CN1475597A - 覆碳膜部件及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种覆碳膜部件，它包括基底；在该基底至少一部分上形成的混合层，它包含构成基底的元素和钨；在该混合层上形成的钨膜；在该钨膜上形成的碳膜。

Description

覆碳膜部件及其制法
交叉引用的相关发明申请
本发明申请是基于2002年7月10日在日本提交的日本专利申请No.2002-201339。该专利的全部内容参考结合于此。
背景技术
技术领域
本发明是关于可以用作发动机部件的覆碳膜部件(例如包括汽油机、柴油机一类的内燃机)，切削部件如切削工具、切削工具的部件等，以及其制造方法。
相关领域的说明
像DLC膜(类金刚石碳膜)一类碳膜具有高硬度，高耐磨性和低摩擦系数的特点。人们已经建议利用碳膜这类特点来提高发动机部件、切削部件，以及类似的滑动部件的耐磨性并降低它们的磨擦系数。滑动部件的耐磨性和摩擦系数可以通过在这些部件上涂覆DLC膜或类似的碳膜得以改善。
然而，一般来说，DLC膜和类似碳膜对钢铁之类滑动部件基底的附着力较低，因此容易跟基底分离。为了提高DLC膜和类似碳膜对基底的附着力，曾建议在碳膜与基底之间形成一种中间层。然而，这个建议未能在提高足够的附着力方面取得成功。
发明综述
本发明目的是提供覆碳膜部件，例如在其基底上形成有碳膜的部件，该碳膜对部件基底具有高的附着力，并提供该部件的制造方法。
为了达到上述目的，本发明提供下列的覆碳膜部件以及其制造方法。
(1)覆碳膜部件
一种覆碳膜部件，它包括基底；在至少该基底的部分上形成的混合层，该混合层是由构成基底的一种或多种元素和钨构成的；在混合层上形成的钨膜；再在钨膜上形成的碳膜。
(2)制造覆碳膜部件的方法
一种制造覆碳膜部件的方法，该部件包括基底；在至少该基底的一部分上形成的混合层，该混合层是由构成基底的一种或多种元素和钨构成的；在混合层上形成的钨膜；再在钨膜上形成的碳膜。方法由下列步骤组成：
在该基底的至少一部分上形成混合层，该混合层是由构成基底的一种或多种元素和钨构成的；
在混合层上形成钨膜；
在钨膜上形成碳膜；
混合层、钨膜和碳膜中的至少一层是在具有包括阴极的真空电弧蒸发源的真空电弧沉积装置中，通过电弧放电将阴极材料蒸发而形成的。
本发明上述以及其它目的、特征、方式和优点将通过下面详细说明和附图而显得更为清晰。
附图简要说明
图1所示为覆碳膜部件一个实例的部分横截面视图。
图2所示为一种真空电弧沉积装置一个实例的结构示意图。
图3所示为衡量DLC膜对基底的附着力的剥离区面积与DLC薄膜下面的层的厚度之间的关系。
图4所示为DLC膜和基底之间形成的混合层的厚度和负载压力之间的关系图。该负载压力衡量着DLC膜对基底的附着力。
本发明较佳实施方式的说明
(1)覆碳膜部件
作为本发明一种较佳实施方式的覆碳膜部件，在基底上依次具有一层混合层、一层钨膜，以及一层碳膜。更具体的说，混合层、钨膜和碳膜是该部件基底的一部分上形成的。
要求有高机械强度的基底可以由包含以铁为主要组份的材料，如碳钢、特种钢或类似的钢制成。也可选用由陶瓷、烧结碳化物(硬质金属)等制成基底。
混合层在基底上形成，它包含构成基底的一种或多种元素、钨，也可能包含其它元素。
钨膜在混合层与碳膜之间形成。钨膜的主要组分为钨，也可以包含其它杂质(少量组分)。
碳膜形成在钨膜上。碳膜的主要组分为碳，也可以包含氮化碳、硅等。例如，碳膜可以是DLC膜(类金刚石碳膜)。
如后面将述的实验结果所示，碳膜对钨膜的附着力高于碳膜对钼膜或铬膜的附着力。
因为含有构成基底的一种或多种元素以及钨的混合层是形成在基底和钨膜之间，因此，钨膜对基底附着力高。因而，碳膜对基底附着力在覆碳膜部件中是高的。
正因为碳膜(特别是DLC膜)硬度高，摩擦系数低，因此，覆碳膜部件最好用作要求具有至少耐磨和低摩擦中的一种特性的零件。例如，覆碳膜部件(涂碳膜零件)可以用作滑动零件(滑动部件)。
更具体地说，覆碳膜部件可以用作诸如凸轮、填隙片、气门顶杆、活塞、活塞环一类发动机的零部件和其它机械部件诸如钻头、立铣铣刀、铣刀、切削工具、模子等等。这类覆碳膜部件的碳膜，如前所述，对基底具有很高的附着力，使部件能够稳定地长时间保持低摩擦特性以及其他一些特性。
根据覆碳膜部件的使用寿命，碳膜厚度可以为500纳米或更厚一些。如果碳膜太厚，可能会出现剥离或裂纹。因此，碳膜厚度可以为10μm或更薄。通过加入金属一类物质可以消除应力。
钨膜太厚太薄都会造成对碳膜附着力的下降，关于这一点，后面的实验结果可以显示。钨膜厚度的上限较佳为小于等于170nm，更佳为小于等于150nm，最佳为小于等于100nm。钨膜厚度的下限较佳为大于等于5nm，更佳为大于等于10nm。
混合层太厚太薄都会造成碳膜对基底附着力的下降，关于这一点，后面的实验结果可以显示。混合层厚度上限较佳为小于等于200nm，更佳为小于等于100nm，最佳为小于等于50nm，最最佳为小于等于10nm。混合层厚度的下限较佳为大于等于1nm，更佳为大于等于2nm。
(2)制造覆碳膜部件的方法
作为本发明一种较佳实施方式的覆碳膜部件制造方法，由下列步骤组成：
在部件基底上形成一层混合层，该混合层含有组成基底的一种或多种元素以及钨；
在混合层上形成一层钨膜；
在钨膜上形成一层碳膜；
混合层、钨膜和碳膜中至少一层是通过真空电弧沉积装置(电弧型离子镀膜装置)形成的。该装置至少具备一个包括一个阴极在内的真空电弧蒸发源。在真空电弧沉积装置中，层或膜可以使用阴极材料(根据该层或该膜选用构成该阴极材料)通过电弧放电蒸发形成，更具体地说，通过在阴极附近产生的等离子体使蒸发的阴极材料电离而形成。混合层、钨膜和碳膜中任何一层可以通过真空电弧沉积装置形成。
采用真空电弧沉积装置时，电离的阴极材料可通过施加在基底上的偏置电压吸引到基底上，并与基底发生碰撞。在形成任何一种混合层、钨膜和碳膜时，都要用到这种偏置电压。
混合层的形成可以是当在真空电弧沉积装置中使用钨作阴极材料(换言之，主要含钨的阴极)，使基底经历轰击过程(真空电弧沉积装置涉及的就是轰击过程)。更具体的说，在基底上施加相对较高的偏置电压时，作为阴极材料的钨被等离子体电离，电离出来的钨被驱使达到基底上(即基底经历了轰击过程)。由此形成含有构成基底的一种或多种元素和钨的混合层。
这种情况下，可以认为基底表面上由于这种轰击过程而可能在特性上有了改善，从而形成了混合层。混合层经由轰击过程形成后，基底表面再经历溅射清洁，再加热，以便随后形成的钨膜对混合层的附着力也获得提高。
用真空电弧沉积法形成钨膜，在真空电弧沉积装置中可以采用钨作阴极材料(换言之，主要含钨的阴极)。例如，作阴极材料的钨进入等离子体中，并在基底上施以相对较低偏置电压时发生电离，电离的钨沉积在基底上(基底上的混合层上)上形成钨膜。还有另一种方式可供选用，例如施加在基底上偏置电压的绝对值低于轰击过程中形成混合层时的偏置电压(包括0V)。
用真空电弧沉积法形成碳膜时，可以在真空电弧沉积装置中采用碳作阴极材料(换言之，主要含碳的阴极)。例如，作阴极材料的碳进入等离子体中，并在基底上施以偏置电压时发生电离，电离的碳沉积在基底(基底上的钨膜)上形成碳膜。
混合层、钨膜和碳膜中的任何一层都可以通过其它方法形成，而不用上述真空电弧沉积装置。例如，碳膜可以用等离子体化学气相沉积法(CVD)、溅射法、激光沉积法等形成。然而，混合层，钨膜和碳膜中的任何一层使用真空电弧沉积装置时其形成速率较大。这是因为阴极材料在等离子体内的离子密度因阴极材料的电弧放电蒸发而相对较高。采用真空电弧沉积装置，甚至可以在比较复杂形状(如立方体形状)的部件基底上沉积混合层、钨膜和碳膜，甚至在较大面积上沉积也是简单可行的。
而且，与等离子体化学气相沉积法、溅射法、激光沉积等法相比，真空电弧沉积法形成的碳膜硬度较高，含氢量也较低。用真空电弧沉积法形成碳膜时，可以通过在基底上施加脉冲型偏置电压的方式完成。由此形成的碳膜其中的内应力可以减小，碳膜的表面也非常光滑。
在上述制造覆碳膜部件方法中，混合层、钨膜和碳膜的至少一层在真空电弧沉积装置内形成。例如，混合层、钨膜和碳膜这三层都可在同一真空电弧沉积装置内形成。如果混合层、钨膜和碳膜都在同一真空电弧沉积装置内形成，则基底的传送、工作室内气体的排出、基底的加热都要比一种或二种覆层用其它装置形成所需的时间短。
这就是说，可以更有效地形成混合层、钨膜和碳膜，并且可以更有效地制造覆碳膜部件。在这种情况下，混合层和钨膜之间的界面，钨膜和碳膜之间的界面不可能跟杂质接触，因而可以生成合适的界面层。
通常用来形成混合层、钨膜和碳膜的真空电弧沉积装置，具备至少二个真空电弧蒸发源，例如包括一个钨阴极(主要含钨的阴极)的第一真空电弧蒸发源和包括一个碳阴极(主要含碳的阴极)的第二真空电弧蒸发源。
如果采用只有一个包括阴极的真空电弧蒸发源的真空电弧沉积装置来形成混合层、钨膜和碳膜，则在形成混合层和钨膜之后，必须将钨阴极更换成碳阴极。如果采用的真空电弧沉积装置具有第一真空电弧蒸发源和第二真空电弧蒸发源，则更换阴极所需的时间就可省下来，因此制造覆碳膜部件更为有效。
为了增加形成混合层和/或钨膜时的沉积速率，真空电弧沉积装置中可以采用二个或多个真空电弧蒸发源，而各个蒸发源都用钨阴极。同样，为了增加形成碳膜时的沉积速率，也可以采用具有二个或多个真空电弧蒸发源，而各个都用碳阴极的真空电弧沉积装置。
在形成混合层、钨膜和碳膜中至少一个层时，采用的真空电弧沉积装置可以是磁过滤器类型的，即至少替一个真空电弧蒸发源装上一个磁过滤器，以避免直径在几个微米到几十微米的粗大颗粒阴极材料附着在基底上。
特别当沉积碳模时，最好采用磁过滤器类型的真空电弧沉积装置，其理由如下：当采用一个包括一个碳阴极的真空电弧源的真空电弧沉积装置形成碳膜时，如果阴极直接正对着基底，粗大的碳颗粒会很容易附着在基底(基底上的钨膜)的表面上。
(3)覆碳膜部件及其制造方法一个实例
现参阅附图说明一个覆碳膜部件及其制造方法的一个实例。图1是一个覆碳膜部件部分截面示意图。
图1所示，一个覆碳膜部件1具有基底11。叠加在基底11至少一部分上的混合层12、钨膜13和碳膜14，它们依次沉积在基底上。
基底11是由铬钼钢制成。混合层12包含构成基底的一种或多种元素和钨(W)。在本例中，该混合层包含铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)以及钨(W)。混合层12的厚度为5nm。钨膜13主要由钨组成，其厚度为50nm。碳膜14为DLC膜，其厚度为500nm。
覆碳膜部件1具有低摩擦和高耐磨性的优异特性，这是因为它的表面上覆有一层高硬度的DLC膜(碳膜)14。DLC膜14和钨膜13之间的附着力、钨膜13和混合层12之间的附着力以及混合层12和基底11之间的附着力都很大。因此，DLC膜14对基底11的附着力也很大。因此，覆碳膜部件1可以长期稳定地维持其低的摩擦和高的耐磨性。
在本例中，DLC膜14是采用真空电弧沉积装置通过真空电弧沉积方法形成的，因此跟等离子化学气相沉积法、溅射法、激光沉积法一类形成方法相比，其含氢量更低。因此，该DLC膜14甚至在高温环境下，也能稳定呈现低摩擦和其它一些特性。
在摩擦低和耐磨性高的覆碳膜部件1中，基底11可以是诸如凸轮、填隙片、气门顶杆、活塞、活塞环等一类发动机零部件，也可以是和其它机械部件，诸如钻头、立铣铣刀、铣刀、切削工具、模子等等。具有这类基底11的覆碳膜部件1可以较佳地用作发动机部件和类似机器的部件、切削部件等等要求具有低摩擦和高耐磨性的部件。
下面将描述覆碳膜部件的制造方法。在本例中，混合层12、钨膜13和DLC膜14都采用具有真空电弧蒸发源的真空电弧沉积装置形成。更具体的说，这三层的膜都采用同一真空电弧沉积装置形成。
图2所示为用来形成混合层12、钨膜13和DLC膜14所采用的真空电弧沉积装置的一个实例的结构示意图。
图2中真空电弧沉积装置AP1是磁过滤器类型装置，它具有一个真空室20、一个磁过滤器5和两个真空电弧蒸发源3和4。
在该真空室20中，有个夹具21用来夹持基底11，供形成DLC膜14或类似膜之用。经由夹持基底11的夹具21，从偏置电压电源22对基底11施加一个负电压。真空室20接地。
真空泵23连接于真空室20。通过真空泵23将真空室20中气体排出。真空室20中的气体压力可以调节至指定范围。供气装置24连接于真空室20。通过供气装置24可向真空室20通入指定的气体。
真空电弧蒸发源3具有一个阴极31、一个电弧发生电源32、一块屏蔽板33和一个触发电极34。阴极31置于真空室20内，正对夹具21，它是用钨制成的。屏蔽板33为环形，围着阴极31。屏蔽板33和阴极31之间有一定空间，使其互相电绝缘。屏蔽板33经过一个电阻器35电连接于真空室20。
图中触发电极34通过一个驱动装置(图中未示)可以左右移动。移动范围是从其尖端跟阴极31接触的一个位置到其尖端与阴极31脱离接触的一个位置。
在电弧发生电源32在阴极31上施加一个负电压的情况下，当触发电极34跟阴极31接触和脱离接触时，就在触发电极34和阴极31之间发生电火花。电弧放电是由电火花触发而成。
作为阴极材料的钨因电弧放电而受热、熔化，蒸发。在阴极31前面(图中阴极31的右边方向)因电弧放电而产生等离子体，在那里蒸发的钨发生部分电离。换言之，在真空电弧蒸发源3中，通过电弧放电可以在阴极31前面产生含有钨离子的等离子体。
装有一个磁过滤器5，它是为了避免真空电弧蒸发源的阴极材料粗大颗粒附着到夹具21所夹持的基底11上。该磁过滤器5有一根弯曲的输送管51，绕在其上的磁线圈52和一个激励磁线圈的电源53。该输送管51连到真空室20。在本例中，该输送管51弯成90度角。输送管51的一个开口端正对着装在真空室20内的夹具21，它的另一开端用端板54盖着。
电源53将直流电压施加在磁线圈52上，由此在该输送管51内，沿着输送管51内壁产生一个磁场。图2中55指的是以这种方式形成的磁场的磁力线。
真空电弧蒸发源4具有一个阴极41、一个阴极夹具42和一个电弧发生电源43。阴极41由碳组成，且经由绝缘材料制成的夹具42固定在输送管51尾端的端板54上。从安置在输送管51尾端上的阴极41的位置上，看不到真空室20内的夹具(基底11由夹具21夹持)，因为它被弯成90度的输送管51的内壁遮住。换言之，输送管51的内壁位于连接阴极41和夹具21一根直线上。
在本例中，端板54也起阳极作用。当端板54(阳极)和阴极41之间从电弧发生电源43施加电弧放电电压之后，在端板54(阳极)和阴极41之间就形成了电弧放电。蒸发源4具有一个触发电极44，供引燃电弧放电之用，如同就蒸发源3所述。
触发电极44经由一只电阻器45连接到端板54。图中触发电极44通过一个驱动装置(图中未示)可以左右移动。移动范围从其尖端跟阴极41接触的一个位置到其尖端脱离接触的一个位置。
在电弧发生电源43在阴极41上施加一个负电压的情况下，当触发电极44跟阴极41接触和脱离接触时，就在触发电极44和阴极41之间发生电火花。电弧放电是由电火花触发而成。作为阴极材料的碳因电弧放电而受热、熔化和蒸发。
在阴极41前面(图中阴极41右边方向)因电弧放电而产生等离子体，在那里蒸发的碳发生部分电离。换言之，在真空电弧蒸发源4中，通过电弧放电可以在阴极41前面(图中阴极41的右边)产生含有碳离子的等离子体。
在前述的真空电弧蒸发装置AP1中，混合层12、钨膜13和DLC膜(碳膜)14可按下面方式沉积到由夹具21夹持的基底11上。在混合层、钨膜和碳膜的形成过程中，夹持基底11的夹具21可以通过一驱动装置(图中未示)带动旋转，从而形成均匀的混合层、钨膜和碳膜。
在沉积膜时，气体(例如包括氮气、氧气等反应性气体的空气)通过真空泵23，从真空室20中排出，使真空室内部成为负压状态，如10-4乇(约为10-2Pa)以下。此后，将氩气等惰性气体由供气装置24通入真空室20，使室内达到1×10-3乇(约为1×10-1Pa)至8×10-3乇(约为8×10-1Pa)的压力，这样就能有利于蒸发源3和蒸发源4中电弧放电的维持。
在形成混合层15时，操作中要使用具有钨阴极31的蒸发源3，而不是蒸发源4。如同前述，通过蒸发源3，在阴极31前面，即在阴极和夹持基底11的夹具21之间产生含有钨离子的等离子体。在此操作中，从偏置电压电源22经由夹具21对基底11施加较高的直流负电压(例如大约DC-400V-DC-2000V)。
由于施加在基底11上的偏置电压，钨离子被吸引到基底11上与其碰撞，此时钨离子向基底11冲击进去。即基底11受到钨离子的轰击，由此在基底11上形成一层含有冲击上去的钨离子的层作为表面层，即形成了含有基底构成元素钨的混合层12。
此后，在维持真空室20内压力的情况下，在混合层12上形成钨膜13。在形成钨膜13时，操作中使用包含钨阴极31的蒸发源3，不使用蒸发源4。在形成钨膜13时，由蒸发源3产生含钨离子的等离子体，此时由偏置电压电源22在基底11上施加一个负电压。
在形成钨膜13时，施加在基底11的直流负电压(例如大约DC-200V)的绝对值要低于形成混合层12时施加的电压(进行轰击过程时)。钨离子被吸向基底11，并且跟基底11发生碰撞，使钨膜13形成在混合层12上。
由于施加在基底11上的偏置电压很低，所以钨离子被抛向基底11的作用(轰击力)很小，钨就累积在混合层12上，在混合层12上形成钨膜13。
随后，在维持真空室20内压力的情况下，在钨膜13上形成DLC膜(碳膜)14。在形成DLC膜14时，操作中使用包含碳阴极41的蒸发源4，不使用蒸发源3。如同上述，通过蒸发源4在阴极41的前面产生含碳离子的等离子体，等离子体在磁线圈52产生的磁场作用下，沿着输送管51传送，导向在真空室20内夹具21夹持的基底11。
在此操作中，由偏置电压电源22在基底11上施加一个负电压。在本例中，施加在基底11上的是脉冲型负偏置电压。例如，此脉冲电压约为-1KV至-10K，频率为5KHz，负荷比约为2％-10％。由于在基底11上所施加偏置电压的作用，等离子体中的碳离子被吸引朝向基底11。由此钨膜13上就形成了DLC膜(碳膜)14。
按下面方法，通过磁过滤器5除去蒸发源4在产生含碳离子的等离子体中生成的阴极构成物质的粗大颗粒(滴状颗粒)，以便阻止粗大颗粒到达真空室20。这些粗大颗粒沿着它起先方向从阴极端笔直前进，因为不带电荷的粗大颗粒不受磁线圈52产生的磁场影响而发生变向。
大多数粗大颗粒跟弯曲输送管51的内壁发生碰撞而不能进入真空室20内。即使粗大颗粒能沿着通向真空室20方向开始移动，但基底11不在该起始方向的直线位置上，因此粗大颗粒不可能附着到基底11上。
采用上述方法形成混合层12、钨膜13和DLC膜14，可以获得下述优点：
采用电弧放电蒸发出阴极材料而形成混合层12，钨膜13和DLC膜14，在沉积速率方面要高于采用等离子体化学气相沉积、溅射法、激光沉积法这些方法，因此产率较高。即使基底形状(如立方体基底)较为复杂，采用真空电弧沉积装置AP1也可以在基底11上形成混合层12、钨膜13和DLC膜14。此外，在较大面积上也可以沉积，操作也较为简便。
混合层12是基底受到轰击过程而形成的，因此混合层12对基底11的附着力有所提高。由于基底11受到轰击过程，基底11可以被溅射且受到加热而得到清洁，因此要形成的钨膜13对混合层12的附着力有所提高。
如前所述，DLC膜(碳膜)14通过真空电弧沉积法形成，跟用等离子化学气相沉积法、溅射法、激光沉积法等方法相比，DLC膜14硬度更高，含氢量更低。由于含氢量更低，DLC膜14甚至在高温环境下能稳定地呈现低摩擦特性。
由于是在基底上施加脉冲型偏置电压时形成DLC膜14，因此DLC膜14的内应力降低，DLC膜1也4具有光滑的表面。
混合层12，钨膜13和DLC膜14这三层都是采用同一真空电弧沉积装置AP1形成的。因此，跟其中一、两个膜用其他装置形成相比，基底的传送，抽真空阶用的时间短。也就是说，能更有效地形成混合层12，钨膜13和碳膜14，提高了产率。
真空电弧沉积装置AP1具有蒸发源3，用来形成混合层12和钨膜13，又具有蒸发源4用来形成DLC膜14。即有两个蒸发源用来使混合层12，钨膜13和DLC膜14能连续形成，而无需在各自蒸发源中更换阴极。由此，可以高产率高效率地形成混合层12、钨膜13和DLC膜14。
由于向形成DLC膜14的蒸发源4提供了磁过滤器5，可以避免构成阴极41物质的粗大颗粒附着在基底11(即其钨膜13)上，由此抑制了DLC膜14表面光滑度的减小，并进一步抑制因其表面附着有粗大颗粒而造成DLC膜14的一部分剥离和开裂。在本实例中，仅为具有碳阴极的蒸发源4提供磁过滤器5，因为该碳阴极最有可能产生粗大颗粒。但也可以为蒸发源3提供该磁过滤器。
(4)碳膜下面的层的材料和厚度的实验
采用不同厚度的钨膜作碳膜下面的层，制造了一些覆碳膜的试样，研究碳膜对基底的附着力。
覆碳膜部件试样的制造方法如下：混合层、钨膜和碳膜(DLC膜)通过上述方法，采用图2所示的真空电弧沉积装置来形成，所用的基底是由SCM415铬钼钢制造的基底。每一层和膜都是在真空室内形成，形成时气体压力条件是如下达到的：先对真空室20内空气抽真空排出，使压力达到1×10-5乇(约1×10-3Pa)，然后引入100标准立方厘米氩气到真空室内，使压力达到5×10-3乇(约1×10-1Pa)。
混合层的形成，是向蒸发源中的钨阴极通以100A(100安培)的电弧电流，并且向基底施加-1000VDC偏置电压，使基底受到轰击过程。钨膜的形成，是向蒸发源中的钨阴极通以80A(80安培)的电弧电流，并且按照真空电弧沉积方法，向基底施加-200VDC偏置电压。DLC膜的形成，是向蒸发源中的碳阴极通以80A(80安培)的电弧电流，并且按照真空电弧沉积方法向基底施加-5KV脉冲型偏置电压，偏置电压的频率为10KHz，负荷比为5％。
其制造了5块覆碳膜部件试样。各试样的钨膜厚度各不相同，分别为5nm、10nm、50nm、100nm和200nm。这些试样的混合层厚度都为10nm，DLC膜厚度都为500nm。从后面叙述中可以得知，混合层厚度为10nm时，获得实验结果好。
制造了覆碳膜部件的下列三种比较试样，用来观察碳膜(DLC膜)对基底的附着力。所有这些比较试样都具有相同材质(SCM415钢)的基底，作为具有钨膜的试样用的基底。
在第一种比较试样里，用钼膜(Mo)代替钨膜作为DLC膜下面的层，混合层则是同此层(Mo膜)相应的混合层。即第一种比较试样的DLC膜和基底之间具有钼膜(Mo)以及含钼和构成基底一种或多种元素的混合层。
第一种比较试样的制造方法跟制造具有钨膜试样方式相同，不同的只是蒸发源中采用钼作为阴极材料，用来形成钼膜以及混合层。
更具体地说，每一个第一种比较试样的混合层都采用让基底经历轰击过程，在像形成具有钨膜试样中形成混合层时相同的沉积条件下形成。每一个第一种比较试样的钼膜都采用真空电弧沉积法，在像形成具有钨膜试样中形成钨膜时相同的沉积条件下形成。每一个第一种比较试样的DLC膜都采用真空电弧沉淀法，在像形成具有钨膜试样中形成DLC膜相同的沉积条件下形成。
四个第一种比较试样的制造条件，要使钼膜厚度分别为5nm、10nm、50nm、100nm。每一个第一种比较试样的混合层厚度都为10nm，DLC膜厚度都为500nm。
在第二种比较试样中，用铬膜(Cr)代替钨膜作DLC膜下面的层，混合层则是同此层(Cr膜)相应的混合层。即第二种比较试样的DLC膜和基底之间具有铬膜以及含铬和构成基底一个(多种)元素的混合层。
第二种比较试样的制造方法跟制造具有钨膜试样方式相同，不同的只是蒸发源中采用铬作为阴极材料，用来形成铬膜以及混合层。更具体地说，每一个第二种比较试样的混合层是让基底经历轰击过程，在像形成具有钨膜的试样中形成混合层时相同的沉积条件下形成。
每一个第二种比较试样的铬膜都采用真空电弧沉积法，在像形成具有钨膜的试样中形成钨膜时相同的沉积条件下形成。
每一个第二种比较试样的DLC膜都采用真空电弧沉积法，在像形成具有钨膜的试样中形成DLC膜时相同的沉积条件下形成。
五个第二种比较试样的制造条件，要使铬膜厚度分别为5nm、10nm、50nm、100nm和200nm。每一个第二种比较试样的混合层厚度都为10nm，DLC膜厚度都为500nm。
第三种比较试样中，DLC膜直接形成在基底上。此DLC膜是通过真空电弧沉积法，在像形成具有钨膜的试样的DLC膜相同沉积条件下成膜。第三种比较试样中DLC膜的厚度为500nm。
每一个试样中的DLC膜对基底的附着力通过洛氏(Rockwell)硬度测试仪，按下列方法进行测定。基底表面上的DLC膜用洛氏硬度测试c所用的压头(锥形金刚石压头)在150kg负载力作用下形成凹陷的印记。DLC膜对基底附着力是以印记周围DLC膜剥离的面积作为测量依据。结果表明，剥离的膜面积越小，DLC膜对基底的附着力越高。
结果列于图3，从图3清楚可见，当DLC膜和基底之间形成钨膜和含钨的混合层时，DLC膜对基底的附着力要高于DLC膜直接形成在基底时的情况。还有一点也很明显，当DLC膜下面的层具有相同厚度时，跟钼膜或铬膜作为下面的层相比，钨膜作如下面的层时DLC膜对基底附着力更高。
进一步可见，当钨膜太厚或太薄时，降低了DLC膜对基底的附着力。钨膜厚度较佳为大于等于5nm，更佳为大于等于10nm。钨膜厚度较佳为小于等于170nm，更佳为小于等于150nm，最佳为小于等于100nm。
(5)混合层厚度实验
制造了一些覆碳膜部件的试样，用以观察不同厚度混合层时，碳膜(DLC膜)对基底的附着力。
制造了6个覆碳膜部件试样。这些试样各不相同，它们的混合层含有钨和构成基底一个(多种)的元素，厚度分别为2nm、5nm、10nm、50nm、100nm和200nm。这些试样中的混合层、钨膜和DLC膜用和前述相同的方法在相同的条件下形成。每一个试样中的基底都是由铬钼钢SCM415制成，其钨膜厚度都为50nm，DLC膜厚度都为500nm。从图3可见，当钨膜厚度为50nm时，DLC膜呈现出对基底优异的附着力。
为作比较之用，也制造了无混合层的试样，即制造了依次沉积钨膜和DLC膜的基底，用以观察DLC膜对基底的附着力。在该比较试样上的钨膜和DLC膜都按前述相同方法、在相同的条件下形成，钨膜厚度都为50nm，DLC膜厚度都为500nm。
按前述相同方式测试每个试样的DLC膜对基底的附着力，由压头(锥形金刚石压头)造成的印记周围DLC膜剥离区的面积作为测量依据。在无混合层的比较试样中，其DLC膜有剥离。在具有混合层的试样中，无论其混合层厚度如何，DLC膜都不剥离。
如上面所述，当采用前面的方法测量时，并未发现由于混合层厚度造成DLC膜对基底附着力的差异。为了找出混合层最佳的厚度范围，对这些试样的DLC膜的附着力如同前述作进一步负载压力测试。
将一块施压件在某一负载压力下与浸在发动机油的基底上的DLC膜接触，并在马达带动下以1042rpm转速(滑动速度1200mm/秒)转动。在操作中，逐渐增加施压件对DLC膜的负载压力(施压件对DLC膜施压时所用的负载压力)时，发现了一个负载压力(kgf/mm2)，此时用来使施压件以上述的转速转动所需的马达转矩达到20(N)或更大。当增加负载压力使得DLC膜剥离时，旋转旋压件所需要马达转矩就大。这就是说，如果DLC膜能牢牢附着在基底而不与基底分离时，即使施加了很大的负载压力使施压件转动的马达的转矩仍然很小。这就表明，测得的负载压力越大，DLC膜对基底的附着力越大。采用的施压件的形状已在JIS-K7218A专利中说明，即为圆柱状，由结构碳钢(S50C)制成。
结果列于图4，图4表明，当包含钨和构成基底的元素的混合层太厚或太薄时，DLC膜对基底附着力都小。从图4还清楚可见，混合层的厚度较佳为大于等于1nm，更佳为大于等于2nm。还进一步可见，混合层厚度较佳为小于等于200nm，更佳为小于等于100nm，最佳为小于等于50nm，最最佳为小于等于10nm。
如上所述，本发明提供了一种覆碳膜部件，在其上面有一层碳膜，该碳膜对基底附着力高，本发明还提供了制造此种覆碳膜部件的方法。根据本发明的制造方法，可以有效形成碳膜和其它类型的膜。
尽管对本发明进行了详细描述与说明，应当清楚理解，那些描述和说明只是例举性的，不能作为限制，本发明的精神与范围仅受附加的权利要求的限制。
附图中符号说明
1：涂碳膜物件
11：基底
12：混合层
13：钨膜
14：碳膜(DLC膜)
AP1：真空电弧沉积装置
20：真空室
21：基底夹具
22：偏置电压电源
23：真空泵
24：供气单元
3，4：真空电弧蒸发源
31，41：阴极
32：电弧发生电源
33：屏蔽板
34：触发电极
35：电阻器
42：阴极夹具
43：电弧发生电源
5：磁过滤器
51：输送管
52：磁线圈
53：电源
54：端板

Claims (11)

1.一种覆碳膜部件，它包括基底；在该基底至少一部分上形成的混合层，它包含构成基底的元素和钨；在该混合层上形成的钨膜；在该钨膜上形成的碳膜。
2.如权利要求1所述的覆碳膜部件，其特征在于，混合层的厚度为小于等于200nm。
3.如权利要求1所述的覆碳膜部件，其特征在于，钨膜的厚度为小于等于170nm。
4.如权利要求1所述的覆碳膜部件，其特征在于，碳膜的厚度为500nm-10μm。
5.如权利要求1所述的覆碳膜部件，其特征在于，基底是由包含铁为主要组份的材料制成。
6.一种制造覆碳膜部件的方法，该覆碳膜部件包括基底；在该基底至少一部分上形成的混合层，它包含构成基底的元素和钨；在该混合层上形成的钨膜；在该钨膜上形成的碳膜方法包含如下步骤：
在基底的至少一部分上形成混合层，此混合层包含构成基底的元素和钨；
在该混合层上形成钨膜；
在该钨膜上形成碳膜；
混合层、钨膜和碳膜中至少有一层是在具有包括阴极在内的真空电弧蒸发源的真空电弧沉积装置中，通过电弧放电所蒸发的阴极材料形成的。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，碳膜是在真空电弧沉积装置中，在基底上施加脉冲型偏置电压的同时，用碳作为阴极材料，采用真空电弧沉积法形成的。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，混合层是在真空电弧沉积装置中，在基底上施加偏置电压的同时，用钨作为阴极材料，对基底进行轰击形成的。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，混合层、钨膜和碳膜都是在同一真空电弧沉积装置内形成的。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，真空电弧沉积装置具有至少两个真空电弧蒸发源，包括第一真空电弧蒸发源，其中具有以钨作为主要组分的阴极，还包括第二真空电弧蒸发源，其中具有以碳作为主要组分的阴级。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，真空电弧沉积装置是一种磁过滤器类型的装置，它对于至少一个真空电弧蒸发源具有一个磁过滤器，用来抑制阴极材料的粗大颗粒附着到基底上。
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