專利名稱：旋塞的閥元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及多層表面涂層，用于需要低摩擦、低磨耗、和 保護性外表面的制造的物品和制品。更特別地，本發(fā)明涉及具有相互 滑動元件的物品，所述滑動元件例如為用于水混合閥的閥元件，具有 包括強化層和外非晶金剛石涂層的表面保護層。
背景技術(shù)：
在某些應(yīng)用中，例如，流體控制閥的閥盤，對于相互滑動的表面 需要的是耐磨的、抗磨的、抗劃傷的，并需要具有較低的摩擦系數(shù)。 一種混合熱和冷水流的控制閥的元件大體上包括固定的盤和可移動的 滑動盤，但是閥盤元件可以是具有密封表面的任意形狀或幾何結(jié)構(gòu)， 所述密封表面包括例如平坦的、球形的、和圓柱形的表面。因此，這 里的術(shù)語"盤"指的是具有匹配表面的任意形狀或幾何結(jié)構(gòu)的閥盤， 其中的匹配表面彼此接合并相互抵靠著滑動以形成防水密封。所述固 定的盤大體上具有熱水入口、冷水入口和混合水出口，而所述可移動 的盤具有類似的結(jié)構(gòu)以及混合室。應(yīng)當理解，所述混合室不必是在盤 中而可以是相鄰結(jié)構(gòu)的一部分?？梢苿拥拈y盤覆蓋固定的閥盤并且可 以在固定閥盤上滑動和/或轉(zhuǎn)動，從而通過調(diào)節(jié)從熱水入口和冷水入口導入的以及經(jīng)過混合水出口排出的熱水和冷水的流速和比例，在混合 室內(nèi)獲得所希望的溫度和流速的混合水。閥盤的匹配密封表面應(yīng)該被 制造為具有足夠的精度以允許兩個密封表面匹配在一起并且形成防水 密封(也就是說，它們必須是共形的，并且足夠光滑以防止液體在密 封表面之間流經(jīng))。所需要的平坦度(對于平坦的盤形狀而言)、或共 形性(對于非平坦的表面)和光滑度在某種程度上取決于有關(guān)的閥結(jié) 構(gòu)和流體，并且通常是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所已知的。然而在彼此滑動接觸 中仍使用匹配密封表面的、其它類型的盤閥，可以只控制一個流體流 或者可以通過不同的結(jié)構(gòu)或端口結(jié)構(gòu)提供混合。固定的閥盤可以例如 是閥體的一體部分。這種類型的控制閥的現(xiàn)有經(jīng)驗已經(jīng)表明，閥盤匹配表面的磨損問 題歸因于固定的和可移動的閥盤彼此相互接觸和彼此相互抵靠滑動的事實(例如參見美國專利公開文獻No. 4935313和No. 4966789)。為了 使磨損問題最小化，這些閥盤通常由燒結(jié)的陶瓷例如氧化鋁(氧化鋁) 制成。盡管氧化鋁閥盤具有良好的耐磨性，但是因為操作力增加，它 們具有不良的摩擦特性，并且在最初涂于閥盤上的潤滑脂磨損和磨掉 之后它們易于變得"粘連"。氧化鋁閥盤對于水流中的(相應(yīng)地)大的 和小的微粒的抗劃傷性和抗磨性是良好的；但是，它們?nèi)砸资艿胶?引起磨損微粒例如沙子的、被污染的水流的損壞；并且在這方面的改 進將是有益的。另外，燒結(jié)的陶瓷閥盤的多孔性使它們在長期不使用 后易于"閉鎖"，這是因為溶于水源中的礦物在匹配表面的重合的空隙 之間沉淀并且結(jié)晶。本發(fā)明的一個目的是提供具有減小的磨損性、改 進的抗劃傷性和抗磨性以及減小摩擦特性的閥盤。另一個目的是提供 非多孔的或降低氣孔率的閥盤以減小在匹配表面之間形成沉淀結(jié)晶的 位置的數(shù)目。優(yōu)選的是，使用這樣一種閥盤材料，例如金屬，它是價格便宜的， 易于研磨和拋光并且是非多孔的。然而，裸金屬閥盤的耐磨性和摩擦 性能通常不適合于滑動密封的應(yīng)用。本發(fā)明的另一個目的是提供由一 種基材為金屬制成的閥盤并且與未涂層的陶瓷閥盤相比，具有改進的 耐磨性、抗劃傷性和抗磨性以及改進的摩擦性能。在現(xiàn)有技術(shù)(例如結(jié)合在此引作參考的美國專利公開文獻No.4707384和No. 4734339)中被公開的是，通過化學氣相沉積(CVD) 在大約800至1000。C的基底溫度被沉積的多晶金剛石涂層可以與不同 材料的粘合層共同被使用，從而提供抗劃傷的并且耐磨的元件。然而， 多晶金剛石膜是已知的具有由各個金剛石顆粒的晶體小平面所致的堅 硬的表面，這在專利公開文獻。84的圖2和3的照片中是顯而易見 的。在本技術(shù)領(lǐng)域所已知的是，在滑動應(yīng)用中拋光這樣的表面從而使 摩擦系數(shù)最小，或者甚至在光滑的基底上沉積多晶金剛石，并然后從 基底上除去膜并且使用膜光滑側(cè)(該側(cè)最初對著基底)而使用原來作 為承載表面的表面。本發(fā)明通過提供多種有利的特征克服了現(xiàn)有技術(shù) 的問題，包括而不限于提供用于滑動應(yīng)用的、光滑的并堅硬的表面， 同時避免了多晶金剛石表面層的困難的和昂貴的后處理。本方法還有 利地使用了基底材料(例如適合的金屬、玻璃、以及復(fù)合的和有機的 材料)，這些基底材料可以不在多晶金剛石的CVD沉積所必需的升高 的溫度被處理。在現(xiàn)有技術(shù)(例如，在這里被結(jié)合作為參考的美國專利公開文獻 No. 6165616)中被公開的還有，工程設(shè)計的中間層可以被使用以減輕 多晶金剛石層中的熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力在以相對高溫的涂層沉積之后 的基底冷卻的過程中產(chǎn)生，并且是由基底與金剛石涂層之間的熱膨脹 系數(shù)之差所致。相當復(fù)雜的工程計算在專利公開文獻'616中被詳述， 以預(yù)確定所希望的中間層成分和厚度。根據(jù)圖1至3，專利公開文獻、16中所公開的使在金剛石層中熱應(yīng)力最小的中間層厚度約為20至 25微米。這么厚的中間層的沉積是昂貴的，這是由于沉積它們所必須 的時間以及所需的高成本的設(shè)備。本發(fā)明還有利地包括但不限于，通 過使用比專利公開文獻'616中所述更薄的中間層而使涂層成本最小 但仍獲得所希望的結(jié)果，并且通過以與現(xiàn)有技術(shù)例如專利公開文獻(616相比相對低的溫度沉積硬表面層，而避免產(chǎn)生需要相當復(fù)雜工 程計算的熱應(yīng)力。在現(xiàn)有技術(shù)(例如，在這里被結(jié)合作為參考的美國專利公開文獻 No. 4935313和No. 4966789，)中被公開的還有，立方晶格碳(cubiccrystallographic lattice carbon)(多晶金剛石)和其它硬材料可以被用 作閥盤上的表面涂層，并且就使閥盤間的摩擦最小而論，表面成分或 表面光潔度彼此不同的成對的相互滑動的閥盤比那些在這些特性上相 同的閥盤是優(yōu)選的。本發(fā)明提供了一個或多個匹配閥盤表面，所述匹 配閥盤表面具有與在諸如水閥的水潤滑或流體濕潤表面應(yīng)用中所公開 的材料相比更低的摩擦系數(shù)，并且允許兩個匹配表面的相同的處理， 從而避免了購買和操作不同類型處理設(shè)備的需要。本發(fā)明還提供但不 限于一個或多個匹配閥盤表面，所述匹配閥盤表面具有與諸如水閥的 水潤滑或流體濕潤表面的應(yīng)用中所公開的材料相比更低的摩擦系數(shù)。 而且，閥盤的兩個匹配滑動表面可以是硬的并且對于含有雜質(zhì)的水流 具有抗磨性，以及允許兩個匹配表面的相同的處理，從而避免了購買 和操作不同類型處理設(shè)備的需要。發(fā)明內(nèi)容一個示意性實施例涉及一種旋塞閥的耐磨元件，該元件包括包含 基質(zhì)材料的基底；以及設(shè)置在所述基底之上的強化層，所述強化層的 量足以提高基底的耐磨性。所述強化層包括以下至少一種材料鉭、鉻、鋯和鎢。所述耐磨元件還包括一層，這一層具有設(shè)置在強化層之上的非晶金剛石，非晶金剛石具有至少大約40%的sp3的鍵結(jié)、至少大 約45 GPa的硬度、以及至少大約400 GPa的彈性模量。另一個示意性實施例涉及一種旋塞，該旋塞包括包含基質(zhì)材料的 第一閥盤；設(shè)置在基質(zhì)材料之上的強化層；以及設(shè)置在強化層之上的 非晶金剛石材料。所述強化層包括以下至少一種材料氮化鉻、碳化 鉭、氮化鉭、氮化鋯、氮化鎢和碳化鎢。非晶金剛石材料的摩擦系數(shù) 低于類金剛石碳，并且硬度高于類金剛石碳。另一個示意性實施例涉及一種旋塞閥盤，包括基底和設(shè)置在基底 之上的材料層，所述材料層包括以下至少一種材料碳化鉭、氮化鉭、 氮化鋯、氮化鉤和碳化鉤。所述閥盤還包括設(shè)置在材料層之上的非晶 金剛石層，非晶金剛石層的硬度高于類金剛石碳，并且具有至少大約 40%的sp3的鍵結(jié)。


圖1示出了采用非晶金剛石層重疊基底的多層結(jié)構(gòu)的閥的一種形式；圖2是本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)的一種形式的詳細視圖； 圖3還示出了具有附加的增強粘合層的另一種多層結(jié)構(gòu)； 圖4是圖2所示的多層結(jié)構(gòu)的另一種形式，其中強化層包括兩層 不同的材料；并且圖5是底基底或?qū)由系耐鈧?cè)非晶石英層的微觀顯微照片。
具體實施方式
本發(fā)明的實施例大體上在附圖中被示出，其中圖1示出了根據(jù)本 發(fā)明具有手柄12的閥10的一種形式。特別地，圖2至4示出了具有 用于閥10的滑動元件20禾n/或固定元件22的基底18的閥10的一部 分，基底18可以包括基質(zhì)材料，其中所述基質(zhì)材料在滑動元件20和 固定元件22中可以是相同的或不同的。在其它的實施例中，元件20、 22之一可以被固定。優(yōu)選地，所述基質(zhì)材料是燒結(jié)的陶瓷或金屬?；|(zhì)材料還可包括 玻璃或玻璃狀材料、金屬陶瓷、聚合材料、復(fù)合材料、諸如鐵鋁金屬 間化合物的金屬間化合物、力學方面適于應(yīng)用的其它材料。例如，金 屬可以包括任何普通的金屬，包括但不限制于，不銹鋼、銅、鋯、鈦、 鋁以及后三種材料的合金。不銹鋼、鈦和鋯以及鋁是最優(yōu)選的金屬， 其中的術(shù)語不銹鋼指的是例如304、 316等的任何型號，及其定制的改 型，并且術(shù)語鈦、鋯和鋁應(yīng)該被理解為包括主要由這些金屬組成的合 金。燒結(jié)的(粉末狀)不銹鋼是優(yōu)選的基底材料，因為它可以經(jīng)濟地 被成型成適用于盤的復(fù)雜的形狀，并且可以經(jīng)濟地被研磨和拋光，從 而獲得匹配的光滑的密封表面。在燒結(jié)的不銹鋼的情況中，"十分密實 的"基底和金屬注?；资莾?yōu)選的。鈦和鋯是優(yōu)選的基質(zhì)材料，因為 它們可以很容易地被氧化或者陽極氧化而形成堅硬的表面層。陶瓷可 以是任何常規(guī)的陶瓷材料，包括但不限于，例如，燒結(jié)的氧化鋁(氧 化鋁)和碳化硅，其中氧化鋁是優(yōu)選的材料。復(fù)合材料可以包括，例 如，任何常規(guī)的金屬陶瓷、纖維加強的環(huán)氧樹脂和聚酰胺、以及碳-碳合成物。玻璃和玻璃狀材料可以包括例如，諸如PyrexTM的硼硅酸鹽玻 璃、以及諸如鋼化層壓玻璃和玻璃陶瓷的材料。玻璃、玻璃狀材料和 金屬陶瓷是優(yōu)選的基底，因為它們可以經(jīng)濟地被成型成適用于盤的復(fù) 雜的形狀，并且可以經(jīng)濟地被研磨和拋光成平坦且光滑的表面。鐵鋁 金屬間化合物應(yīng)該理解為是一種主要由鐵和鋁組成的材料，但還可以 包含少量的其它元素例如鉬、鋯和硼。如圖2所示，強化層23也可以被直接置于基底表面18上。這層 23可包括硬度比基底18更高的材料(但是應(yīng)該理解為根據(jù)其它的示 意性實施例，這一強化層可能不具有比基底高的硬度)。適合于這一強 化層23的材料包括Cr、 Ti、 W、 Ta、以及常規(guī)已知用于硬涂層中的任 何其它金屬的化合物。這些化合物包括但是不限于氮化物、碳化物、 氧化物、碳-氮化合物、以及結(jié)合氮、氧、碳的其它混合相材料。用于強化層23的一種非常優(yōu)選的材料是氮化鉻。本申請中的氮化 鉻最優(yōu)選地指的是鉻和氮的單相或混合相化合物，其中氮含量的范圍 是在大約10至大約50原子百分數(shù)。除了鉻和氮以外，術(shù)語氮化鉻還 指的是包含諸如釔、鈧、鑭的摻雜或合金元素的材料。適合于強化層23的另一種材料是常見的DLC (類金剛石碳)，它 是本技術(shù)領(lǐng)域中已知的非結(jié)晶碳的形式，并且不同于非晶金剛石。DLC 涂層例如在美國專利公開文獻No. 6165616中(其中他們被稱為(a-C) 涂層)被說明。DLC可以通過濺鍍或通過傳統(tǒng)的CVD被沉積。DLC 是一種非晶材料，其大部分為spZ碳鍵結(jié)(sp2 carbon bonding)且少部 分為表現(xiàn)出非晶金剛石特性的四面spS鍵結(jié)(tetrahedral sp3 bonding)。 DLC的硬度基本上低于非晶金剛石的硬度，并且更類似于常規(guī)的硬涂 層材料的硬度，例如氮化鈦和氮化鉻。DLC涂層中的內(nèi)部應(yīng)力也是小 于非晶金剛石涂層的內(nèi)部應(yīng)力，這使DLC被沉積為比非晶金剛石更厚 的層而不降低粘附性。這里所使用的術(shù)語DLC包括氫化形式的材料。根據(jù)另一個示意性實施例，強化層包括含鉭材料，例如碳化鉭 (TaC)、氮化鉭(TaN)、或碳-氮化鉭。將鉅或鉭的化合物用于強化層 的一個優(yōu)點在于當作為金屬使用時鉭表現(xiàn)出優(yōu)良的耐腐蝕性和相對的 延展性。另外，鉭易于形成具有相對高硬度值(9+的莫氏硬度值)的碳化物，所述碳化物對于強化層是期望的，以為基底提供抗劃傷性和 抗磨性。強化層23主要起到增強多層涂層的抗劃傷性和抗磨性的作用。強 化層23的硬度應(yīng)該至少高于基底18的硬度，從而完成它的增強涂層 盤的抗劃傷性的預(yù)期作用。強化層23的厚度至少為足以增強基底18 的抗劃傷性的厚度。對于大體被用作為硬涂層的材料，例如以上所提 到的那些材料，這一厚度通常為從大約500納米至大約IO微米，并且 優(yōu)選地為從大約2000納米至大約5000納米。在旋塞水閥的測試中被 發(fā)現(xiàn)的是，厚度約為5微米的氮化鉻強化層(和薄非晶金剛石頂層一 起)為在市政中和良好的水源中被視為典型的類型和尺寸的雜質(zhì)提供 了足夠的抗劃傷性和抗磨性。在本發(fā)明的一些實施例中，如圖3所示，以及對于圖4的元件22， 薄的粘附促進層21可以被沉積在基底18上，然后強化層23沉積在層 21上。該層21起到增強覆蓋的強化層23與基底18的粘附作用。適 用于粘附促進層21的材料優(yōu)選地包括鉻和鉭，并且還包括鈦、鎢、其 它的難熔金屬、硅、以及在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的適于作為粘附促進層 的其它材料。層21可以利用與強化層23的相同元素材料方便地被制 做。層21具有至少為足以增強或改善強化層23與基底18的粘附性的 厚度。這一厚度大體為從大約5納米至大約200納米，并且最優(yōu)選地 為從大約30納米至大約60納米。粘附促進層21可以通過常規(guī)的氣相 沉積技術(shù)被沉積，包括優(yōu)選的物理氣相沉積(PVD)并且還可以通過 化學氣相沉積(CVD)被沉積。PVD處理是熟知的和常規(guī)的，包括陰極電弧蒸鍍(CAE)、濺鍍和 其它傳統(tǒng)的沉積處理。CVD處理包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)、 等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、和熱學分解方法。PVD和CVD 技術(shù)和設(shè)備在以下文獻等中被公開，J. Vossen和W. Kern "Thin Film Processes II", Academic Press, 1991; R. Boxman et al， "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology", Noyes， 1995; 以及美國專禾U公開 文獻No. 4162954和No. 4591418，這些專利在這里被結(jié)合作為參考。在燒結(jié)的陶瓷材料的情況中，盡管形成燒結(jié)陶瓷的單個顆?？梢跃哂休^高的硬度，但是通過劃痕測試所測得的整個燒結(jié)結(jié)構(gòu)的抗劃傷 性遠低于構(gòu)成顆粒的材料(例如氧化鋁)的抗劃傷性。這是因為，大 體上被用于將氧化鋁顆粒燒結(jié)或結(jié)合在一起的材料，大體上為硅酸鹽，并不像顆粒本身那樣硬。強化層23的硬度近似于或者甚至低于組成陶瓷板的單個顆粒的硬度，但仍然比整個燒結(jié)陶瓷結(jié)構(gòu)硬。通過實驗被發(fā)現(xiàn)，例如，在30牛頓的負載下由指針滑動所造成的劃痕深度在無涂 層的燒結(jié)氧化鋁基底上大約為4至6微米，而在涂有3微米厚的氮化 鉻強化層的同樣的基底上的劃痕深度僅為2至3微米。強化層23可以通過傳統(tǒng)的氣相沉積技術(shù)被形成，包括但不限于濺 鍍、陰極電弧蒸鍍(CAE)、和CVD。最優(yōu)選的方法是濺鍍、CAE、 或者可以在相對低溫下被實施的其它措施，從而使在冷卻后最小化涂 層層疊中的熱應(yīng)力。如果強化層23通過CAE被沉積，則也希望使用 大顆粒(macroparaticle)過濾，從而控制和保護基底18表面的光滑度。 強化層23也可以通過其它已知的形成硬涂層的方法被形成，例如噴霧 熱解(spray pyrolysis)、溶膠-凝膠技術(shù)(sol-gel technique)、具有后續(xù) 熱處理的液體浸漬、納米加工方法、原子層沉積方法、以及分子層沉 積方法。強化層23可選擇地可以通過在基底的基質(zhì)材料上制作出硬化表 面層的處理方法被形成。例如，這些處理方法包括熱氧化、等離子氮 化、離子注入、化學和電化學表面處理例如化學轉(zhuǎn)化涂層、包括加硬 陽極氧化和傳統(tǒng)的后處理的陽極氧化、微電弧氧化和表面硬化。強化 層23還可以包括如圖4所示的多層24和25，其中層24和25共同形 成了強化層23。例如，層24可以是在基底的基質(zhì)材料上熱學生長的 氧化物，而層25是諸如CrN的沉積材料。強化層23還可以包括多于 兩層，并且優(yōu)選地例如包括具有大量非常薄的交替層的超晶格型涂層。 這種多層或者超晶格形式的強化層23還可包括一層或多層的非晶金 剛石。在圖1至4的多層結(jié)構(gòu)中，非晶金剛石層30被沉積在強化層23 上而形成外表面層。非晶金剛石層30的作用是在滑動元件上提供極其 耐磨損的和潤滑的上表面。非晶金剛石是本技術(shù)領(lǐng)域所已知的非結(jié)晶碳的一種形式，并且有時也指為四面體鍵合非晶碳(tetrahedrally-bonded amorphous carbon ) (taC )。它的特點是具有至少 40%的sp3碳鍵結(jié)，至少45 gigaPascal (GPa)的硬度以及至少400 gigaPascal的彈性模量。非晶金剛石材料在美國專利公開文獻No. 5799549和No. 5992268中被描述，這兩篇文獻在這里被結(jié)合作為參考。 非晶金剛石層30可以被實施的處理包括，例如，傳統(tǒng)的過濾陰極電弧 蒸鍍和激光燒蝕(laser ablation)。這里所使用的術(shù)語非晶金剛石包括 各種形式的taC型碳，也可以包括摻雜的或合金的元素例如氮和金屬， 并且還包括含有非晶金剛石的納米結(jié)構(gòu)材料。這里的納米結(jié)構(gòu)材料指 的是具有納米或數(shù)十納米大小結(jié)構(gòu)特征的材料，包括但不限于超晶格 型。非晶金剛石層30的厚度至少為高效提供改進的滑動元件抗磨和 耐磨性的數(shù)值。這一厚度大體為至少大約100納米，優(yōu)選地為至少大 約200納米并且更優(yōu)選地為至少大約300納米。層30上部的厚度范圍 由材料特性、經(jīng)濟因素和以下所討論的使層30內(nèi)隨厚度變化的內(nèi)應(yīng)力 最小化的需求而定。同樣，非晶金剛石層30有利地展現(xiàn)出極其光滑的 表面形貌，可以參見圖5的照片，主要因為在非晶涂層內(nèi)沒有單個金 剛石顆粒。另外，薄的非晶金剛石層30的表面形貌基本上復(fù)制了層 30被沉積在上面的次表面的表面形貌，所以非晶金剛石層30基本上 具有與次表面相同程度的平均表面粗糙度。石墨夾雜物，可見于圖5 中的光斑，不利于表面粗糙度，如這里所用的術(shù)語，因為當滑動表面 被接觸時，它們是很柔軟的并可以被減少成潤滑粉末。非晶金剛石具 有其它的優(yōu)點，即它可以以比多晶金剛石低的溫度(大體在大約250 。C以下)被沉積，因此不考慮厚度的需求，在現(xiàn)有技術(shù)中(參見，例 如美國專利公開文獻No. 6165616)所公開的工程設(shè)計的中間層用來釋 放金剛石層中的熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力在以高溫特性的CVD沉積之后的 冷卻過程中出現(xiàn)，并且這是由在基底與金剛石涂層之間的熱膨脹系數(shù) 的差異引起的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于由低的沉積溫度形成的非晶金剛石膜， 專利文獻'616中所公開的用于確定它的熱應(yīng)力減小的中間層的厚度 的計算形式是不必要的。非晶金剛石的一個特征在于，它改進了較高的固有(非由熱引起 的)內(nèi)應(yīng)力，所述內(nèi)應(yīng)力隨涂層厚度增加而增大，并且主要是與原子 鍵結(jié)變形有關(guān)而不是與熱膨脹/收縮有關(guān)。雖然這種固有的應(yīng)力被認為 有助于材料的高硬度，但是它也限制了涂層厚度，因為引起應(yīng)力的力易于導致涂層在一定厚度之上從基底18 (或強化層23)的脫層。盡管 非晶金剛石可以被直接沉積在金屬、玻璃或鐵鋁金屬間化合物盤上(可 選地具有粘合層)，但是很難沉積足夠厚的層，以為水閥應(yīng)用提供足夠 的抗劃傷性?？箘潅允侵匾?，因為水源有時含有由管道裂縫、構(gòu) 造等所致的粗糙的雜質(zhì)。本發(fā)明附加的強化層23為非晶金剛石層30 與基底材料相比提供了更好的支承，有利地允許較薄的非晶金剛石層 被使用，而仍獲得改進的抗劃傷性和抗磨性。強化層23也可以被選為 一種具有較高沉積率的和/或比沉積非晶金剛石層30便宜的材料，從 而使整體涂層的成本最小化同時維持性能。在最優(yōu)選的實施例中，對 非晶金剛石層30的大約1至2微米的厚度上限可以被使用，以避免應(yīng) 力引起的脫層，而由于經(jīng)濟原因所希望的是，最大厚度約為800納米， 并且更優(yōu)選的約為300至500納米，同時仍獲得期望的性能特性。非晶金剛石很適合水閥應(yīng)用中的濕式滑動應(yīng)用。特別地，已經(jīng)示 出在兩個滑動表面被涂有非晶金剛石的水潤滑的滑動測試中，具有非 常低的摩擦系數(shù)還有極小的磨損。相反，DLC涂層是已知具有較高的 摩擦系數(shù)和較高的磨耗率，并且隨著增大濕度摩擦性能變差。非晶金 剛石的另一個優(yōu)點在于，相對較低的沉積溫度允許基底材料的更廣泛 的選擇并且最小化或消除基底的持久的熱變形。關(guān)于據(jù)在水潤滑的滑動測試中報告的非晶金剛石涂層的低摩擦系 數(shù)，應(yīng)當認為，這可以至少部分歸因于通過一些方法制成的非晶金剛 石涂層中所包含的石墨的夾雜物(通常稱為大顆粒)。這樣的石墨的夾 雜物可能大量存在于通過陰極電弧蒸鍍所沉積的碳涂層中，取決于選 擇的靶材料和如下所述大顆粒過濾方式的使用。這些石墨的夾雜物不 會因為它們的柔軟度和它們所在的整個表面的小的部分而降低非晶金 剛石涂層的性能。實際上，應(yīng)當認為，它們可以通過增大滑動盤之間 的潤滑保持力來提高性能。在美國專利公開文獻No. 5401543 (在這里被結(jié)合作為參考)中所 公開的是，基本上無大顆粒的非晶金剛石涂層可以通過從玻璃狀的碳 或熱解石墨陰極通過陰極電弧蒸鍍被沉積。在這樣的涂層中的大顆粒 (石墨的夾雜物)的最大密度，根據(jù)從所公開的照片圖像的面積大小 和大顆粒的數(shù)目計算，為每平方毫米大約200個大顆粒。這種無大顆 粒的非晶金剛石涂層可以被用作本發(fā)明中的層30，但是不及那些被從 普通的石墨陰極上沉積的并且含有大量石墨的夾雜物的層優(yōu)選，例如 后者，至少每平方毫米大約500個大顆粒。它們是較小程度上優(yōu)選的， 還因為所要求的玻璃狀碳或熱解石墨陰極與普通的石墨相比是十分昂 貴的。被混入通過從普通的石墨陰極通過過濾電弧蒸鍍被沉積的涂層中 的石墨的夾雜物40 (參見圖4示意性示出了它們)的數(shù)目，根據(jù)本發(fā) 明可以通過選擇過濾器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)被控制，從而允許預(yù)期數(shù)目 的大顆粒通過源被傳送。影響大顆粒通過過濾器的傳送的因素例如在 美國專利公開文獻No. 5840163中被討論，該專利文獻在這里被結(jié)合 作為參考。過濾器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)傳統(tǒng)地被選擇為使通過源被傳送 的大顆粒數(shù)目最小，然而這種選擇通常也減少了碳離子的(所希望的) 輸出量并且因此降低了沉積率。與這一慣例相反，我們發(fā)現(xiàn)這樣是優(yōu) 選的，即為了使涂層的成本最小而選擇過濾器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，以 便使源的碳離子的輸出量最大(也就是沉積率)，而不超出混入涂層的 石墨的夾雜物的最大容許數(shù)目。夾雜物的最大容許數(shù)目是這樣的，即 超出這個數(shù)目所涂部分的性能將會由于夾雜物所在的表面區(qū)域增大的 摩擦而變壞得不可接受。關(guān)鍵的性能因素包括工作流體的非滲漏率、 滑動摩擦系數(shù)、抗劃傷和磨損性、以及抗磨壽命。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，石 墨的夾雜物的表面密度基本上高于500/mn^是可容許的，并且如上所 述是有利的。非晶金剛石層30與氮化物形式的強化層23的粘合在一些情況中 可以通過以下方式被改進，在強化層23的沉積結(jié)束的一小段時間內(nèi)， 引入含碳氣體例如甲垸。這在強化層23和非晶金剛石層30之間形成 了碳-氮和/或碳化物材料的薄的過渡區(qū)。在其它的情況中，這種粘合可以通過以下方式被改進，在強化層23的沉積結(jié)束的一小段時間內(nèi)，斷 開所有的反應(yīng)氣體。這在強化層23和非晶金剛石層30之間形成了薄 的金屬層。還應(yīng)該指出的是，在非晶金剛石層30的過濾電弧蒸鍍過程 中甲烷的引入增加了涂層的沉積率，并且還可以提高涂層的硬度和抗 劃傷性。另外在其它的情況中，例如非晶金剛石層30被沉積在熱學氧 化的金屬表面上的情況中，希望在強化層23與非晶金剛石層30之間 沉積單獨的粘附促進層21。適合于粘合層21的材料包括例如耐熱的 碳化物形式的金屬，例如Ti、 Ta和W;以及諸如Cr的不同的過渡金 屬；并且還可以包括那些金屬的碳化物。為了本發(fā)明可以更容易地被理解，下面的實施例被給出。這些實 施例是說明性的并且不將本發(fā)明限制于所描述的特點。實施例1干凈的不銹鋼閥盤被置于包括電弧蒸鍍陰極和濺鍍陰極的真空沉 積室中。電弧源配備有過濾裝置以減少混入涂層的大顆粒，例如在美 國專利公開文獻No. 5480527和5840163中所述，它們在這里被結(jié)合 作為參考。氬源和氮源通過集管被連接至室，其中集管具有調(diào)節(jié)閥以 控制每種氣體進入室的流速。濺鍍陰極連接在DC電源的負輸出上。 電源的正極被連接在室壁上。陰極材料是鉻。閥盤被置于陰極前側(cè)， 并且在沉積過程中可以被旋轉(zhuǎn)或以其它方式移動以保證均勻的涂層厚 度。閥盤與室是電絕緣的，并且通過它們的安裝支架被連接在電源的 負輸出上，以致于在涂層過程中偏壓可以被施加在基底上。在沉積之前，真空室被抽空至2X10e-5 Torr或更低的壓力。然 后氬氣以足以維持大約25 milliTorr壓力的速度被引入。接著閥盤承受 輝光放電等離子體清潔，其中大約500伏的負偏壓被施加在支架和閥 盤上。清潔的持續(xù)時間大約為5分鐘。然后，厚度約為20納米的鉻層通過濺鍍的方式被沉積在閥盤上。 在鉻粘合層被沉積后，厚度約為3微米的氮化鉻強化層通過反應(yīng)濺鍍 的方式被沉積。在氮化鉻層被沉積之后，閥盤對著電弧源被放置，并且通過將電 弧打在碳電極上并且使基底暴露于碳等離子體排出源出口，沉積厚度約為300納米的頂側(cè)非晶金剛石層。大約500伏的負DC偏壓最初被 施加在基底上，以為表面清潔和粘合的改進提供高能量的離子轟擊。 在大約5分鐘的高偏壓之后，在沉積處理的剩余時間里偏壓被降低到 大約50伏。在沉積過程中在室內(nèi)0.5milliToir的氬氣壓力被保持。脈 沖或AC偏壓可以可選擇地被使用，并且較多或較少的氬氣也可以被 保持從而穩(wěn)定電弧源操作和使涂層性能最優(yōu)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，由不銹鋼制成的并且根據(jù)以上實施例涂層的閥盤 在含有20微米硅質(zhì)砂的循環(huán)水中能夠經(jīng)受住多于15000個測試周期， 而標準的未涂層的鋁閥盤在相同的條件下經(jīng)受不到2500個周期。實施例2干凈的鋯閥盤被放入空氣爐中，被加熱到56(TC的溫度，在這一 溫度保持大約6小時，然后被冷卻。從而氧化鋯強化層被形成于基底 表面上，具有5至10微米的厚度。然后，閥盤被放入包括過濾電弧蒸 鍍陰極和濺鍍陰極的真空沉積室中。厚度約為20納米的鉻粘合層通過 實施例1中所述的濺鍍的方式被沉積在閥盤上。在鉻粘合層被沉積之 后，非晶金剛石層如實施例1中所述被沉積。由鋯制成的并且如所述被處理而在表面上形成多層結(jié)構(gòu)的閥盤進 行抗劃傷性測試，使用具有可變負載的劃痕測試器。由半徑為100微 米的指針尖在3牛頓的負載下在處理過的Zr閥盤上所產(chǎn)生的劃痕深度 約為4.7微米，而在未處理過的Zr闊盤上的劃痕深度約為9.5微米或 大于兩倍深。劃痕測試性能在應(yīng)用領(lǐng)域中被認為是抗劃傷性和抗磨性 的相對的指示。實施例3干凈的成型玻璃閥盤被置于包括激光燒蝕源、PECVD源、以及濺 鍍陰極的真空沉積室中。閥盤通過已知的裝置經(jīng)受RF (射頻)放電等 離子體清潔處理。然后，厚度約為20納米的鈦粘合層通過濺鍍的方式 被沉積在閥盤上。然后，厚度約為3微米的DLC強化層通過PECVD 利用己知的沉積參數(shù)被沉積在粘合層的頂部上。然后，厚度約為300 納米的非晶金剛石層通過激光燒蝕利用典型的沉積參數(shù)被沉積在DLC 層的頂部上。實施例4干凈的不銹鋼閥盤被置于包括過濾電弧蒸鍍源和濺鍍陰極的真空 室中。根據(jù)已知的參數(shù)，室被抽空，氮氣被導入，在閥盤與室壁之間 建立等離子體放電，并且閥盤表面被等離子氮化處理。氮擴散到不銹 鋼基底中，以形成比整體基底硬的表面層，并且這一處理被持續(xù)一段時間，足以使層的深度達到大約2微米。然后，由氮化碳和氮化鋯的 多個交替層組成的超晶格結(jié)構(gòu)分別通過過濾電弧蒸鍍和濺鍍的方式被 沉積在氮化不銹鋼表面上。交替的各層約為IO納米厚，并且每種材料 的大約100層被沉積，而整個的超晶格結(jié)構(gòu)的厚度約為2微米。碳氮 層中的氮碳比例優(yōu)選地為大約1.3，因為具有這種N: C比的氮化碳+ 氮化鋯的超晶格結(jié)構(gòu)顯示出主要具有spS鍵合的碳和50 gigaPascal范 圍內(nèi)的硬度。這里所使用的氮化碳是指N:C比在大約0.1與1.5之間的 材料。大量的薄膜可以方便地通過以下方式被沉積，將基底安裝在旋轉(zhuǎn) 筒體上，從而基底首先通過一個沉積源并然后另一個的前側(cè)，從而在 筒體每次旋轉(zhuǎn)的過程中一對層被沉積。整個的強化層厚度約為4微米， 包括等離子氮化的不銹鋼層。然后，厚度約為200納米的非晶金剛石 層通過實施例1中所述過濾電弧蒸鍍的方式被沉積在超晶格層的頂部 上。閱讀本申請公開內(nèi)容的人應(yīng)該理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)各種組合是 可行的。例如，根據(jù)一個示意性實施例，由氧化鋁或其它適合的材料 形成的閥盤可以被涂有第一鉻層和第二氮化鉻層，此后非晶金剛石層 可以被鍍在上面。根據(jù)另一個示意性實施例，在由氧化鋁或其它適合 的材料形成的閥盤上可以設(shè)置有第一鉭層，此后碳化鉭或碳-氮化鉭層 可以在非晶金剛石層的施加之前被設(shè)置。在優(yōu)選的和其它的示意性實施例中所示的元件的組成和結(jié)構(gòu)僅僅 是說明性的。盡管在這說明書中僅僅幾個實施例被詳細地描述，但是 研究了說明書的那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該容易理解，在實質(zhì)上沒有 脫離這里所敘述的主旨的獨創(chuàng)方法和優(yōu)點前提下， 一些改型是可以的 (例如，不同的元件的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和比例、參數(shù)值、材料的使用等方面的變化)。例如，旋塞，在包含在組件中的僅一個或兩 個閥盤上包括非晶金剛石涂層。任何處理或方法步驟順序或次序可以 根據(jù)可選實施例被變化或重新排序。在不脫離本發(fā)明的范圍下，其它 的替換、改型、改變和刪節(jié)可以在優(yōu)選的和其它的示意性實施例的結(jié) 構(gòu)、操作條件和設(shè)置中被實施。
權(quán)利要求
1、一種旋塞閥的耐磨閥元件，包括包含基質(zhì)材料的基底；設(shè)置在所述基底之上的強化層，其量足以改進所述基底的耐磨性，所述強化層包含以下材料中的至少一種鉭、鉻、鋯和鎢；以及設(shè)置在所述強化層之上的包含非晶金剛石的層，所述非晶金剛石具有至少大約40％的sp3的鍵結(jié)、至少大約45GPa的硬度、以及至少大約400GPa的彈性模量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述非晶金剛石 層的摩擦系數(shù)低于類金剛石碳，并且硬度高于類金剛石碳。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述強化層包括 氮化鉻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述強化層包括 以下材料之一碳化鉭、氮化鉭、氮化鋯、氮化鎢和碳化鎢。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的閥元件，其特征在于，所述強化層包括鉭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述強化層的硬 度高于所述基底。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述基底包括以 下材料之一不銹鋼、鋁、銅、鈦、鋯、玻璃、金屬陶瓷、陶瓷、含 有玻璃的材料、聚合材料和復(fù)合材料。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述基底包括氧 化鋁。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥元件，其特征在于，所述包含非晶金 剛石的層的厚度小于大約IO微米。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的所述閥元件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述第一層材料與所述第二層材料之間的粘附促進層。
11、 一種旋塞，包括 包含基質(zhì)材料的第一閥盤；設(shè)置在所述基質(zhì)材料之上的強化層，所述強化層包含以下至少一 種材料氮化鉻、碳化鉭、氮化鉭、氮化鋯、氮化鎢和碳化鎢；以及設(shè)置在所述強化層之上的非晶金剛石材料，所述非晶金剛石材料 的摩擦系數(shù)低于類金剛石碳，并且硬度高于類金剛石碳。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，所述非晶金剛石 材料具有至少大約40%的s^的鍵結(jié)、至少大約45 GPa的硬度、以及 高于大約400 GPa的彈性模量。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，所述非晶金剛石 材料主要包括碳。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，所述強化層包括鉭。
15、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，所述基質(zhì)材料選 自以下材料不銹鋼、鋁、銅、鈦、鋯、玻璃、金屬陶瓷、含有玻璃 的材料、聚合材料和復(fù)合材料。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的旋塞，其特征在于，所述基質(zhì)材料包 括氧化鋁。
17、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，所述非晶金剛石 材料的厚度小于大約IO微米。
18、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，還包括設(shè)置在所 述強化層與所述非晶金剛石材料之間的材料層。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的旋塞，其特征在于，設(shè)置在所述強化 層與所述非晶金剛石材料之間的所述材料層包括以下至少一種材料 鉻、鈦、鎢和硅。
20、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的旋塞，其特征在于，還包括第二閥盤，在所述第二閥盤上設(shè)有非晶金剛石材料，所述第二閥盤設(shè)置成與所述 第一閥盤接觸。
21、 一種旋塞閥盤，包括 基底；設(shè)置在所述基底之上的材料層，所述材料層包括以下至少一種材料碳化鉭、氮化鉭、氮化鋯、氮化鎢和碳化鎢；以及設(shè)置在所述材料層之上的非晶金剛石層，所述非晶金剛石層的硬度大于類金剛石碳，并且具有至少大約40%的sp3的鍵結(jié)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，所述非晶金 剛石層具有至少大約45 GPa的硬度以及至少大約400 GPa的彈性模
23、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，所述非晶金 剛石層的摩擦系數(shù)低于類金剛石碳。
24、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，所述基底包 括燒結(jié)陶瓷和金屬中的至少一種。
25、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，所述基底包 括氧化鋁。
26、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，所述材料層 的厚度大約是在2000納米與5000納米之間。
27、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋塞閥盤，其特征在于，還包括設(shè)置 成與所述基底接觸的粘附促進層，并且所述粘附促進層包括以下至少 一種材料鉻、鈦、鎢和硅。
全文摘要
一種旋塞閥的耐磨元件包括由一種基質(zhì)材料組成的基底和被提供在基底之上的強化層，這一強化層旨在足以提高基底的耐磨性。所述強化層具有至少一種選自以下組合的材料，包括鉭，鉻，鋯，和鎢。所述耐磨元件還包括一層，這一層具有提供于強化層之上的非晶金剛石，非晶金剛石具有至少大約40％的sp³的鍵結(jié)，至少大約45GPa的硬度，以及至少大約400GPa的彈性模量。
文檔編號F16K25/00GK101285535SQ200810090600
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月9日
發(fā)明者D·S·里士滿, K·布倫杜姆, K·托馬斯, P·B·約恩特, R·P·韋爾蒂 申請人:蒸汽技術(shù)公司