CN1136395C - 具有滑动接触面的构件、压缩机和旋转式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种构件，它具有一通过一中间层设置或直接设置在主体(例如叶片)上的硬质碳薄膜。在主体的或中间层的靠近外表面处形成了一混合层。混合层包含碳以及主体或中间层的一组成元素。混合层沿其厚度方向有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近其外表面的厚度部分内的碳含量高于远离其外表面的厚度部分内的碳含量。

Description

具有滑动接触面的构件、压缩机和旋转式压缩机
技术领域
本发明涉及一种具有一滑动接触面的构件，以及安装有该构件的压缩机和旋转式压缩机。
背景技术
由于在性能和容量方面有了最新的改进，所以用于制冷机组、空调设备等的旋转式压缩机现已可承受比较大的工作负荷。
在这样的旋转式压缩机中，叶片的前端可例如借助偏压装置而和一转子的周面滑动部分保持接触。这将会在容纳着叶片和转子的气缸内不利地产生沉积物。这些沉积物将导致制冷系统内，特别是在毛细管内发生堵塞，从而导致系统的制冷能力下降。
当情况恶劣时，可能造成不能通过毛细管供给制冷剂载流，从而损坏旋转式压缩机。
因而，需要提供一种可用于压缩机及旋转式压缩机之类的、具有一滑动接触面的构件，该构件产生的沉积物比较少，并具有相对于传统的构件有所提高的耐磨性，能在一相当长的时间内稳定地工作。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有滑动接触面的构件，它具有超强的耐磨性并且能可靠工作相当长的时间，并且提供采用了这样一种构件的压缩机和旋转式压缩机。
根据本发明第一方面的一种构件，包括：一具有一滑动接触面的主体；一设置在主体的滑动接触面上的硬质碳薄膜；一形成在主体的靠近其滑动接触面的厚度部分内的混合层。混合层包含碳以及主体的所述厚度部分的组成元素，并沿其厚度方向具有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近其外表面的厚度部分内的碳含量高于远离其外表面的厚度部分内的碳含量。
在根据本发明第一方面的一个较佳实施例中，通过在主体的靠近滑动接触面的厚度部分内渗碳而形成所述混合层。
根据本发明第一方面的构件在其滑动接触面上具有硬质碳薄膜，因而能展现优良的耐磨性能。在主体的靠近滑动接触面的位置上形成混合层，还能为主体与硬质碳薄膜提供一个很好的连接作用，这样就可以在不发生层离的情况下可靠地使用相当长的时间。
根据本发明第二方面的构件包括：一具有一滑动接触面的主体；一设置在所述主体的所述滑动接触面上的中间层；一设置在所述中间层上的硬质碳薄膜；以及一形成在所述中间层的靠近其滑动接触面的厚度部分内的混合层。所述混合层包含碳以及该中间层的一组成元素，并沿其厚度方向具有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近其外表面的厚度部分内的碳含量高于远离其外表面的厚度部分内的碳含量。
在根据本发明第二方面的一个较佳实施例中，通过在一中间层的靠近所述中间层外表面的部分内渗碳而形成混合层。
所述中间层可以是由例如Si、Ti、Zr、Ge、Ru、Mo、W或者是它们的氧化物、氮化物或碳化物形成。
根据本发明第二方面的构件，提供了一个经过中间层而形成在滑动接触面上的硬质碳薄膜，显示了超强的耐磨性能。在硬质碳薄膜和主体部分之间形成中间层可以增强硬质碳薄膜和主体间的附着力。在中间层的靠近其外表面处形成混合层，可以进一步地提高硬质碳薄膜的附着力。
在下文中，术语“本发明”是用来解释与本发明的第一和第二方面都有关系的事物。
在本发明中，混合层是形成在靠近主体滑动接触面或中间层外表面的位置上。较佳的是，混合层的厚度不小于5埃，更好的是在5埃-1μm的范围内，最好是在10埃-200埃的范围内。如果混合层比较薄，那么就可能无法实现所期望的附着力增强效果。如果混合层的厚度超过1μm，附着力并不必然地随厚度增加而成正比地增加。
在本发明中，所述混合层沿其厚度方向有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近或接近其外表面的厚度部分内的碳含量高于其相对于或远离外表面的厚度部分内的碳含量。混合层内有一个具有最大碳含量的高浓度部分。这种高浓度部分最好是出现在混合层的外表面或从混合层的外表面起占整个混合层厚度50％或更少的厚度部分内。较佳的是，混合层内高浓度部分的碳含量不小于20％碳原子百分含量，更好的是不小于40％碳原子百分含量。
如上所述，最好是通过在主体的靠近其外表面部分内，或者是在中间层的靠近其外表面的部分内渗碳而形成混合层。这种渗碳工作可以这样来实施，即，施加动能给激活的例如碳离子之类的碳元素，使它们冲击到主体或中间层的外表面上。具体地说，可以通过使碳离子冲击到一被施加了负自偏电压的基体的外表面上来进行渗碳工作。
本发明中的硬质碳薄膜可以包括：金刚石薄膜、金刚石和非晶结构的混合薄膜、或非晶碳薄膜。通常把具有混合结构和非晶碳薄膜的薄膜称作金刚石类碳薄膜。金刚石类碳薄膜通常包含氢。氢含量较低的金刚石类薄膜能体现较高的硬度和耐磨性。另一方面，氢含量较高的金刚石类薄膜体现出较低的内应力和与上层相附着的较强的附着力。因而，较为理想的是，根据本发明的硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一氢含量梯度，即，在硬质碳薄膜的远离其外表面的厚度部分内的氢含量高于靠近其外表面的厚度部分内的氢含量。这样一种氢含量梯度可以增强硬质碳薄膜的耐磨性以及与上层的附着力。在本发明中，硬质碳薄膜可至少包含一个从Si、N、Ta、Cr、F和B所构成的组中选择的添加元素。包含这样的添加元素可以使硬质碳薄膜的摩擦系数降低，耐磨性增强。较佳的是，添加元素的含量是3-60％原子百分含量，更好的是10-50％原子百分含量。还有较为理想的是，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一添加元素含量梯度，即，在硬质碳薄膜的靠近其外表面的厚度部分内的添加元素含量高于远离其外表面的厚度部分内的添加元素含量。硬质碳薄膜内的这样一种含量梯度可以降低其靠近外表面的厚度部分的摩擦系数，从而更有效地加强其耐磨性。
本发明之压缩机的特征在于采用了根据本发明的、具有一滑动接触面的构件。在具有气缸和活塞的往复式压缩机的例子中，可将本发明应用在具有一内周面的气缸内以提供一滑动接触面，和/或应用在具有一外周面的活塞内以提供一滑动接触面。根据第一方面，是把硬质碳薄膜设置在气缸的内周面上，并在气缸的靠近其内周面的部分内形成混合层。还可以把硬质碳薄膜形成在活塞的外周面上，并在活塞的靠近其外周面的部分内形成混合层。根据第二方面，在气缸内周面上设置一中间层。在中间层的靠近其外表面的部分内形成混合层，并在中间层上设置硬质碳薄膜。在针对活塞的情况下，中间层是设置在活塞的外周面上。混合层是形成在中间层的靠近其外表面的部分内，而硬质碳薄膜是设置在中间层上。
在根据本发明的旋转式压缩机的一实施例中，一叶片构成了本发明之构件的主体，在其前端或侧面部分形成了一滑动接触面。在第一方面中，至少在叶片的前端或侧面部分上设置了硬质碳薄膜。至少在叶片的靠近其前端外表面或侧部的部分内形成一混合层。在第二方面中，至少于叶片的前端或侧面部分上设置了一中间层，并在中间层上设置了硬质碳薄膜。在中间层的靠近其外表面处形成了混合层。
在本发明之旋转式压缩机的另一实施例中，一转子构成了本发明之构件的主体，在其外周面上形成了一滑动接触面。在第一方面中，至少在外周面上设置硬质碳薄膜。在转子的靠近其外周面的部分内形成一混合层。在第二方面中，在转子外周面上设置了一中间层，并在中间层上设置了硬质碳薄膜。在中间层的靠近其外表面处形成了混合层。
在本发明之旋转式压缩机的又一实施例中，一气缸构成了本发明之构件的主体，在气缸槽的内表面上形成了一滑动接触面。在第一方面中，于气缸槽的内表面上设置了硬质碳薄膜。在气缸壁内靠近气缸槽内表面的部分内形成了一混合层。在第二方面中，于气缸槽的内表面上设置了一中间层，并在中间层上设置硬质碳薄膜。在中间层的靠近其外表面处形成了混合层。
根据本发明第三方面的旋转式压缩机包括一转子、一气缸和一叶片。至少在叶片的前端或侧面部分、转子的外周面、或气缸槽的内表面上之一上形成了一硬质碳薄膜。
在第三方面中，在硬质碳薄膜以及叶片、转子外表面和气缸槽内表面中至少一个之间形成了一中间层。可以把上述第二方面所采用的那些种类的中间层材料应用于根据第三方面的中间层。
还有，在第三方面中，硬质碳薄膜可以包含氢。如果是这种情况，硬质碳薄膜最好是沿其厚度方向有一氢含量梯度，即，在硬质碳薄膜的远离其外表面的厚度部分内的氢含量高于靠近其外表面的厚度部分内的氢含量。
还有，在第三方面中，硬质碳薄膜可至少包含一个从Si、N、Ta、Cr、F和B所构成的组中选择的添加元素。较理想的是，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一添加元素含量梯度，即，在硬质碳薄膜的靠近其外表面的厚度部分内的添加元素含量高于远离其外表面的厚度部分内的添加元素含量。
在本发明中，构件主体所采用的材料并不是特别指定的，可包括铁基合金、铸铁(Mo-Ni-Cr铸铁)、钢(高速工具钢)、铝合金、碳(渗铝碳)、陶瓷(Ti、Al、Zr、Si、W和Mo的氧化物、氮化物和碳化物)、镍合金、以及不锈钢。
根据本发明，可以将硬度很高的硬质碳薄膜很牢靠地形成并附着在一基体上。因此，本发明构件的耐磨性较佳，并能可靠地使用相当长的时间。
安装了这样一种构件的压缩机和旋转式压缩机即使在长时间的使用后也不会产生很多沉积物，因而能可靠地使用相当长的时间。
附图说明
图1是根据本发明第三方面的一实施例的剖示图；
图2是根据本发明第三方面的另一实施例的剖示图；
图3是根据本发明第三方面的又一实施例的剖示图；
图4是在本发明各实施例中所采用的一个示范性ECR等离子化学汽相沉积(CVD)设备的剖示图；
图5是表示在本发明实施例中薄膜形成时间和自偏电压之间关系的曲线图；
图6是表示自偏电压分别相对于硬度、内应力和氢含量之相对关系的曲线图；
图7是表示在本发明实施例中薄膜形成时间和自偏电压之间关系的曲线图；
图8是一个旋转式压缩机的总结构的剖示图；
图9是根据本发明第一方面的实施例的剖示图；
图10是一个放大的剖示图，示出了图9所示实施例中的叶片及其附近情况；
图11是表示在本发明实施例中薄膜形成时间和自偏电压之间关系的曲线图；
图12是根据本发明第一方面的另一实施例的剖示图；
图13是根据本发明第一方面的又一实施例的剖示图；
图14是根据本发明第二方面的一个实施例的剖示图；
图15是一个放大的剖示图，示出了图14所示实施例中的叶片及其周围情况；
图16是表示在本发明的实施例中沿着混合层厚度方向的组份梯度的曲线图；
图17在本发明的实施例中所采用的另一示范性ECR等离子CVD设备的剖示图；
图18是根据本发明第二方面的另一实施例的剖示图；
图19是根据本发明第二方面的又一实施例的剖示图；以及
图20是用于涡旋式压缩机的一个涡旋构件的立体图。
图8是一旋转式压缩机之总结构的剖示图。
具体实施方式
参见图8，该旋转式压缩机包括：一封闭容器1、一由电动机驱动的曲轴2、一偏心安装在所述曲轴上的转子。转子3是用Mo-Ni-Cr铸铁材料制成。
中空的、铸铁制气缸4是用来容纳转子3。
中空气缸4具有一槽5，如下文所述，叶片6可在该槽内往复运动。叶片6可将中空气缸4的内部空间分隔成一个高压部分和一个低压部分。叶片6是用高速工具钢(SKH51)制成。
叶片6被弹簧7推抵至转子3。
入口管8是用来把制冷剂载流供给至中空气缸4的内部。在中空气缸4内受到加压和加热的制冷剂载流通过一排放管9排放。
下面将详细描述以这种方式构造而成的旋转式压缩机的工作情况。
当电动机驱动曲轴2时，偏心安装在曲轴2上的转子3将在旋转的同时沿中空气缸4的内表面周向地运动。由于叶片6可借助加压气体和弹簧而推抵转子3，所以叶片6总是和转子3的外周面保持接触。因而，转子3的旋转运动可被转换成叶片6在气缸槽6内的往复运动。
随着这样的往复运动不断地进行，可通过入口管8将制冷剂载流吸入中空气缸4的内部，并在气缸内对其进行压缩以增加其温度和压力，而后再通过排放管9排放到旋转式压缩机的外侧。
图1是可用于本发明之旋转式压缩机的叶片6的剖示图，该叶片上涂覆了一层硬质碳薄膜。
在实施本发明时，硬质碳薄膜可以是：金刚石薄膜、具有混合的金刚石及非晶碳结构的薄膜、或者是非晶碳薄膜。
中间层可以由Si、Ti、Zr、Ge、Ru、Mo、W，或者是它们的氧化物、氮化物或碳化物制成。
在图1所示的实施例中，于叶片6上形成了一个由硅制成的中间层61。硬质碳薄膜62形成在中间层61上，在两者之间形成了一个界面。硬质碳薄膜62具有一定的组份，以便更好地附着到叶片6上。
更好的是，硬质碳薄膜62具有一种阶梯式的组份分布，其内的氢含量从靠近界面的部分62a到薄膜层外表面62b不断减少。
由于朝向靠近界面的部分62a的氢含量较高，所以靠近或接近中间层61的硬质碳薄膜62中的内应力和硬度有所下降。这样可以防止硬质碳薄膜62从中间层61上层离。
虽然氢含量可以是像如上所述的那样沿着硬质碳薄膜62的厚度方向连续地变化，但是也可以通过在硬质碳薄膜62中设置一个(或多个)富氢层和一个(或多个)贫氢层来分段地调节氢含量梯度。
图2是其上具有一硬质碳薄膜的转子3的剖示图，这个转子可以用于本发明的旋转式压缩机。
图2还示出了根据本发明的硬质碳薄膜的应用形式。
在图2所示的实施例中，形成在转子3上的是一个硅制中间层31。在该硅制中间层31上形成有一硬质碳薄膜32，在两者间形成了一个界面。硬质碳薄膜32具有一定的组份，以便更好地附着到转子3上。
更好的是，硬质碳薄膜32具有一种阶梯式的组份分布，其内的氢含量从靠近界面的部分32a到薄膜层32b不断减少。
由于朝向靠近界面的部分32a的氢含量较高，所以靠近或接近中间层31的硬质碳薄膜32中的内应力和硬度有所下降。这样可以防止硬质碳薄膜32从中间层31上层离。
虽然氢含量可以是像如上所述的那样沿着硬质碳薄膜32的厚度方向连续地变化，但是也可以通过在硬质碳薄膜32中设置一个(或多个)富氢层和一个(或多个)贫氢层来分段地调节氢含量梯度。
图3是其上设有一硬质碳薄膜的气缸槽5的放大剖示图，它可以用于本发明的旋转式压缩机。
图3还示出了根据本发明的硬质碳薄膜的另一种应用形式。
在图3所示的实施例中，在气缸槽5的内表面上形成有一个由硅制成的中间层51。在该硅制中间层51上形成有一硬质碳薄膜52，在两者间形成了一个界面。硬质碳薄膜52具有一定的组份，以便更好地附着到转子3上。
更好的是，硬质碳薄膜52具有一种阶梯式的组份分布，其内的氢含量从靠近界面的部分52a到薄膜层52b不断减少。
由于朝向靠近界面的部分52a的氢含量较高，所以靠近或接近中间层51的硬质碳薄膜52中的内应力和硬度有所下降。这样可以防止硬质碳薄膜52从中间层51上层离。
虽然氢含量可以是像如上所述的那样沿着硬质碳薄膜52的厚度方向连续地变化，但是也可以通过在硬质碳薄膜52中设置一个(或多个)富氢层和一个(或多个)贫氢层来分段地调节氢含量梯度。
图4是本发明中用来形成硬质碳薄膜的一个示范性ECR等离子CVD设备的示意图。
参见图4，在真空室108的内部设有一等离子发生室104和一反应室，所述反应室内放有基体，例如叶片113。波导管102的一端连接于等离子发生室104。波导管102的另一端安装在微波供给装置101上。
在微波供给装置101内产生的微波经过波导管102和一微波进入窗口103被导入等离子发生室104。
一放电气体送入管道105连接于等离子发生室104，以便将放电气体，例如氩气(Ar)排放到等离子发生室104中。沿着等离子室104的周向安装了多个等离子磁场发生器106。
真空室108的反应室内设有一鼓形的叶片保持器112，它可以围绕垂直于纸面方向的轴线旋转。一电动机(未示)连接于叶片保持器112。
沿叶片保持器112的周向等距离间隔地设置了多个(本实施例为24个)叶片113。一高频电源110连接于叶片保持器112。有一金属制的中空的气缸屏蔽罩114沿径向围绕叶片保持器112，在两者之间形成了一个大约5mm的空间。屏蔽罩114连接于一个接地电极。屏蔽罩4可以防止在真空室108和叶片保持器区域(除了需形成薄膜的位置以外)之间产生放电，否则的话，当对叶片保持器112施加一射频频率(RF)以形成薄膜时，将会产生放电。
屏蔽罩114上具有一开口115。来自等离子发生室104的等离子体可经过开口115而撞击到安装在叶片保持器112上的叶片113上。真空室108内配备了一个反应气体送入管道116。反应室气体送入管道116的前端处在开口115的上方。
在于转子3的外周面上形成硬质碳薄膜32的情况下，可以不采用鼓形保持器。将转子3连接于高频电源110。屏蔽罩114是构造成与转子3隔开大约5mm，并且连接于接地电极。
可以采用上述的薄膜形成设备，通过下述的示范性的过程来形成如图1所示的硬质碳薄膜。
首先把真空室108的压力抽空至10-5-10-7乇，然后再使叶片保持器112以大约10rpm的转速旋转。接着，从放电气体送入管道105供给5.7×10-4乇的氩气，同时由微波供给装置101供给2.45GHz，100w的微波，这样就可以在等离子发生室104内产生氩等离子体，以冲击每一叶片6的表面。
在进行上述工作的同时，通过反应气体送入管道116供给压力为1.3×10-3乇的CH4，同时从高频电源116供给13.56Hz的射频(RF)功率。在此，RF功率是以可控方式供给叶片保持器112，因而使每一叶片113中产生的自偏电压可在开始形成薄膜时的0V变化到薄膜形成结束时(在开始之后的15分钟内)的-50V，如图5所示。
可依照上述工艺，在各叶片6上形成厚度为5000埃的硬质碳薄膜。
图6包括三个曲线图，它们分别表示在叶片保持器内产生的自偏电压与在这些自偏电压下形成的硬质碳薄膜的硬度、内应力和氢含量之间的关系。
在操作图4中上述的薄膜形成装置时，需使在叶片保持器内产生的某一自偏电压保持不变，以便在这个特定电压下形成一硬质碳薄膜。对这样获得的硬质碳薄膜的某些特性，包括硬度、内应力和氢含量进行测量。图6中给出了这些测量值。
从图6中可以看到，0V的自偏电压能导致形成的硬质碳薄膜具有大约800Hv的维氏硬度、大约5Gpa的内应力、和大约60％的氢原子百分含量。
另一方面，-50V的自偏电压能导致形成的硬质碳薄膜具有大约3000Hv的维氏硬度、大约6.5Gpa的内应力、和大约35％的氢原子百分含量。
可以相信，在图6中所示的各种特性的变化都可以沿上述的、由0变到-50V的自偏电压下形成的、该实施例的硬质碳薄膜的厚度方向反应出来。
因此，靠近界面的硬质碳薄膜62的部分62a具有较低的硬度和内应力，因而可以比较好地附着到中间层，进而是叶片6上。
另一方面，薄膜层62b具有较高的硬度，以便提供硬质碳薄膜所需要的足够硬的表面。
硬质碳薄膜62是以与上述实施例相同的方式形成的，只是在从薄膜形成的起始时刻开始的最初5分钟内将自偏电压保持为0V，并且在从起始时刻起的、整个为15分钟的周期内的随后10分钟内保持为-50V(如图7所示)。最终形成在叶片6上的硬质碳薄膜的厚度是5000埃，维氏硬度是3000Hv。
为了比较起见，以与上述实施例相同的方式形成一硬质碳薄膜，只是将薄膜形成过程中在叶片保持器内产生的电压保持为0V。最终在叶片6上形成的硬质碳薄膜的厚度是5000埃，维氏硬度是800Hv。
对硬质碳薄膜进行附着力的测试。在测定附着力时，采用一维氏压头进行恒定载荷(1kg)的压痕测试。为了测定用不同方式形成的硬质碳薄膜的附着力，每种情况各制备了五十个样品，其中硬质碳薄膜62从叶片6上发生层离的样品数量可表示附着力水平。承受这种测试的硬质碳薄膜包括：在0V至-50V间变化的自偏电压下，在预先形成于叶片6的硅中间层61(厚度为100埃)上形成的硬质碳薄膜；在薄膜形成的起始时刻后5分钟起直到结束的时间内，保持-50V的自偏电压，省略硅中间层，在叶片6上直接形成的另一硬质碳薄膜；在薄膜形成的起始时刻后5分钟直到结束的时间内，保持-50V的自偏电压，在硅中间层上形成的硬质碳薄膜。测定的结果如表1所示。
                         表1
    硅中间层     自偏电压(V)     层离的样品数量
    没有     -50     45
    有     -50     5
    0--50     0
从表1中可以看到，当叶片6上没有形成硅中间层61，即硬质碳薄膜62是直接形成在叶片6上的情况下，即使自偏电压是-50V，也发现有四十五个样品发生从叶片6上层离的现象。另一方面，当在叶片6上形成了硅中间层62，即硬质碳薄膜62是在恒定为-50V的电压下形成在中间层61上的情况下，只有五个样品从叶片6上层离。
此外，当叶片6上形成了硅中间层61，即硬质碳薄膜62是在0V--50V之间变化的电压下形成在中间层61上的情况下，没有样品从叶片6上层离。
上述结果证明：本发明所采用的硬质碳薄膜提高了硬度和附着力，足以为各种构件，例如叶片6、转子3和气缸槽5的滑动接触面提供耐磨性。这样一种硬质碳薄膜涂层可以减少在这些构件的滑动接触面上沉积物的生成。
在上述实施例中，采用了ECR等离子CVD设备来形成硬质碳薄膜。但是，应该理解，这并不排除采用其它可用来形成薄膜的合适技术。
从以上的描述中应该理解，本发明提供了一种其上形成有硬质碳薄膜以便提供足够的硬度和化学稳定性的叶片、转子或气缸槽。由于硬质碳薄膜可以很好地附着在叶片、转子或气缸槽上，所以安装了这些构件的旋转式压缩机可以使用相当长的时间，并且不会产生很多沉积物。这样就可以防止制冷剂载流在毛细管中堵塞，并且可以体现一种保护作用，避免旋转式压缩机发生很大的损坏。
图9是根据本发明第一方面的一个实施例的立体图。在本发明构件(即叶片6)的主体上形成了一个硬质碳薄膜64，在薄膜和构件之间形成了一个界面。在叶片6的靠近界面的厚度区域内形成了一个混合层63。
图10是一放大的剖示图，示出了图9中所示之叶片6及其周围情况。如图10所示，混合层63是形成在叶片6的靠近界面的厚度区域内。混合层63是由碳以及叶片6的组成元素，例如铁形成的。在混合层63的靠近界面的厚度部分63b内的碳含量高于混合层63的远离界面的厚度部分63a的碳含量，于是形成一个沿混合层63之厚度方向的碳含量梯度。可以通过向叶片6的靠近界面的厚度区域渗碳来形成这样一种混合层。渗碳的工作可以这样来进行，即，例如通过操作上述的ECR等离子CVD设备而使叶片6在薄膜形成的早期产生一负的自偏电压。
在混合层63上形成硬质碳薄膜64，例如金刚石类的碳薄膜。
较佳的是，混合层63的厚度至少是5埃，最好是在10-200埃的范围内。
可采用图4的设备来形成一硬质碳薄膜。在形成薄膜的起始时刻起的最初一分钟内，叶片内产生的电压保持为-50V。如图11所示，随后，自偏电压降到0V，并且立即从0V逐渐增加到薄膜形成结束时的-50V，该混合层是形成在叶片内靠近叶片外表面的部分中。这样就可以在叶片上形成一个厚度为5000埃，维氏硬度为3000Hv的硬质碳薄膜。
对这样形成的硬质碳薄膜进行刮擦测试，以测定其附着力。采用一金刚石触针以100毫米/分钟的速度进行刮擦。最大的负载是500g。对50个硬质薄膜样品进行测试，呈现层离现象的样品数量可以表示硬质碳薄膜的附着力水平。在该测试中，没有发现层离的样品。
为了比较起见，施加一RF功率以使在叶片内产生的自偏电压从薄膜形成开始时的0V经过15分钟后变化到薄膜形成结束时的-50V，如图5所示。如此形成的对比硬质碳薄膜所呈现的厚度是5000埃，硬度是3000Hv维氏硬度。出现层离的样品数量是50个中有10个。
从上述的结果可以看出，通过在基体的表面层上形成一个有效厚度的混合层，就可以加强附着于一基体(例如叶片)的硬质碳薄膜的附着力。
图12是根据本发明第一方面的另一实施例的剖示图。在转子3内靠近转子3之外表面处形成了一个混合层33。同样，与图11中所示的实施例相类似，靠近混合层33外表面的厚度部分的碳含量高于远离外表面的厚度部分的碳含量，从而在混合层33的厚度方向形成一碳含量的梯度。混合层33可以用与图11所示实施例相同的方式来形成。在混合层33上形成了一硬质碳薄膜34。
在靠近转子3之外表面的位置上形成混合层33可以增强硬质碳薄膜34附着于转子33的附着力。
图13是根据本发明第一方面的又一实施例的剖示图。混合层53是形成在气缸槽5的靠近其内表面的内壁之中。与图11所示的实施例相类似，混合层53沿其厚度方向有一碳含量梯度，在混合层53的靠近其外表面的厚度部分的碳含量高于远离外表面部分的碳含量。混合层53可以以与图11中所示相同的方式来形成。混合层53上形成有一硬质碳薄膜54。
在气缸槽5的靠近内表面处形成混合层53将可以增强硬质碳薄膜34粘附于气缸槽5内表面的附着力。
图14是一个部分剖开的、根据本发明第二方面的一个实施例的立体示意图。在叶片6上形成了一中间层65。在中间层65内靠近其外表面处形成了一混合层66。混合层66是用碳以及中间层65的组成元素形成的。在中间层65上形成有一硬质碳薄膜67。
图15是一个放大的剖示图，示出了图14中的叶片6及其周围情况。如图15所示，混合层66沿其厚度方向有一碳含量梯度，混合层66的接近其外表面的厚度部分66b的碳含量高于远离其外表面的厚度部分66a。可以通过与形成图10中的混合层63相同的方式(即，向叶片6的靠近中间层65的厚度部分渗碳)来形成这样的混合层66。渗碳的工作可以这样来实现，即，例如通过操作上述的ECR等离子CVD设备而使得基体(例如叶片6)在薄膜形成的最初阶段产生一负的自偏电压。
混合层66上形成了一硬质碳薄膜67。混合层66的出现有助于增强硬质碳薄膜67粘附于中间层65的附着力。
在这个第二方面中，如果希望把混合层做得比中间层厚，也可以使混合层形成至基体下方靠近其外表面处，这样就可以使混合层经过中间层延伸入基体。
图16是表示沿形成在中间层内的混合层的厚度方向的组份梯度。在这个特定实施例中，中间层由硅构成。对基体保持器施加RF功率，以便在薄膜形成的最初阶段把基体内产生的自偏电压设定在-50V。否则，采用与上一实施例类似方式把硬质碳薄膜形成到硅中间层上。
如图16所示，在从混合层的表面起深度为50埃的位置上，碳含量达到零。混合层在A位置上(从混合层的外表面起直至整个深度35％的位置)呈现出大约70％的最大碳原子百分含量。还是如图16所示，该混合层具有这样一个混合层部分，其在靠近混合层表面的厚度部分内的碳含量高于远离混合层表面的部分内的碳含量，于是形成了一个碳含量梯度B。该混合层还具有另一个从外表面延伸至位置A的混合层部分，在该部分中，靠近混合层外表面的厚度部分中的碳含量略有下降，从而形成了一个碳含量梯度A。通过在混合层内建立起这样一个碳含量梯度，即靠近混合层外表面的厚度部分内的碳含量高于和混合层的外表面相对或远离的那一厚度部分内的碳含量，保证可以提高把硬质碳薄膜粘附于混合层的附着力。
通过改变基体内产生的自偏电压，就可以控制混合层的厚度。例如，在硅中间层的情况下，如果在薄膜形成的早期把基体两端的自偏电压控制为-1KV，就可以形成厚度约为130埃的混合层。
在叶片上形成厚度为100埃的硅中间层。继而在硅中间层上形成一硬质碳薄膜。在薄膜形成过程中，自偏电压是以与图11所示相同的方式来变化。最终形成的硬质碳薄膜的厚度是5000埃，维氏硬度是3000Hv。对形成的硬质碳薄膜进行刮擦测试，以测定其附着力。没有样品发生层离现象。
接着，形成一包含一其它添加元素的硬质碳薄膜。这种包含其它添加元素的硬质碳薄膜可通过图17所示的设备来形成。参见图17，除了在屏蔽罩114上具有一开口115外，该设备还具有一与开口115隔开的第二开口117。标靶118面对着第二开口117。一离子束枪119是被设置在这样一个位置上，即，从该离子束枪119发出的离子束可以被标靶118接收。其它的结构与图4中的设备类似。
标靶材料包括Si、Ta、Cr和B。可采用图17所示的设备来形成包含任何一种添加元素的硬质碳薄膜。叶片保持器在薄膜的形成过程中转动，这样就可以通过开口115和第二开口117把碳和添加元素分别沉积到每个叶片113上，结果，包含该添加元素的硬质碳隙膜使形成在各叶片113上。在形成薄膜之前，叶片113上预先形成有一中间层(厚度是100埃)。
当在硬质碳薄膜内加入N或F时，可以不采用标靶118，而是在薄膜形成的气氛中加入N2或CF4气体。更具体地说，分别以1.3×10-3和1.0×10-3乇的局部压力来供给CH4气体和N2或CF4气体。
把最终产生的硬质碳薄膜放到一个表面特性测试仪上，测量它们的摩擦系数和磨损深度。摩擦系数是为Si、Ta和F测量的，而磨损深度则是为N、Cr和B测量的。为了比较起见，分别制备了其上既没有中间层也没有硬质碳薄膜的叶片以及覆盖有不含添加元素的硬质碳薄膜的叶片，以测量它们的摩擦系数和磨损深度。对磨损深度而言，是相对于不含添加元素的硬质碳薄膜作测试。测试结果列在表2中。采用了往复滑动两千次的铝球压头来进行测量。
                             表2
    添加元素     摩擦系数     磨损深度(相对值)
    种类     Si     0.1     -----
    Te     0.13     -----
    F     0.12     -----
    N     -----     0.6
    Cr     -----     0.8
    B     -----     0.7
    无     0.18     1
    W/O硬质碳薄膜和中间层     0.5     4
从表2中清楚可见，若在最终的硬质碳薄膜内包括添加元素，可以改善其摩擦系数和磨损深度。
可以使靠近硬质碳薄膜之外表面的厚度部分内的添加元素含量高于远离其外表面的厚度部分内的添加元素含量。添加元素的这样一种含量梯度可以增强最终硬质碳薄膜的附着力。
图18是一个部分切除的剖示图，示出了根据本发明第二方面的另一实施例。在一转子3上形成一中间层35。在中间层35的靠近其外表面的部分内形成了一混合层36。中间层35上形成了一硬质碳薄膜37。混合层36可以通过类似于图14所示实施例的方式形成在中间层35中。在中间层35中形成混合层36开口可以加强它与硬质碳薄膜37的粘附力。
图19是一个部分切除的剖示图，示出了根据本发明第二方面的又一实施例。在气缸槽5的内表面上形成一中间层55。在中间层55的靠近其外表面的部分内形成有一混合层56。中间层55上形成了一硬质碳薄膜57。混合层56可以通过类似于图14所示实施例的方式形成在中间层55内。在中间层55内形成混合层56可以加强它与硬质碳薄膜57的附着力。
在上述的各实施例中，在叶片的延伸表面区域上形成了连续的中间层和硬质碳薄膜。然而，也可以只把它们形成在叶片前端的表面上。
虽然在上述实施例中示范性地采用了旋转式压缩机来解释本发明的、具有滑动接触面的构件，但是本发明并不限于那些旋转式压缩机。本发明也适用于往复式压缩机的气缸或活塞，例如可将它应用于安装在活塞上的一O形圈的外表面上。
图20是一涡旋式压缩机中所采用的一个涡旋构件的立体图。本发明适用于这样一种涡旋构件70。该涡旋构件70的一搭接部分71和一镜面板72各自提供了滑动接触面。
还有，具有本发明之滑动接触面的构件并不限于压缩机构件，它也可以应用于具有滑动接触面的多种其它构件。例如，可以将本发明施加于一电动剃须刀刀片的内、外边缘。此外，本发明还适用于硬盘驱动器和VCR磁盘之薄层磁头的滑动部分，以及光磁盘的外表面。

Claims (25)

1.一种构件，包括：
一主体，它具有一滑动接触面；
一硬质碳薄膜，它设置在所述主体的滑动接触面上；
一混合层，它形成在所述主体的靠近其滑动接触面的厚度部分内，并且包含碳以及该主体的所述厚度部分的组成元素；以及
所述混合层沿其厚度方向具有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近其外表面的厚度部分内的碳含量高于远离其外表面的厚度部分内的碳含量。
2.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述混合层是通过在所述主体的靠近所述滑动接触面的所述厚度部分内渗碳而形成的。
3.一种构件，包括：
一主体，它具有一滑动接触面；
一中间层，它设置在所述主体的所述滑动接触面上；
一硬质碳薄膜，它设置在所述中间层上；
一混合层，它形成在所述中间层的靠近其滑动接触面的厚度部分内，并且包含碳以及该中间层的一组成元素；以及
所述混合层沿其厚度方向具有一碳含量梯度，即，在混合层的靠近其外表面的厚度部分内的碳含量高于远离其外表面的厚度部分内的碳含量。
4.如权利要求3所述的构件，其特征在于，所述混合层是通过在所述中间层的靠近其所述外表面的所述厚度部分内渗碳而形成的。
5.如权利要求3所述的构件，其特征在于，所述中间层是由Si、Ti、Zr、Ge、Ru、Mo、W或者是它们的氧化物、氮化物或碳化物所形成。
6.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述混合层的厚度至少是5埃。
7.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述混合层包括一最大碳原子百分含量至少是20％的高浓度部分。
8.如权利要求7所述的构件，其特征在于，所述高浓度部分出现在从混合层的外表面起占整个混合层厚度50％或更少的厚度部分内。
9.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一氢含量梯度，即，在硬质碳薄膜的远离其外表面的厚度部分内的氢含量高于靠近其外表面的厚度部分内的氢含量。
10.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述硬质碳薄膜至少包含一个从Si、N、Ta、Cr、F和B所构成的组中选择的添加元素。
11.如权利要求10所述的构件，其特征在于，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一添加元素含量梯度，即，在硬质碳薄膜的靠近其外表面的厚度部分内的添加元素含量高于远离其外表面的厚度部分内的添加元素含量。
12.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述硬质碳薄膜包括：金刚石薄膜、金刚石和非晶结构的混合薄膜、或非晶碳薄膜。
13.一种压缩机，其内安装了如权利要求1-12中任一项所述的构件。
14.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；以及
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端，
其中，所述叶片是如权利要求1-12中任一项所述的构件的所述主体，并且至少是该叶片的所述前端或一侧部构成了所述滑动接触面。
15.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；以及
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端，
其中，所述转子是如权利要求1-12中任一项所述的构件的所述主体，所述转子的所述外周面构成了所述滑动接触面。
16.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；以及
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端，
其中，所述中空气缸是如权利要求1-12中任一项所述的构件的所述主体，所述中空气缸的内表面构成了所述滑动接触面。
17.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端；以及
一硬质碳薄膜，它至少形成在所述叶片的所述前端或一侧面部分上。
18.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端；以及
一硬质碳薄膜，它形成在所述转子的所述外周面上。
19.一种旋转式压缩机，包括：
一转子，它偏心安装在一可转动的曲轴上，并具有一外周面；
一中空的气缸，用以容纳所述转子，所述中空气缸具有一与所述转子的外周面滑动接触的内表面；
一叶片，它被安置在所述气缸的所述内表面上的一槽内，并具有一与所述转子的外周面滑动接触的前端；以及
一硬质碳薄膜，它形成在所述气缸槽的内表面上。
20.如权利要求17-19中任一项所述的旋转式压缩机，其特征在于，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一氢含量梯度，即，在硬质碳薄膜的远离其外表面的厚度部分内的氢含量高于靠近其外表面的厚度部分内的氢含量。
21.如权利要求17-19中任一项所述的旋转式压缩机，其特征在于，在硬质碳薄膜以及叶片、转子和气缸槽内表面中任一个之间设置有一中间层。
22.如权利要求21所述的旋转式压缩机，其特征在于，所述中间层是由Si、Ti、Zr、Ge、Ru、Mo、W或者是它们的氧化物、氮化物或碳化物。
23.如权利要求17-19中任一项所述的旋转压缩机，其特征在于，所述硬质碳薄膜至少包含一个从Si、N、Ta、Cr、F和B所构成的组中选择的添加元素。
24.如权利要求23所述的旋转压缩机，其特征在于，所述硬质碳薄膜沿其厚度方向具有一所述添加元素的含量梯度，即，在硬质碳薄膜的靠近其外表面的厚度部分内的添加元素含量高于远离其外表面的厚度部分内的添加元素含量。
25.如权利要求17-19中任一项所述的旋转压缩机，其特征在于，所述硬质碳薄膜包括：一金刚石薄膜、一金刚石和非晶结构的混合薄膜、或一非晶碳薄膜。
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