜表面上和sp3和sp2团簇界面上的悬挂键的结合是非常有利的。高至98％的等离子体羽流的高离子化速率和极浓的碳粒子流使得基体上的核生长速率很高。基体上的等离子体流的准中性使得能够使用介电基体，并使得在具有复杂3D表面几何形状的基体上沉积其特征为厚度均匀的DLC膜成为可能。实际上，通过在低压乙炔气存在下的脉冲式电弧，可以使DLC膜的沉积速率提高3倍以上，并保持基本相同的DLC性能。
脉冲频率变化、大粒子过滤水平和沉积室中的烃引入可以在DLC沉积过程中周期性进行，以制得准层状DLC结构并引发应力松弛。
前述碳沉积过程中的碳电弧脉冲频率的变化、大粒子过滤水平、沉积室中适宜的烃引入对于整个被覆层中的碳sp3/sp2比例和层密度等具有影响。
因此，通过本发明的方法，可以获得构成具有可变性质的DLC被覆层的碳膜或层的准多层结构。
结果是形成基本无定形的碳结构，相较于单一的均匀的DLC层，所述碳结构在防止裂纹沿垂直于基体表面方向上的扩展方面更为有效。
DCL被覆层的成核、生长和精细结构取决于基体表面，特别是平坦或尖锐的表面位置，以及碳离子流相对于基体的入射角。
离子枪为低能的，优选为低于300V的考夫曼型离子枪。其它参数如上述相关发明方法中所述。
优选地，碳沉积过程中的偏压按正弦谐波改变。
待被覆的基体优选为含有金属的基体。再次注意，基体的优选特征与上述方法中相关的优选特征相同或相似。
优选根据几何形状将基体布置为相对于来自离子源的离子流成<90°角，最优选与其平行(即，0°)，此做法尤其适用于要在刃口上进行被覆的钻头等圆柱形细长基体。
这些圆柱形基体优选为例如待被覆的钻头等，并且旋转轴优选平行于引入的离子流，以便切削工具只有边缘得到被覆，这样会带来一个前所未有的优点，即可以降低为了获得高效的钻孔和切削工具而需使用的DLC的量。应该知道，在本发明的方法中也可以使用不必是圆柱形基体形状的其他基体，例如刀片(blade)、叉子和刀(knife)等。
基体的金属选自一种或多种下述材料：钢、铁、钒、钨、钴、铬、镍、铌、钽或者它们的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、钽酸盐和钛化物。
本发明的设备的一个关键特征在于，如果通过结合离子注入、离子混合和负偏压的表面对诸如钻头等圆柱形或圆锥形基体进行被覆，则在此系统中可以提供适于PCB铣削应用的非常坚硬的DLC层。
金属源优选具有其独有的独立的线圈系统，以便能够产生轴向磁场。通常而言，金属源优选使用环形线圈。
下面将针对钻头的被覆对本发明的方法进行更加详细的示例性描述，但本发明不限于此。
在一个具体实施方式中，多个钻头基体的夹具包括待被覆的钻头部分、绝缘垫板和接地的护罩。盒式夹具或任何其它适当的支架包括多个，通常是数百个的待被覆的单独的钻头。将所述支架布置成双旋转样品支架形式(行星系统)。将已负载的夹具放置在等离子体沉积真空室中，并抽出所述室中的空气。向真空室中加入气体，点燃离子束枪，使钻头表面被溅蚀，以除去残存的污染物和表面氧化物，并活化表面，进而在适宜条件下使刃口变更锋利。然后，通过电弧等离子体沉积来沉积含钛材料层，优选为纯钛。此含钛材料层可以用作粘合层以在后沉积诸如DLC这样的碳。将样品(即钻头)沿其长度方向固定，使其平行于来自电弧源的离子流方向，其中刃口直接暴露于离子流。这一布局能够有利提高机器对钻刃的沉积效率，因为可以将较多的钻头加载到机器的一个加载设备中。这一布局是优选的，因为微钻头具有圆锥形状，其中起作用的刃口是要被覆的最重要的部分。
具体而言，本发明具有以下优点：
-利用本发明的方法在基体上获得的包括粘合金属和无定形碳(DLC)的多层结构的被覆层例如对于WC-Co材料(粘合)具有优异的表面整合性。被覆层覆盖例如WC-Co表面上的基体材料的晶体之间的所有微裂纹，这是破裂可能发生之处。因此，通过本发明的方法获得的DLC起到表面“胶水”的作用，
-本发明的DLC被覆层具有极其有效的碎片排出能力(切削材料的碎屑可以十分迅速地排出，这是因为DLC具有非常低的摩擦系数)。刃尖处的温度将随着碎屑被带走一部分。这对于为了在以高于150krpm的高速度在PCB(印刷电路板)上钻孔的过程中获得具有优异的表面质量的孔而进行的深孔PCB钻孔非常重要，
-被覆层具有低摩擦系数，这使钻孔过程中碎片排出的效率非常高，
-被覆层提高了所被覆的基体的整体韧性。对WC-Co基体(参见前文)进行的弯曲试验显示，0.105mm和0.05mm的经被覆的钻头的临界载荷提高了10％～20％，
-由于微型工具尺度很小，微型工具的被覆层不仅改善了表面，还改善了整个系统(经被覆的基体)的整体性能，并且
-被覆层使例如WC-Co微钻头等微型工具的临界弯曲载荷提高了17％～23％(无被覆层的0.1mm的WC-Co钻头的弯曲破裂的临界载荷为490mN，有被覆层的则为550mN，破裂均发生在相同的弯曲距离处，即180微米处)，
-相对于未经被覆的钻头，被覆层在维持了孔的高质量的同时使机械加工用微型工具的使用寿命延长了5～10倍。
注意下点非常重要，即，存在与基体性能相关的最佳被覆层规格，即，与被覆层微结构相关的最佳厚度、硬度和弹性与工具直径、工具粒度等相关。通常，较厚的被覆层对于块体基体的弹性具有更加显著的影响。然而，切削微型工具的被覆层厚度也存在上限，达到上限时被覆层厚度增加时刃口的锐度会劣化。
附图说明
下面将参照附图进一步详细描述本发明。应该理解，附图说明绝不意味着对于本发明范围做出限制。
图1显示的是具有不同室的本发明的设备的示意图。
图2显示的是要使用电弧离子源在室中进行被覆的钻头的详细的侧视图。
图3a显示的是现有技术的设备的详细的截面图。
图3b显示的是现有技术的设备的主视图。
图3c显示的是现有技术的设备的侧视图。
图4显示的是本发明的设备的另一个优选实施方式。
图5显示的是对于经被覆和未经被覆的微钻头的弯曲(挠性)测试的耐破裂性的比较。
具体实施方式
图1显示的是具有多个反应室101、102、103、104、105、106和107的本发明的设备(100)。
基体108或者多个基体108(例如钻头)被放置在室101的样品支架上。样品支架以位于可从室101移动至室107的某一位置的方式进行布置，钻头则以垂直于移动方向的方式固定在样品支架上。室101被称作“加料室”。
由此，在室101中将图1中未示出钻头加载到样品支架108。
加载有多个样品(彼此相同或不同)之后，如箭头所示，样品支架108移向离子表面抛光室102，进行溅射清理，从而通过氩离子在250℃的温度进一步加热。
离子表面抛光、溅射清理和加热后，样品支架108移向第一金属沉积室103。
在金属沉积室103中，进行来自图中未示出的过滤电弧源的金属层例如钛(粘合层)的沉积和由离子枪进行的离子束混合。
电弧离子源由示意性代表离子束的箭头代表。
沉积可以发生在基体两侧。被覆有第一金属层后，样品支架108移向冷却室104，在冷却室104中样品支架108和要被覆的钻头或者基体被冷却到100℃左右。
穿过冷却室104后，样品支架进一步移向室105，在室105中发生碳沉积/离子束混合。同样，箭头示意性代表了碳离子束。
在被覆有碳后，样品支架108进一步移向室106和107，在室106和107中样品可以得到回收。
如前所述，本发明的设备的主要优点之一在于，在本发明的方法中，在每一室中都存在一个装有多个待被覆的基体的盒。例如根据图1的具体实施方式，这使得可以同时并行处理七个基体支架，即，可以连续被覆数百个不同或相同的基体边缘。
图2显示的是样品204的详细的截面图，样品204是例如由WC-Co合金制成的钻头，它被放置在电弧离子源201前面。
来自沉积源的离子束如箭头202所示。离子束202中的离子专门到达部位203，即，待被覆的钻头的前部，并将在钻头的前部提供比钻头的其它非垂直布置的部分更厚的被覆层。
图3a～图3c显示的是作为单室设备的现有技术的设备300的详细的截面图。
为了实现本发明的方法并提供类似结果，可以使用分批系统设备，然而，如前所述，与本发明的串联系统相比生产率降低。
如前所述，设备300包括具有脉冲式碳等离子体系统302和金属等离子体系统303的真空室301。金属电弧源304和聚焦螺线管也位于室301中。其它螺线管306、307、308和309用于稳定系统。低能离子枪310和挡板311、330和真空泵系统301各位于真空室301的一侧。布置另外的系统313和314，利用它们捕获可能由本发明的方法产生的大粒子。真空门315和316提供了进入室301的途径。另一个聚焦螺线管也布置在一个真空室316附近。带有用于脉冲式碳源的附加阳极319的碳等离子体电弧源318与用于源318的磁过滤系统320一起提供了用于基体的碳被覆层的装置。321是用于捕获微粒子的系统。红外加热器323与低能离子枪310相对设置。样品支架324具有所谓的双旋转行星系统。用于等离子体偏移的另外的螺线管326和327也与真空计328和329一起提供。旋转通过装置331控制。涡轮泵332、另一个泵333和支座334是设备300的其它零部件。
实施例1
根据本发明的方法，对包含碳化钨基合金(所述碳化钨基合金中包含大约5％的钴)的钻头(直径0.1mm)被覆钛/DLC层(Ti：0.1μm，DLC：0.6μm)。
被覆后，从设备中取出钻头并对其进行钻孔测试。
钻孔测试通过使用直径为0.1mm的钻头分别以300.000转/分钟、220.000转/分钟和160.000转/分钟的旋转速率在标准PCB中钻孔而进行。
与未经被覆的钻头进行比较
0.1mm钻头的钻孔长度平均增加了8倍。
孔的质量通过遵照网址http://www.uniontool.co.jp/English/tech_02.html给出的标准利用电子显微镜法确定。
在另一些优选实施方式中，被覆层的厚度和钻头的直径得到优化。这被确定为直径与杨氏模量(弹性模量)(即，为破坏钻头而施加的力)之间的关系。对于直径为0.1mm的钻头，为在45GPa～60GPa的硬度获得400GPa～600GPa的弹性模量，适宜的DLC层厚度为0.5mm～0.8mm。
图5显示的是经被覆的(图5b)和未经被覆的(图5a)钻头之间的弯曲测试的结果。钻头(核心)的直径为105μm。Ti层厚度为0.2μm，DLC层厚度为0.6μm。横坐标显示施加的力，单位为mN，纵坐标显示位移(与常规状态相比的弯曲)，单位为μm。
结果表明，使经被覆的钻头破裂所需的临界载荷比使未经被覆的钻头破裂所需的临界载荷高大约15％～20％。经被覆的钻头直至破裂时施加的力的值为551mN(图5b)，未经被覆的钻头的则为481mN(图5a)。
测试参数
为进行测试，利用视频显微镜，将具有球形端的压头放置在钻头的端部。施加逐渐增加的力“负载”(大约20mN/秒)，直至钻头断裂。将在此期间施加的力和压头的垂直位移记录为时间的函数。如图5所示，开始时负载值很低，施加的力和对应于基体形变的弹性区域的位移之间存在线性关系。其斜率和长度取决于基体的弹性性能。接下来，在增加负载后，观察对应于基体材料加工硬化的非线性范围。在达到对应于塑性形变的某一值后发生破裂。测试氛围：空气；温度：24℃；湿度：30％。注意下点很重要，即，测试条件，特别是钻头相对于施加的力的轴的轴向固定(槽位置)对于测试的所有钻头都应该相同。
此外，基于此种类型的弯曲测试，可以提供一种用于经被覆的钻头的质量控制的新方法。理论上，施加负载并只观察弯曲时的弹性部分即已足够。但实际上，经被覆的和未经被覆的钻头之间，在施加的力相对于弯曲的图中的斜率存在差异。该斜率值是被覆效果的良好指标。
图4中示意性显示了本发明的另一个优选实施方式。显示的基体被覆用设备400具有以罗马数字标记的三个主要部分，它们分别指以下部分。I：过滤电弧金属离子源，II：脉冲式过滤电弧(激光点火)碳沉积，III：低能离子枪。下面利用上述罗马数字说明这些部分。
过滤金属离子源(I)包括金属护罩402，金属等离子体电弧源403、404，电磁感应圈系统401、405、408、412和大粒子捕捉器406、407。金属等离子体源403、404具有其独有的线圈系统，以便产生轴向磁场。存在三个独立的线圈系统，磁场产生自线圈401、405、408、412和金属等离子体源403、404的重叠。这使得过滤系统性能不仅可以通过线圈401、405、408、412中的电流变化而得到微调，还可以通过改变线圈401、405、408、412的间距位置而得到微调。改变线圈401、405、408、412位置的方式是本发明的一般优选特征。线圈401、405系统与线圈408、412一起形成了类似于亥姆霍兹线圈系统的系统。线圈408、412使得可以控制由金属护罩402限制的真空室内的等离子体流，由此可以获得接近室中心处的等离子体浓度，或者可以在室内实现广泛、均匀的等离子体分布。等离子体控制使得可以在复杂的3D零部件上进行优质的离子沉积。此外，室内的磁场可以防止已用的等离子体量中的离子复合，因而可以获得质量更好的沉积膜。大粒子捕捉器406、407与室隔离，为控制等离子体流提供了更大的可能性。线圈401、405、408、412为可以提供更好电场的环形。因此，环形形状的线圈是本发明的一般优选特征。为了更好地控制等离子体流，优选提供大量附加线圈。线圈系统只需通过使用双旋转甚或单旋转的样品支架，便可显著增加一次加载中待被覆的对象的数量。
可以显著提高产量的另一重要细节在于，诸如钻头等待被覆的对象不仅可以竖直或垂直于等离子体流而放置在室中，还可以平行于等离子体流或与其成各种角度而放置在室中，同时保持良好的被覆层质量。
根据磁场的90°偏移利用金属大粒子过滤的经典原理。在沉积室的一个出口处可以存在一个或两个甚或三个90°的源结合。示意图中显示了两个源。这可以用于使沉积室中的金属离子流浓度加倍，或者用于在诸如氮、乙烯、乙炔、甲烷、Ar或Xe等反应性或非反应性气体的存在下沉积诸如Ti、Al、Cr、W等不同金属的组合。
用于大范围沉积的脉冲式电弧碳源(II)：
大范围沉积DLC膜的脉冲式电弧等离子体技术已经被开发，可以以两种可选方式于低温在真空中沉积DLC膜。通常，在真空中形成脉冲式碳等离子体是等离子体源的水冷石墨阴极和阳极之间的短时间电弧放电的结果。等离子体源基于电弧放电发生时由阴极斑点喷射的材料的蒸发和离子化发挥作用。主电容器组箱(bank magazine)的电容大约为2500μF；初始电压为200V～400V。等离子体源向基体方向加速等离子体。在真空中形成脉冲式等离子体是等离子体源的水冷石墨阴极和环状阳极之间的短时间电弧放电的结果。为了在真空中点燃电弧放电，需要产生前体浓度等离子体。为此目的，等离子体源装有专门的点火系统。存在两种选择(IIa和IIb)：
具有偏移和电点火的脉冲式电弧碳源(IIa)：
这一技术的主要构成部分是霍尔型脉冲式等离子体源，作为电侵蚀石墨阴极的结果，它用于产生指向基体的碳等离子体流。通过位于阴极周围并与其接触的碳环形阳极内部的绝缘体旋转提供点火。此处，使用的是具有直径大约为35mm的圆形阴极的“点”碳源。主要放电电压为200V～400V，点火放电电压大约为600V。放电脉冲重复频率为1Hz～10Hz。将偏移系统布置在脉冲式电弧源上，以覆盖较大的沉积范围，即至多150mm高。此外，为了覆盖更大的沉积范围，即300mm或略大于300mm的沉积范围，竖直布置了两个上下源。两个源并行工作，频率为3Hz～10Hz。
激光点火系统(IIb)：
通常使用的是由Scheibe提出和开发的碳沉积用激光电弧系统(参考美国专利6,231,956)。此处所用的系统具有了一些显著的区别。具体而言，所述系统在阴极416和阳极415之间提供300V～320V的电压，并且与提供2000μF电容的电池相连。激光束通过窗口417指向阴极表面416。由于烧蚀，阴极416和阳极415之间的空间的电导率升高，并且放电电流非常迅速地增大。从石墨阴极的“阴极斑点”发生强烈的碳离子蒸发，并且迅速加强。碳流高度离子化。放电时间大约为10微秒。该时间由与放电“链”相连的元件的电容和电阻确定。脉冲结束后，激光斑点竖直移动大约1mm。石墨阴极具有圆柱形状并且围绕其轴旋转。
可调整的碳大粒子过滤器(III)：
过滤器不是常规的90°弯曲过滤器(或者90°弯曲两次的过滤器)。事实上，鉴于实际情况，不必消除所有的碳大粒子，因为它们对于改善DLC被覆层性能是有用的。但是，控制它们非常重要。首要的新解决方案是过滤器使碳等离子体翻转大约45°，并提供竖直的导电铜线414，其与室的地线13隔离，并与外部相连，以提供矩形螺旋单元的线圈。通过该线圈的电流与主放电电流相同。阴极和阳极不与室的地线电连接。阴极直接与主电容相连，阳极则通过过滤器的螺线管相连。也存在大粒子捕捉器418、419，它们与壁的地线隔离。为了阻止不同比例的大粒子，捕捉器419的一个部分是可移动的，并且可以固定在不同位置。因此，其次，过滤器使得可以控制大粒子过滤水平。因而可以将其称为“可调整的碳大粒子过滤器”。该设计使得能够在非过滤和可调整的过滤这两种模式下工作。这提供了可折衷解决工业应用问题的非常高效的分离器。
低能离子枪(IV)：
对于表面的离子轰击仅施加较低的能量是很重要的，这样可以避免基体表面过热。低能并不影响离子轰击的效率。低能离子枪以霍尔加速器原理为基础(能量：50eV～200eV，阳极电流：5A，阴极电流：0A～30A，气体压力：10-1托～10-5托)。阴极由钨丝制成。通过圆锥形开口，低能离子枪张开得很大(参考图4)。这使得该枪产生的离子流可以覆盖沉积室中所有可用的等离子体量(参见图4)。这意味着在离子枪工作时所有基体都处于离子轰击之下。这提高了离子束处理的效率。低能离子枪用于表面清理、抛光、离子束混合和离子束辅助沉积。

Claims (34)

1.一种以类金刚石层被覆基体的设备，所述设备包括多个装置，即：
i)金属过滤电弧离子源
ii)碳离子脉冲式过滤电弧源，或者激光烧蚀碳源
iii)低能离子枪
iv)红外加热装置
v)冷却装置
其中，每个单独的装置都被布置在一个单独的真空室中，或者被逐一串联布置在独立的真空室中。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述金属源为脉冲式或非脉冲式过滤电弧离子源。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述碳源为脉冲式过滤或非过滤电弧离子源。
4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述碳源为具有可调整的大粒子过滤水平的脉冲式电弧源，使得能够提供过滤、部分过滤或者非过滤的碳离子流。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，在沉积工序中所述碳离子流的过滤水平是可调整的。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述碳源包含圆柱形石墨阴极，所述阴极围绕其轴旋转，并且阴极斑点相对于周边垂直移动。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述碳源是频率范围为1Hz～15Hz、优选为1Hz～5Hz的电点火脉冲式电弧碳源。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述碳源包括至少两个垂直堆积布置的电点火的脉冲式电弧源，以使沉积范围具有最大的高度。
9.如前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备进一步包括双旋转样品支架或者单旋转样品支架。
10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述基体被布置成与来自所述离子源的所述离子流平行，或者所述基体被布置成使得所述基体的纵轴相对于所述离子流所成的角<90°。
11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述基体选自铁、钒、钨、铬、镍、铌、钽、硅或者它们的合金、氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、钛化物和金属、钢、陶瓷和塑料中的一种或多种。
12.一种以基于碳的耐磨层被覆基体的方法，所述方法包括下述步骤：
i)提供包含对碳具有亲和性的材料的基体
ii)离子轰击所述基体的表面
iii)通过主要含有钛离子的过滤离子束在所述表面上沉积金属层
iv)离子轰击经被覆的所述表面
v)在所述表面上沉积碳层。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤iv)之前将所述基体冷却到<100℃。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述基体为金属基体或非金属基体。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述金属基体的金属选自由铁、铬、钒、钨、钼、镍、铌、钽或它们的合金中的一种或多种组成的组。
16.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述基体为陶瓷基体。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述基体包含铁、铬、钒、钨、钼、镍、铌、钽中的一种或多种的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物和钽酸盐。
18.如权利要求12～17中任一项所述的方法，其特征在于，所述离子轰击通过稀有气体离子进行。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述稀有气体为氩或氙。
20.如权利要求12～19中任一项所述的方法，其特征在于，在碳的沉积之前另外进行一次稀有气体离子轰击。
21.如权利要求12～20中任一项所述的方法，其特征在于，碳的沉积通过主要包含碳原子的脉冲式过滤或非过滤离子束进行。
22.如权利要求12～21中所述的方法，其特征在于，碳的沉积通过1Hz～15Hz的恒定频率或者可变频率的脉冲进行。
23.如权利要求12～22中任一项所述的方法，其特征在于，碳注入区域的厚度为5纳米～50纳米。
24.如权利要求12～22中任一项所述的方法，其特征在于，所述基体表面上的所述类金刚石碳层的厚度为20纳米～1500纳米。
25.如权利要求12～23中任一项所述的方法，其特征在于，在低压下向真空沉积室中另外引入含烃气体。
26.如权利要求12～25中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法中，所述脉冲电弧的频率和/或所述大粒子过滤水平是变化的，从而控制沉积期间碳膜的应力松弛。
27.一种基体，所述基体的表面上具有钛层和位于所述钛层上的类金刚石碳层，其中所述碳层和所述钛层部分重叠，并且所述碳层具有碳原子浓度从0到100％的梯度。
28.如权利要求27所述的基体，其特征在于，所述钛层的厚度为50纳米～250纳米。
29.如权利要求27或28所述的基体，其特征在于，所述类金刚石碳层的厚度为20纳米～1500纳米。
30.如权利要求29所述的基体，其特征在于，所述类金刚石碳层具有无定形碳基质。
31.如权利要求30所述的基体，其特征在于，所述类金刚石碳被覆层具有多层结构，其中每个单独的层均具有不同的或交替变化的sp2/sp3碳的比率。
32.如权利要求31所述的基体，其特征在于，在同一基体的不同位置处，在同一基体中所述类金刚石碳具有不同的微观结构，包括无定形结构；无定形结构和纳米金刚石；和纳米石墨团簇。
33.如权利要求27～32中任一项所述的基体，其特征在于，所述基体为钻头或手表零件，或者用于木材或木材衍生物的切削工具，或者用于机械加工Al、Cu和其它有色金属材料和塑料的切削工具，或者微型机电系统的零件。
34.如权利要求25～29中任一项所述的基体，其特征在于，所述基体为由含有4％～12％的Co的WC-Co制成的和/或直径小于0.3mm的微钻头。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101787518A (zh) * 2010-03-24 2010-07-28 中国地质大学（北京） 掺杂类金刚石涂层的多离子束溅射沉积技术
CN102230156A (zh) * 2011-06-21 2011-11-02 深圳市金洲精工科技股份有限公司 微型刀具上制备复合硬质涂层的方法及微型刀具
CN102337538A (zh) * 2010-07-20 2012-02-01 罗伯特·博世有限公司 具有渐次的硬度分布的磨损保护系统
CN103459652A (zh) * 2010-11-11 2013-12-18 Nci瑞士纳米涂层公司 用于表面处理的设备和方法
CN104271929A (zh) * 2012-05-03 2015-01-07 H.E.F.公司 内燃机护套
CN104985237A (zh) * 2015-06-29 2015-10-21 唐萍 高强度钻头
CN106676493A (zh) * 2016-11-14 2017-05-17 丁库克 一种圆珠笔笔托的表面改性方法
CN106756858A (zh) * 2016-11-14 2017-05-31 北京师范大学 一种圆珠笔笔珠的表面改性方法
CN107709605A (zh) * 2015-06-24 2018-02-16 佳能安内华股份有限公司 真空电弧成膜装置及成膜方法
CN108342701A (zh) * 2017-01-25 2018-07-31 谢尔盖·米克海洛夫 用于表面处理的设备和方法
CN109811303A (zh) * 2019-01-23 2019-05-28 上海大学 基于类金刚石薄膜中间层的纳米金刚石薄膜制备方法
CN112718430A (zh) * 2020-12-22 2021-04-30 哈尔滨工程大学 船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法
CN113355644A (zh) * 2020-03-05 2021-09-07 四川大学 一种浸没注入原位表面梯度重构耐磨类金刚石涂层改性工艺方法

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8039096B2 (en) * 2008-06-30 2011-10-18 Eaton Corporation Friction- and wear-reducing coating
US8550792B2 (en) 2008-06-30 2013-10-08 Eaton Corporation Energy conversion device and method of reducing friction therein
US8449995B2 (en) * 2009-03-31 2013-05-28 Seagate Technology Llc Corrosion resistant coating for copper substrate
JP5780704B2 (ja) * 2010-01-19 2015-09-16 株式会社リケン 水素含有非晶質硬質炭素被覆部材
US9205531B2 (en) 2011-09-16 2015-12-08 Baker Hughes Incorporated Methods of fabricating polycrystalline diamond, and cutting elements and earth-boring tools comprising polycrystalline diamond
US10005672B2 (en) 2010-04-14 2018-06-26 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Method of forming particles comprising carbon and articles therefrom
JP5868017B2 (ja) * 2010-04-14 2016-02-24 キヤノン株式会社 光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型
SA111320374B1 (ar) 2010-04-14 2015-08-10 بيكر هوغيس انكوبوريتد طريقة تشكيل الماسة متعدد البلورات من الماس المستخرج بحجم النانو
SG187826A1 (en) 2010-08-13 2013-03-28 Baker Hughes Inc Cutting elements including nanoparticles in at least one portion thereof, earth-boring tools including such cutting elements, and related methods
US8658578B2 (en) 2010-12-29 2014-02-25 Industrial Technology Research Institute Lubricating oil composition and method for manufacturing the same
RU2459887C1 (ru) * 2011-07-21 2012-08-27 Учреждение Российской Академии Наук Институт Физики Прочности И Материаловедения Сибирского Отделения Ран (Ифпм Со Ран) Металлокерамический сплав на основе карбида титана и металлического связующего с модифицированной структурой поверхностного слоя
RU2482218C1 (ru) * 2011-09-07 2013-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали
RU2014114867A (ru) 2011-09-16 2015-10-27 Бейкер Хьюз Инкорпорейтед Способы изготовления поликристаллического алмаза, а также режущих элементов и буровых инструментов, содержащих поликристаллический алмаз
FR2983640B1 (fr) 2011-12-02 2014-06-20 Soc Fr Detecteurs Infrarouges Sofradir Matrice de detection compacte a conditions de polarisation ameliorees
RU2530432C2 (ru) * 2013-01-31 2014-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Информационные и промышленные технологии" Способ нанесения наноалмазного материала комбинированной электромеханической обработкой
US9140072B2 (en) 2013-02-28 2015-09-22 Baker Hughes Incorporated Cutting elements including non-planar interfaces, earth-boring tools including such cutting elements, and methods of forming cutting elements
EP2992121B1 (de) * 2013-04-30 2019-06-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur herstellung einer verschleiss-schutzschicht und mit dem verfahren hergestellte verschleiss-schutzschicht
RU2540227C2 (ru) * 2013-06-19 2015-02-10 Андрей Леонидович Калинин Способ формирования тонкопленочного защитного покрытия на базисах съемных зубных протезов, обтураторах и компонентах челюстно-лицевых протезов
CN104250722A (zh) * 2013-06-27 2014-12-31 深圳富泰宏精密工业有限公司 被覆件及其制造方法
JP5627148B1 (ja) * 2013-07-24 2014-11-19 株式会社リケン ピストンリング及びその製造方法
RU2582181C1 (ru) * 2015-02-11 2016-04-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Способ лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин
KR101734170B1 (ko) * 2015-05-11 2017-05-16 (주)제너코트 그라파이트 방열시트의 제조방법
US10662523B2 (en) * 2015-05-27 2020-05-26 John Crane Inc. Extreme durability composite diamond film
JP6612864B2 (ja) * 2015-05-28 2019-11-27 京セラ株式会社 切削工具
US10907264B2 (en) 2015-06-10 2021-02-02 Advanced Diamond Technologies, Inc. Extreme durability composite diamond electrodes
JP5997417B1 (ja) * 2015-06-24 2016-09-28 キヤノンアネルバ株式会社 真空アーク成膜装置および成膜方法
RU2617189C1 (ru) * 2016-03-28 2017-04-21 Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрических исполнительных механизмов и приводов "ПРИМЕХ" Способ нанесения износостойкого покрытия
MX2018013537A (es) * 2016-05-05 2019-01-31 Coca Cola Co Contenedores y procedimientos para una resistencia mecánica mejorada.
KR102451440B1 (ko) 2016-06-15 2022-10-05 이스트만 케미칼 컴파니 물리적 증착된 바이오센서 컴포넌트
JP7096816B2 (ja) 2016-09-16 2022-07-06 イーストマン ケミカル カンパニー 物理蒸着によって製造されるバイオセンサー電極
US11630075B2 (en) 2016-09-16 2023-04-18 Eastman Chemical Company Biosensor electrodes prepared by physical vapor deposition
CN106567036B (zh) * 2016-10-26 2018-10-23 东南大学 一种手术器械刃口表面的处理方法
US10662550B2 (en) 2016-11-03 2020-05-26 John Crane Inc. Diamond nanostructures with large surface area and method of producing the same
EP3642605A1 (en) 2017-06-22 2020-04-29 Eastman Chemical Company Physical vapor deposited electrode for electrochemical sensors
WO2019122958A1 (en) * 2017-12-19 2019-06-27 Arcelormittal A coated steel substrate
RU2737578C2 (ru) * 2019-05-20 2020-12-01 Анастасия Владимировна Демьянова Устройство для фиксации перелома кости и способ его изготовления
CN110275097B (zh) * 2019-06-25 2020-09-22 清华大学 纳米级间隙电火花放电测试系统及方法
EP3778982B1 (en) 2019-08-14 2023-07-05 IHI Hauzer Techno Coating B.V. Method of coating one or more metal components of a fuel cell stack, component of a fuel cell stack and apparatus for coating one or more components of a fuel cell stack
RU2761440C2 (ru) * 2019-12-27 2021-12-08 Иван Александрович Кудашов Способ нанесения покрытия на медицинское устройство, входящее в контакт с тканями тела
RU2760018C1 (ru) * 2020-11-03 2021-11-22 ООО "ТехноТерм-Саратов" Способ получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия
RU2757458C1 (ru) * 2021-01-26 2021-10-18 Акционерное Общество "Центр Прикладной Физики Мгту Им. Н.Э. Баумана" Способ управления холодной плазмой посредством микрорельефа на твёрдом диэлектрике
CN113857653B (zh) * 2021-12-03 2022-02-18 太原理工大学 一种超声辅助激光的表面改性装置
CN116676557A (zh) * 2023-06-08 2023-09-01 广东省广新离子束科技有限公司 一种具有自润滑性dlc涂层的钻头及其制备方法

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6455375A (en) * 1987-08-26 1989-03-02 Nissin Electric Co Ltd Device for projecting ion beam
US5435900A (en) 1992-11-04 1995-07-25 Gorokhovsky; Vladimir I. Apparatus for application of coatings in vacuum
FR2726689B1 (fr) * 1994-11-08 1996-11-29 Commissariat Energie Atomique Source d'electrons a effet de champ et procede de fabrication de cette source, application aux dispositifs de visualisation par cathodoluminescence
US5599144A (en) * 1995-06-23 1997-02-04 International Business Machines Corporation Low friction flute tungsten carbon microdrill
US5653812A (en) 1995-09-26 1997-08-05 Monsanto Company Method and apparatus for deposition of diamond-like carbon coatings on drills
DE19637450C1 (de) 1996-09-13 1998-01-15 Fraunhofer Ges Forschung Verschleißbeständiger, mechanisch hochbelastbarer und reibungsarmer Randschichtaufbau für Titan und dessen Legierungen sowie Verfahren zu seiner Herstellung
RU2173911C2 (ru) * 1997-04-04 2001-09-20 Додонов Александр Игоревич Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку
RU2114210C1 (ru) * 1997-05-30 1998-06-27 Валерий Павлович Гончаренко Способ формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме
JP2000256850A (ja) * 1999-03-04 2000-09-19 Riken Corp ダイヤモンドライクカーボン薄膜及びその製造方法
CA2327031C (en) 1999-11-29 2007-07-03 Vladimir Gorokhovsky Composite vapour deposited coatings and process therefor
JP4560964B2 (ja) * 2000-02-25 2010-10-13 住友電気工業株式会社 非晶質炭素被覆部材
CA2305938C (en) * 2000-04-10 2007-07-03 Vladimir I. Gorokhovsky Filtered cathodic arc deposition method and apparatus
DE10018143C5 (de) * 2000-04-12 2012-09-06 Oerlikon Trading Ag, Trübbach DLC-Schichtsystem sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Schichtsystems
JP4449187B2 (ja) * 2000-07-19 2010-04-14 住友電気工業株式会社 薄膜形成方法
EP1186683B1 (fr) 2000-09-04 2005-11-30 Cafi Centre d'Analyses par Faisceau Ionique Procédé de durcissement de la surface d'un substrat
US6756596B2 (en) * 2002-04-10 2004-06-29 Paul E. Sathrum Filtered ion source
JP4096606B2 (ja) * 2002-04-24 2008-06-04 日本板硝子株式会社 チタン化合物膜被覆物品の製造方法
JP4145629B2 (ja) * 2002-11-11 2008-09-03 住友電工ハードメタル株式会社 マイクロドリル
RU2238999C1 (ru) * 2003-02-19 2004-10-27 Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете" Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий
US7815735B2 (en) 2003-03-21 2010-10-19 Cemecon Ag Body having a smooth diamond layer, device and method therefor
RU2240376C1 (ru) * 2003-05-22 2004-11-20 Ооо "Альбатэк" Способ формирования сверхтвердого аморфного углеродного покрытия в вакууме
US7489493B2 (en) * 2003-12-01 2009-02-10 Magnecomp Corporation Method to form electrostatic discharge protection on flexible circuits using a diamond-like carbon material

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101787518A (zh) * 2010-03-24 2010-07-28 中国地质大学（北京） 掺杂类金刚石涂层的多离子束溅射沉积技术
CN102337538A (zh) * 2010-07-20 2012-02-01 罗伯特·博世有限公司 具有渐次的硬度分布的磨损保护系统
CN102337538B (zh) * 2010-07-20 2016-02-24 罗伯特·博世有限公司 具有渐次的硬度分布的磨损保护系统
CN103459652A (zh) * 2010-11-11 2013-12-18 Nci瑞士纳米涂层公司 用于表面处理的设备和方法
CN102230156A (zh) * 2011-06-21 2011-11-02 深圳市金洲精工科技股份有限公司 微型刀具上制备复合硬质涂层的方法及微型刀具
CN104271929A (zh) * 2012-05-03 2015-01-07 H.E.F.公司 内燃机护套
CN109812349A (zh) * 2012-05-03 2019-05-28 H.E.F.公司 内燃机衬套
CN107709605A (zh) * 2015-06-24 2018-02-16 佳能安内华股份有限公司 真空电弧成膜装置及成膜方法
CN107709605B (zh) * 2015-06-24 2020-03-20 佳能安内华股份有限公司 真空电弧成膜装置及成膜方法
CN104985237A (zh) * 2015-06-29 2015-10-21 唐萍 高强度钻头
CN106756858A (zh) * 2016-11-14 2017-05-31 北京师范大学 一种圆珠笔笔珠的表面改性方法
CN106756858B (zh) * 2016-11-14 2019-07-05 北京师范大学 一种圆珠笔笔珠的表面改性方法
CN106676493B (zh) * 2016-11-14 2019-10-01 丁库克 一种圆珠笔笔托的表面改性方法
CN106676493A (zh) * 2016-11-14 2017-05-17 丁库克 一种圆珠笔笔托的表面改性方法
CN108342701A (zh) * 2017-01-25 2018-07-31 谢尔盖·米克海洛夫 用于表面处理的设备和方法
CN109811303A (zh) * 2019-01-23 2019-05-28 上海大学 基于类金刚石薄膜中间层的纳米金刚石薄膜制备方法
CN113355644A (zh) * 2020-03-05 2021-09-07 四川大学 一种浸没注入原位表面梯度重构耐磨类金刚石涂层改性工艺方法
CN113355644B (zh) * 2020-03-05 2022-07-19 四川大学 一种浸没注入原位表面梯度重构耐磨类金刚石涂层改性工艺方法
CN112718430A (zh) * 2020-12-22 2021-04-30 哈尔滨工程大学 船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法
CN112718430B (zh) * 2020-12-22 2022-07-12 哈尔滨工程大学 船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法

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Publication number Publication date
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