CN1729368A - 具有多个表面层的阀部件 - Google Patents

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Abstract

一种滑动部件，特别是一种盘片阀板。所述滑动部件包括一多层表面结构，所述结构包括一层强化层和一层非晶金刚石顶层，所述强化层比基底材料要硬。

Description

具有多个表面层的阀部件
技术领域
本发明总的来说涉及一种多层表面涂层，所述涂层用于需要低摩擦、低磨损以及保护性外层的制品和产品。更特别地，本发明涉及一种具有相互滑动部件、具有表面保护层的工件，所述滑动部件例如为用于水混合阀的阀部件，所述表面保护层包括一层强化层和一层外部非晶金刚石涂层。
背景技术
在某些应用中，例如用于流体控制阀的阀板，需要耐磨、抗磨蚀、抗刮并具有低摩擦系数的相互滑动的表面。尽管所述板元件可为任意外形或形状，但一种用于使热水流和冷水流混合的控制阀元件通常包括一静止盘片和一可移动的滑动盘片，所述板元件具有一密封面，所述密封面包括例如扁平的、球形的以及圆柱表面。因此，在此术语“盘片(disk)”是指任意外形和形状的阀板，其具有配合表面，所述表面相互配合和滑动从而形成不透流体的密封。静止盘片通常具有一个热水入口，一个冷水入口以及一个混合水排放口，而可移动的盘片包括相似的特征和一个混合室。应该理解的是，所述混合室不必位于所述盘片内，但可以是一个毗邻结构的一部分。所述可移动的盘片叠盖住所述静止盘片，并可在所述静止盘片上滑动和/或旋转，从而通过调节流量以及热水和冷水的比例，在所述混合室获得期望温度的混合水和流量，所述水从热水入口和冷水入口进入并通过混合水排放口排放。盘片配合密封面应该制造成具有足够的精度，从而使得两个密封面配合在一起并形成不透流体的密封(即它们必须是共形的(conformal)并足够光滑，从而阻止流体从密封面之间通过)。所需要的平面度(对平板形状而言)，或者共形性(对于非平表面而言)以及光滑度有点取决于阀的结构和有关流体，且其在工业中通常是公知的。仍然使用彼此滑动接触的配合密封面的其它类型盘片阀通过不同结构或端口配置可只控制一个液流或者提供混合。例如所述静止盘片可为与所述阀主体制成一体的一个部分。
以前使用这种类型控制阀的经验已经说明，由于所述静止和可移动盘片彼此相互接触和滑动而存有所述盘片配合表面的磨损问题(例如参见USPNs4935313和4,966,789)。为了最小化所述磨损问题，所述阀盘片通常由烧结陶瓷例如矾土(氧化铝)制成。尽管矾土盘片具有良好的耐磨性，但是其却由于操作力增加而具有不合乎要求的摩擦特性，且在起初施加给所述盘片的润滑脂损耗和冲洗掉之后，其易于变得发“粘”。矾土板对于水流中大和小颗粒(各自)的抗刮和抗磨性是很好的，但是它们仍然容易受到来自污染水流的损害，所述水流含有磨损性颗粒例如沙子，在这一方面上进行改进是有利的。此外，烧结陶瓷盘片的多孔性使其在长期不使用期间，有“锁死”的倾向，这是由于溶解在供水中的矿物在配合表面的重合孔道之间形成沉淀和结晶。本发明的一个目的在于提供具有降低的磨损性、提高的抗刮性和抗磨性以及降低的摩擦特性的盘片。另一个目的在于提供无孔或孔隙率降低的阀盘片从而减少在配合表面之间形成沉积晶体的位置的数目。
特别地，将烧结陶瓷打磨和抛光达到共形以及充分密封的光滑程度相对困难和昂贵(由于其硬度)。将一种材料例如金属用于所述盘片是有利的，所述材料价格低廉、易于打磨和抛光且无孔。但是，裸露金属盘片的耐磨性和摩擦性能通常不适于滑动密封应用。本发明还一个目的在于提供一种由金属基底材料制成的盘片，同未涂覆的陶瓷盘片相比，所述盘片具有增强的耐磨、抗刮、抗磨蚀以及增强的摩擦性能。
在现有技术(例如US4,707,384和US4,734,339，在此对其参考引用)中公开了可将多晶金刚石涂层同各种材料的磨蚀层结合使用以提供抗刮和耐磨部件，所述多晶金刚石涂层在基底温度大约为800-1000℃时，通过化学气相沉积(CVD)法沉积。但是，如在专利’384的图2和3中的照片所示，公知多晶金刚石膜由于各个金刚石颗粒的晶面而具有粗糙表面。在滑动应用时，为了最小化摩擦系数，本领域公知将这种表面抛光，或者甚至在光滑基底上沉积所述多晶金刚石，然后从所述基底移去所述膜并将所述膜(其先前靠着所述基底)的光滑面，而不是原始表面用作支承面。本发明通过提供许多有利特征来克服现有技术的问题，其包括但不局限为提供一种用于滑动应用的、光滑且很硬的表面，同时避免困难和昂贵的多晶金刚石表面层的后处理。所述方法还有利地使用基底材料(例如适宜的金属、玻璃以及复合和有机材料)，所述材料不能在为多晶金刚石的CVD沉积所需的升高温度下进行处理。
在现有技术(例如US6,165,616，在此对其参考引用)中也公开可使用工程的中间层来降低在多晶金刚石层中的热诱导应力。所述热诱导应力在较高的温度下沉积涂层之后，在基底冷却期间产生，以及由于基底和金刚石涂层之间热膨胀系数的不同而产生。在’616中说明了相当复杂的工程计算从而预定所期望的中间层的构成与厚度。根据图1-3，在’616中公开的用以最小化所述金刚石层中热诱导应力的中间层厚度为20-25微米。由于需要沉积所述中间层必需的时间和高成本的设备，所以沉积这种厚度的中间层很昂贵。本发明还有利地包括但不局限，为通过使用与’616中教导的层相比薄很多的中间层，最小化所述涂层成本但仍然达到期望的结果，与现有技术如专利’616相比，本发明通过在相对低温下沉积一层坚硬的表面层，来避免形成需要这种复杂工程计算的热诱导应力。
在现有技术(例如US4,935,313和US4,966,789，在此对其参考引用)中还公开可将体心立方晶格(多晶金刚石)和其它坚硬材料用作阀盘片上的表面涂层，关于最小化所述板之间的摩擦，在表面成份或表面精加工上彼此不同的、成对相互滑动的阀盘片优于在所述特性上相同的阀盘片。本发明提供配合的阀盘片表面，与在水润滑或流体润湿表面应用中例如水阀中公开的材料相比，所述表面具有较低的摩擦系数，为了避免需要购买和操作不同类型加工设备，本发明对两个配合表面提供等同加工。本发明进一步但不局限于提供一种配合阀盘片表面，与在水润滑或流体润湿表面应用中例如水阀中公开的材料相比，所述表面具有较低的摩擦系数。此外，所述盘片的两个配合滑动表面可很硬且对污染水流具有抗磨性，为了避免购买和操作不同类型加工设备的需要，本发明对两个配合表面提供等同加工。
发明内容
本发明提供一种部件，所述部件具有一耐磨、抗刮、抗磨以及低摩擦的表面。更特别地，本发明提供一种部件，所述部件具有一多层结构，所述结构包括一层薄强化层和一层沉积在所述强化层上的薄非晶金刚石耐磨和摩擦降低层，所述强化层比基底材料具有更高的硬度。所述非晶金刚石层提供一低摩擦、耐磨和抗磨蚀密封面，所述表面在水润滑或流体润湿应用中具有特别的优势。结合一强化层来支承顶部非晶金刚石层，同单独使用一非晶金刚石层相比，提供了更好的抗刮和抗磨性，并允许使用一更薄的非晶金刚石层。所述强化层特别用于避免由卡在所述配合面之间的大颗粒带来的问题，由于下面更柔软基底的塑性变形，所述颗粒可使所述薄金刚石涂层裂开。
附图说明
图1是一种形式的阀，所述阀包括多层结构，其在基底上具有一层非晶金刚石层；
图2是本发明一种形式的多层结构的详图；
图3说明了另一种多层结构，其具有附加的附着促进层；
图4是图2的多层结构的另一种形式，其中，强化层包括两层不同的材料；以及
图5是外部非晶金刚石层的表面状况的显微照片，所述非晶金刚石层位于下层基底或层之上。
具体实施方式
通常通过附图来说明本发明的实施例，其中，图1显示体现本发明的一种形式的阀10，所述阀具有把手12。特别地，图2-4说明了阀10的一部分，所述阀具有一基底18，所述基底18用于阀10的滑动部件20和/或固定部件22，所述阀10可包括一种基底材料，其中在滑动部件20和固定部件22中，所述基底材料可相同或不同。在另一种实施方案中，部件20，22中的一个可被固定。优选所述基底材料为一种烧结陶瓷或金属。基底材料也可包括玻璃或玻璃质材料、金属陶瓷、聚合材料、复合材料、金属间化合物例如铁铝化物、以及其它机械性适宜所述应用的材料。所述金属包括例如任何常规的金属，所述常规金属包括但不局限为不锈钢、黄铜、锆、钛、铝以及后三种材料的合金。不锈钢、钛、锆和铝为最优选的金属，术语不锈钢是指任意类型的不锈钢例如304、316等及其个别的变体，术语钛、锆和铝被理解为包括主要含有这些金属的合金。烧结(粉末)不锈钢是一种优选的基底材料，因为可将其经济地制型为适宜用于盘片的复杂形状并可将其经济地打磨和抛光形成一种配合光滑密封面。在使用烧结不锈钢的情况下，优选“全致密”基底和金属注模基底。钛和锆为优选的基底材料，这是因为其易于氧化或阳极氧化形成一种坚硬的表面层。陶瓷可为任意常规的陶瓷材料，所述陶瓷材料包括但不局限为例如烧结矾土(氧化铝)和碳化硅，矾土为优选材料。复合材料可包括例如任何常规金属陶瓷、纤维强化的环氧树脂类和聚酰胺以及碳-碳复合材料。玻璃或玻璃质材料可包括例如硼硅玻璃如“PyrexTM”，以及如韧化层压玻璃和玻璃陶瓷的材料。优选玻璃、玻璃质材料以及金属陶瓷为基底是因为可将其经济地制型为适宜用于盘片的复杂形状并可将其经济地打磨和抛光为一种平坦和光滑的表面。将铁铝化物理解为一种主要由铁和铝组成的材料，但所述材料还可包含少量的其它元素如钼、锆和硼。
如图2所示，可将强化层23直接放置在所述基底表面18上。所述层23可包括一种硬度比所述基底18高的材料。用于强化层23的适宜材料可包括Cr、Ti、W、Zr以及任意其它公知用于坚硬涂层的金属的化合物。所述化合物包括但不局限为氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物以及其它包括氮、氧和碳的混合相材料。一种高度优选用于强化层23的材料为氮化铬。在本申请中，氮化铬最优选是指一种单一或混合相的铬和氮的化合物，其氮含量为大约10-大约50原子百分数。术语氮化铬还指一种除铬和氮之外，含有掺杂或合金元素如钇、钪和镧的材料。
适宜用于强化层23的另一种材料为常规的DLC(类金刚石碳)，其是本领域公知的一种不同于非晶金刚石的非结晶碳形式。例如在美国专利6,165,616(其中将之称之为(a-C)涂层)中公开了DLC涂层。可通过溅射或通过常规CVD来沉积DLC涂层。DLC是一种无定形材料，其主要具有sp2碳键和少量用来表征非晶金刚石的四面体sp3键。DLC的硬度比非晶金刚石的硬度低很多，且与常规坚硬涂层材料如氮化钛和氮化铬的硬度更相似。DLC涂层中的内应力也比非晶金刚石涂层的内应力低，这使得同非晶金刚石相比，可将DLC沉积为更厚的层而不损失附着力。用于此处的术语DLC包括所述材料的氢化形式。
强化层的主要功能在于提高多层涂层的抗刮和抗磨性。为了实行其提高所述涂覆盘片抗刮性的预期功能，强化层23的厚度至少应比基底18的硬度大。强化层23的厚度至少为足以提高基底18抗刮性的厚度。对通常用作坚硬涂层的材料如上述材料而言，所述厚度通常为大约500nm到大约10微米，优选为大约2000nm到大约5000nm。在水龙头阀的测试中，对于在自来水和井水源中被认为是典型污染物的类型和大小而言，发现厚度大约为5微米的氮化铬强化层提供了充分的抗刮和抗磨性(结合一层薄的非晶金刚石顶层)。
如图3所示的本发明的一些实施例中和对于图4的部件22而言，可将一层薄的附着促进层21沉积在基底18上，然后将强化层23沉积在层21上。所述层21的功能在于提高下面强化层23对基底18的附着力。用于附着促进层21的适宜材料优选包括铬，也可包括钛、钨、其它耐高温金属、硅以及其它本领域公知的适宜用作附着促进层的材料。使用与选作强化层23的相同的基本材料，可方便的制备所述层21。层21具有至少足以促进或提高层23对基底18的附着力的厚度。所述厚度通常为大约5nm到大约200nm，最优选为大约30nm到大约60nm。可通过常规气相沉积技术来沉积所述附着促进层21，所述技术优选包括物理气相沉积(PVD)，还可通过化学气相沉积(CVD)进行。
PVD工艺是公知和常规的，其包括阴极电弧蒸镀(CAE)、溅射以及其它常规沉积工艺。CVD工艺可包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以及热分解方法。特别在J.Vossen和W.Kern的“Thin Film Processes II”(AcademicPress，1991)、R.Boxman等的“Handbook of Vacuum Arc Science andTechnology”(Noyes，1995)以及美国专利Nos.4,162,954和4,591,418中公开了PVD和CVD技术和设备和其他事项，在此对所述专利进行参考引用。
在使用烧结陶瓷材料的情况下，尽管形成所述烧结材料的单个颗粒可具有很高的硬度，但通过划痕试验测量的整个烧结结构的抗刮性比形成所述颗粒的材料(例如矾土)的抗刮性低很多。这是因为通常用于使矾土颗粒烧结和结合在一起的材料通常为硅酸盐不象颗粒自身一样坚硬。强化层23的硬度可与构成陶瓷盘片的单个颗粒的硬度相似或者甚至比之低，并且仍然比整个烧结陶瓷结构要硬。通过试验已发现，例如在未涂覆烧结矾土基底上，在30牛顿的负荷下，由刻针(半径＝100微米)导致的刮痕深度大约为4-6微米，而涂覆有3微米厚氮化铬强化层的相同基底上，刮痕深度仅为2-3微米。
通过常规气相沉积技术可形成强化层23，所述技术包括但不局限于溅射、阴极电弧蒸镀(CAE)和CVD。最优选的方法是溅射、CAE或者其它可在相对低温下进行的方式，从而在冷却时，最小化涂层叠层中的热诱导应力。如果通过CAE沉积强化层23，为了控制和保护基底18表面的光滑度，期望使用大粒子过滤器。也可通过其它公知的用于形成坚硬涂层的方法来形成所述强化层23，所述方法例如为喷射高温分解、溶胶-凝胶技术、具有后续热处理的液体-浸渍、纳米制造方法、原子层沉积方法以及分子层沉积方法。
选择一种在基底材料上制备硬化表面层的工艺交替形成强化层23。所述工艺包括例如热氧化、等离子体氮化(plasma nitriding)、离子注入(ion implantation)、化学或电化学表面处理例如化学转化镀层、包括硬阳极电镀和常规后处理的阳极电镀、微弧氧化和表面硬化。如图4所示，强化层23也包括多重层24和25，在图4中，层24和25一起形成强化层23。例如，层24可为一种在基底材料上热生长的氧化物，而层25为一种沉积材料例如CrN。强化层23也可包括多于两层的层，可优选包括例如一种超晶格型的涂层，所述涂层具有大量很薄的交替层。这种多层或超晶格形式的强化层23还可包括一层或多层非晶金刚石。
在图1-4的多层结构中，在强化层23上沉积非晶金刚石层30从而形成一层外部表面层。非晶金刚石层30的用途在于在所述滑动部件上提供一个坚硬的、耐磨和光滑的顶面。
非晶金刚石是本领域公知的非晶质碳的一种形式，有时还将其归为呈四面体键的无定形碳(taC)。其特征在于具有至少40％的sp3碳键，至少45千兆帕的硬度和至少400千兆帕的弹性模数。在美国专利号5799549和5992268中公开了一些非晶金刚石材料，在此对其参考引用。可施加非晶金刚石材料层30的工艺包括例如常规过滤阴极电弧蒸镀(filtered cathodic arc evaporation)和激光烧蚀。用于此处的术语非晶金刚石包括taC型碳的所有形式，也可包括掺杂或合金化元素例如氮和金属，还可包括含非晶金刚石的纳米结构材料。纳米结构材料在此意味着具有纳米或几十纳米大小结构特征的材料，所述材料包括但不局限为超晶格结构。
非晶金刚石层30的厚度至少为能为滑动部件有效提供增强的耐磨和抗磨性的值。所述厚度通常为至少大约100nm，优选至少为大约200nm，更优选至少为大约300nm。层30的厚度上限由材料特性、经济考虑以及下述的最小化由厚度决定的在层30中的内应力的需要来决定。如通过参考图5中的照片所看到的一样，非晶金刚石层30有利地呈现一种极其光滑的表面拓扑结构，这主要是因为在无定形涂层中没有单个的金刚石颗粒。此外，所述薄非晶金刚石层30的表面拓扑结构基本上重复表面下的表面拓扑结构，所述非晶金刚石层30沉积在所述下表面上，因此所述非晶金刚石层30与所述下表面具有大体上相同的平均表面粗糙度。在图5中可看见的亮点为石墨杂质，其不会引起所述表面粗糙度，所述表面粗糙度在此用作术语，这是因为石墨杂质很软，当使所述滑动表面接触时，其被减小成有润滑作用的粉末。非晶金刚石还具有一个优点，所述优点为可在比多晶金刚石低很多的温度(通常低大约250℃)下沉积所述非晶金刚石，因此去除了在现有技术(参见例如US6,165,616)中公开的设计厚的工程中间层的需要，所述中间层用以降低所述金刚石层中的热诱导应力。所述热诱导应力在CVD的高温特性下沉积之后的冷却期间产生，并因为所述基底和所述金刚石涂层之间的热膨胀系数不同。我们已经发现对非晶金刚石膜而言，由于低沉积温度，我们发现在专利’616中公开的、用于确定其热诱导应力消除中间层厚度的这种计算不是必需的。
非晶金刚石的一种特征为其导致很高的内在(非热诱导)内应力，当涂层厚度增加时，所述内应力增加，所述内应力主要与原子键的变形而不是与热膨胀/收缩有关。据信所述内应力促进所述材料的高硬度，但由于在一定厚度以上时，应力-诱导力易于使所述涂层从基底18(或者强化层23)上剥离，所以所述内应力也限制了所述涂层的厚度。尽管可将非晶金刚石直接沉积在一种金属、玻璃或者铁铝化物盘片(可选择具有一附着层)上，但对于水阀应用而言，沉积一层足够厚的层来提供足够的抗刮性是困难的。抗刮性是很重要的，这是因为有时候水源由于管线断裂、施工等而含有磨蚀性污染物。与较软的基底材料提供的支承相比，本发明附加的强化层23对非晶金刚石层30提供更好的支承，有利地允许使用更薄的非晶金刚石层，而仍然获得提高的抗刮性和抗磨性。为了在维持性能的同时最小化整个涂层成本，可将所述强化层23选择为一种与非晶金刚石层30相比，具有更大沉积速度和/或沉积更便宜的材料。在最优选的实施方案中，可使用的非晶金刚石层30的厚度上限为大约1-2微米以避免应力诱导剥离，但是由于经济原因，可期望上限厚度为大约800nm，更优选为大约300-500nm，同时仍然达到期望的性能特征。
在水阀应用中，非晶金刚石很适宜用于湿滑应用。特别地，在水润滑滑动试验中，所述非晶金刚石已经显示具有很低的摩擦系数和极低的磨蚀，在所述试验中，两个滑动表面均涂覆有非晶金刚石。相反，公知DLC涂层具有更高的摩擦系数、更高的磨损速度，且随着湿度的增加，摩擦性能恶化。非晶金刚石的另一个优点在于较低的沉积温度容许基底材料的选择范围更宽，且最小化或者消除基底中永久的热诱导变形。
关于在水润滑滑动试验中报导的非晶金刚石的低摩擦系数，认为这可能至少部分是由于石墨杂质(通常称之为大粒子)造成的，所述石墨杂质掺合在通过一些方法制备的非晶金刚石中。取决于所选择的目标材料和下述大粒子过滤装置的使用，在通过阴极电弧蒸镀沉积的碳涂层中，这种石墨杂质可能很多。由于它们的柔软度和它们只占据整个表面积的小部分，这些石墨杂质不会降低非晶金刚石涂层的性能。相反，认为它们通过增加滑动板之间的润滑剂滞留可提高性能。
在US5,401,543(在此对其参考引用)中公开了可从一种玻璃碳或热解石墨阴极(Pyrolytic graphite cathode)，通过阴极电弧蒸镀来沉积非晶金刚石涂层，所述涂层基本上不含大粒子。在这种涂层中，大粒子(石墨杂质)的最大密度为大约200大粒子/平方毫米，所述密度由摄影图的面积大小和发现的大粒子总数计算。可将这种不含大粒子的非晶金刚石涂层用作本发明的层30，但不优于由常规石墨阴极沉积且含有大量石墨杂质例如至少大约500/平方毫米的涂层。同常规石墨相比，其不具有优越性的原因是所需要的玻璃碳或热解石墨阴极相当昂贵。
根据本发明，通过选择过滤器的设计和操作参数从而容许期望数量的大粒子输送通过所述来源，可控制掺合到涂层(参见图示所述涂层的图4)中的石墨杂质40的数量，所述涂层由一种常规石墨阴极，通过过滤弧蒸发(filtered arc evaporation)沉积。例如在US5,840,163中讨论了影响大颗粒输送通过过滤器的因素，在此对其参考引用。对过滤器的设计和操作参数进行常规的选择以最小化输送通过所述来源的大颗粒的数量，但是这种选择通常也降低了(期望的)碳离子的输出从而降低了沉积速度。与常规实践相反，我们发现对于最小化涂覆成本的目的而言，优选过滤器的设计和操作参数以最大化所述来源中碳离子的输出(即沉积速度)而不超出掺在所述涂层中的石墨杂质的最大允许数量。所述杂质的最大允许数量是这样一种数量，当超过它时，被涂覆部分的性能由于被所述杂质占据的表面积部分的增加而不能接受地恶化。关键性能因素可包括工作流体的不泄漏、滑动摩擦系数、抗刮和抗磨性以及磨损寿命。我们发现石墨杂质表面密度大体上高于500/mm2是可以容忍的，并且如上所述，可能是有利的。
在一些情况下，在沉积强化层23后期的较短期间内，可通过引入含碳气体例如甲烷来提高非晶金刚石层30对氮化物形式的强化层23的附着力。这导致在强化层23和非晶金刚石层30之间形成一层薄的、碳氮化物和/或碳化物材料的过渡区。在其它情况下，可通过在沉积强化层23后期的较短期间内关闭所有反应性气体来提高所述附着力。这导致在强化层23和非晶金刚石层30之间形成一层薄金属层。还注意到在非晶金刚石层30的过滤-弧(filtered-arc)沉积期间，甲烷的引入增加了涂层沉积速度，也可提高涂层硬度和抗刮性。在另一种情况下，例如在将非晶金刚石层30沉积在热氧化金属表面上的情况下，期望在强化层23和非晶金刚石层30之间沉积单独的附着促进层21。用于附着层21的适宜材料可包括例如形成难熔金属碳化物的金属如Ti和W，以及各种过渡金属如Cr，也可包括这些金属的碳化物。
为了使本发明可被更容易地理解，提供下述实施例。所述实施例是说明性的，不将本发明限制为所述的特定特征。
实施例1
将干净的不锈钢阀盘片放置在真空沉积室中，所述室包括一弧蒸发(arc evaporation)阴极和一溅射阴极。例如在US5480527和US5840163中公开的一样，所述弧源配备有过滤装置以减少掺在所述涂层中的大颗粒，在此对其参考引用。通过集流管将氩源和氮源连接到所述室，所述集流管具有用于控制每种进入所述室的气体流速的可调节阀。将溅射阴极连接到DC电源的负输出。将所述电源的正极端连接到所述室壁上。所述阴极材料为铬。在所述阴极的前面放置所述阀盘片，在沉积期间，旋转或者移动所述阀盘片以形成均匀的涂层厚度。所述盘片与所述室电隔离，并通过它们的安装架被连接到电源的负输出，从而在涂覆期间，可将一偏压施加到所述基底。
在沉积之前，抽空所述真空室以达到2×10e-5托或者更低的压力。然后以足以维持大约25毫托压力的速度引入氩气。然后将所述阀盘片进行辉光放电等离子清洗，在所述清洗中，将大约500伏的负偏压施加到所述架和阀盘片上。清洗的持续时间大约为5分钟。
然后在所述阀盘片上通过溅射沉积一层具有大约20nm厚度的铬层。在沉积所述铬附着层之后，通过反应性溅射沉积一层厚度为大约3微米的氮化铬强化层。
在沉积所述氮化铬层之后，面向弧光源放置所述阀盘片，通过在所述碳电极上起弧，并将所述基底暴露给碳等离子体来沉积一层厚度为大约300nm的顶层非晶金刚石层，所述等离子体从所述源出口排出。最初向所述基底施加大约500V的负DC偏压以提供用以表面清洗和增强键的高能量离子轰击。在高偏压下大约5分钟之后，将所述偏压降低到大约50V以用于剩余的沉积工艺。在沉积期间，在所述室中维持大约0.5毫托的氩压。可交替使用脉冲或AC偏压，为了稳定所述弧光源操作和优化涂层性能，可维持更高或更低的氩。
通过试验，已经发现所述由不锈钢制成且根据上述实施例被涂覆的阀盘片能够经得住多于15,000次的试验循环，在循环水中带有20微米的硅沙，而标准未涂覆的矾土阀盘片在相同的条件下在低于2500次循环中失效。
实施例2
将干净的锆阀盘片放置在一个热空气干燥炉中，加热达到560℃的温度，保持这个温度达大约6小时，然后冷却。从而在所述基底表面上形成一层氧化锆强化层，所述强化层具有5-10微米的厚度。然后将所述放置在真空沉积室中，所述室包括一过滤弧蒸发阴极和一溅射阴极。在所述阀盘片上，通过如实施例1中所述的溅射沉积一层厚度为大约20nm的铬附着层。在沉积所述铬附着层之后，如实施例1所述沉积一层非晶金刚石层。
使用划痕试验仪，用变化负荷将由锆制成并如所述处理以在其表面上形成多层结构的阀盘片进行抗刮试验。在3牛顿负荷下，通过半径为100微米的刻针尖在被处理Zr盘片上产生划痕深度为大约4.7微米深，而在未处理的Zr盘片上的划痕深度为大约9.5微米或者大于其两倍那么深。在本领域应用中，认为划痕试验性能是抗刮性和抗磨性的相关预测值。
实施例3
将干净的模制玻璃阀盘片放置在真空沉积室中，所述室包括一激光烧蚀源、一PECVD源以及一溅射阴极。通过公知装置，将所述阀盘片进行RF(射频)放电等离子体清洗。然后在所述阀盘片上，通过溅射沉积一层厚度大约为20nm的钛附着层。然后在附着层上，通过PECVD，使用公知沉积参数沉积一层厚度大约为3微米的DLC强化层。然后在DLC层上，通过激光烧蚀，使用常规沉积参数沉积一层厚度大约为300nm的非晶金刚石层。
实施例4
将干净的不锈钢阀盘片放置在真空室中，所述室包括一过滤弧蒸发源和一溅射阴极。抽空所述室，引入氮气，在所述盘片和所述室壁之间建立等离子体放电，根据公知参数将所述盘片表面等离子体氮化。氮扩散到不锈基底中以形成一层比基底主体坚硬的表面层，继续所述工艺达一段时间，所述时间足以使所述层的深度达到大约2微米。分别通过过滤弧蒸发和溅射，然后在氮化不锈钢表面上沉积超晶格(superlattice)，所述超晶格由碳氮化物和氮化锆的多层交互层组成。各个交互层为大约10nm厚，将每种材料沉积大约100层来形成总厚度大约为2微米的超晶格。在所述碳氮化物层中，氮与碳的比率优选为大约1.3，这是因为具有所述N∶C比率的碳氮化物+氮化锆超晶格显示主要具有sp3碳键和在50千兆帕范围内的硬度。用于此处的碳氮化物是指一种N∶C比率在大约0.1-1.5之间的材料。
通过将基底安装在一个旋转柱体上以使所述基底首先通过一个沉积源的前面，然后通过另一个沉积源，从而在柱体的每一个旋转周期沉积一双层，这样可方便地沉积大量薄层。总强化层的厚度为大约4微米，其包括等离子体氮化不锈钢层。然后在超晶格层上，如在实施例1中所述通过过滤弧蒸发来沉积一层厚度为大约200nm的非晶金刚石层。
在优选或其它示例性实施方案中所示的要素的构成和布置只是说明性的。尽管在公开的内容中仅对一些实施方案进行了详细说明，但查看所述公开内容的本领域技术人员很容易意识到，从实质上不违背在此列举的主题的新颖性教导和优点，进行许多改变(例如在大小、尺寸、结构、形状和多种元素的比例、参数值、材料的使用等上的变化)是可能的。根据替代实施方案可改变或再排序任何工艺或方法步骤的顺序或次序。不违背本发明范围，可对优选的和其它示例性实施方案的设计、操作条件和布置进行其它取代、修改、变化和删除。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种盘片阀的第一部件，所述第一部件具有一与所述阀的一第二部件滑动接触的密封面，所述第二部件也具有一密封面，所述第一部件的所述密封面具有足够光滑的共形的密封面，从而基本上阻止了所述每一个密封面之间的流体的输送，其特征在于，所述第一部件包括：
一基底材料；
一层强化层，其包括一种比所述基底材料硬的材料，所述强化层具有小于大约10微米的厚度；以及
一层非晶金刚石层，所述非晶金刚石层设置在所述强化层上，所述非晶金刚石层形成所述密封面，所述非晶金刚石层具有足以提高所述第一部件耐磨性的至少一个厚度值。
2.权利要求1的部件，其中所述基底材料从包括玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃质材料以及聚合材料的一组材料中选择。
3.权利要求1的部件，其中所述基底材料包括铁铝化物。
4.权利要求1的部件，其中所述强化层包括DLC(类金刚石碳)。
5.权利要求1的部件，其中所述强化层包括一种超晶格结构。
6.权利要求1的部件，其中所述强化层包括氮化铬。
7.权利要求1的部件，其中所述非晶金刚石层包括石墨杂质。
8.权利要求7的部件，其中所述石墨杂质具有至少大约500/mm2的表面密度。
9.权利要求1的部件，其中所述基底材料从包括不锈钢、铝、黄铜、钛、锆、金属陶瓷和陶瓷的一组材料中选择。
10.权利要求1的部件，其中所述强化层包括从包括氧化物层、碳化物层、碳-氮化物层以及氮化物层的一组材料中选择的一种材料。
11.如在权利要求1中限定的部件，其中所述强化层的厚度为大约500nm至大约6微米。
12.如在权利要求1中限定的部件，其中所述非晶金刚石层的厚度为大约100至大约500nm。
13.如权利要求11的部件，其中所述基底材料包括不锈钢，所述强化层包括氮化铬，以及所述非晶金刚石层的厚度大约为100至大约500nm。
14.如权利要求1的部件，其中所述非晶金刚石层还包括一基本上不高于所述强化层的平均表面粗糙度的平均表面粗糙度，所述非晶金刚石层包括在所述表面中的石墨杂质。
15.如权利要求1的部件，其中所述强化层具有足以提高所述第一和第二部件抗刮性的至少一个厚度值。
16.一种形成盘片阀的滑动部件的方法，所述盘片阀具有一种基底材料，所述方法步骤的特征在于：
在所述基底材料上沉积一强化层；以及
在所述强化层上，通过物理气相沉积，沉积一层光滑的非晶金刚石层。
17.如在权利要求16中限定的方法，其中在强化层和非晶金刚石层的沉积过程中，温度低于大约200℃-300℃，从而避免任何计算所述基底材料、强化层和非晶金刚石层的预定的机械和热性能的需要。
18.如在权利要求16中限定的方法，其中所述沉积步骤包括在非晶金刚石层内形成一种石墨相。
19.如在权利要求16中限定的方法，其中沉积一层光滑的非晶金刚石层的步骤包括形成一超晶格结构，所述超晶格结构包括多层非晶金刚石层。
20.如在权利要求19中限定的方法，其中沉积多层非晶金刚石层的步骤包括形成超晶格多层，所述超晶格多层具有至少一层非晶金刚石层和另一层不同相的金刚石层。

Claims (67)

1.一种盘片阀的第一部件，所述第一部件具有一与所述阀的一第二部件滑动接触的密封面，所述第二部件也具有一密封面，所述第一部件的所述密封面具有足够光滑的共形密封面，从而基本上阻止了在所述每一个密封面之间的流体的输送，所述第一部件包括：
一基底材料；
一层强化层，所述强化层设置在所述基底材料上并包括一种比所述基底材料硬的材料，所述强化层具有足以提高所述基底材料抗刮性的厚度，所述厚度小于大约10微米；以及
一层非晶金刚石层，所述非晶金刚石层设置在所述强化层上，所述非晶金刚石层形成所述密封面，所述非晶金刚石层具有足以提高所述第一部件耐磨性的至少一个厚度值。
2.权利要求1的部件，其中所述基底材料从包括玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃质材料以及聚合材料的一组材料中选择。
3.权利要求1的部件，其中所述基底材料包括铁铝化物。
4.权利要求1的部件，其中所述强化层包括DLC(类金刚石碳)。
5.权利要求1的部件，其中所述强化层包括一种超晶格结构。
6.权利要求1的部件，其中所述强化层包括氮化铬。
7.权利要求1的部件，其中所述非晶金刚石层包括石墨杂质。
8.权利要求7的部件，其中所述石墨杂质具有至少大约500/mm2的表面密度。
9.权利要求1的部件，其中所述基底材料从包括不锈钢、铝、黄铜、钛、锆、金属陶瓷和陶瓷的一组材料中选择。
10.权利要求1的部件，其中所述强化层包括从包括氧化物层、碳化物层、碳-氮化物层以及氮化物层的一组材料中选择的一种材料。
11.如在权利要求1中限定的部件，其中所述强化层的厚度为大约500nm至大约6微米。
12.如在权利要求1中限定的部件，其中所述非晶金刚石层的厚度为大约100至大约500nm。
13.权利要求11的部件，其中所述基底材料包括不锈钢，所述强化层包括氮化铬，以及所述非晶金刚石层的厚度大约为100至大约500nm。
14.权利要求10的部件，其中所述非晶金刚石层的厚度为大约100至大约500nm。
15.权利要求1的部件，其中所述非晶金刚石层具有一基本上不大于所述强化层粗糙度的平均表面粗糙度。
16.一种用于流体流动控制的盘片阀，其包括两块板，每一个板具有一密封面，每一个板的密封面沿着另一个板的密封面滑动，所述的每一个密封面具有一足够低的平均表面粗糙度从而基本上阻止在每一所述密封面之间的流体的输送，所述板中的至少一个具有一结构，所述结构包括：
一基底材料；
一层强化层，所述强化层包括一比所述基底材料硬的材料，所述强化层具有小于大约10微米的厚度；以及
一层非晶金刚石层，所述非晶金刚石层设置在所述强化层上，所述非晶金刚石层形成所述密封面，所述非晶金刚石层具有至少足以提高所述板耐磨性的厚度，以及具有一平均表面粗糙度，所述粗糙度基本上不比所述强化层的粗糙度高，所述非晶金刚石层在所述表面中含有石墨杂质。
17.如权利要求16的盘片阀，其中所述两块板包括所述结构。
18.如权利要求16的盘片阀，其中所述基底材料包括铁铝化物。
19.如权利要求16的盘片阀，其中所述强化层包括氮化铬。
20.如权利要求19的盘片阀，其中所述基底材料包括不锈钢。
21.如权利要求16的盘片阀，其中所述强化层包括一超晶格结构。
22.如权利要求16的盘片阀，其中所述石墨杂质具有至少大约500/mm2的表面密度。
23.如权利要求16的盘片阀，其中所述基底材料包括不锈钢，所述强化层包括一表面层，所述表面层从所述基底材料的等离子体氮化层和离子注入层的组中选择。
24.一种用于流体流动控制的盘片阀，其包括两块板，所述板具有密封面，所述密封面彼此相对滑动，所述板包括一基底材料，所述基底材料从包括玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃质材料、聚合材料、铁铝化物以及复合材料的一组材料中选择；所述每一个密封面具有一足够低的平均表面粗糙度，从而基本上阻止所述密封面之间的流体的输送，以及至少一个所述密封面具有一表面结构，所述表面结构包括非晶金刚石层，所述非晶金刚石层具有至少足以提高所述板耐磨和抗刮性的厚度。
25.如权利要求24的盘片阀，所述结构还包括一强化层，所述强化层包括一比所述基底材料硬的材料，所述强化层具有足以提高所述板抗刮性的至少一个厚度值，所述非晶金刚石层设置在所述强化层上。
26.如权利要求25的盘片阀，其中所述强化层包括一超晶格结构。
27.一种用于流体流动控制的盘片阀，其具有两块板，所述板具有密封面，所述密封面彼此相对滑动，所述板包括一基底材料，所述每一个密封面具有一足够低的平均表面粗糙度，从而基本上阻止所述密封面之间的流体的输送，所述两个板中的至少一个具有一结构，所述结构包括：
一层强化层，所述强化层包括所述基底材料的硬化表面层，所述硬化表面层具有足以提高所述板抗刮性的至少一个厚度值；以及
一层非晶金刚石层，所述非晶金刚石层设置在所述强化层上，所述非晶金刚石层形成所述密封面，所述非晶金刚石层具有足以提高所述两个板中的至少一个的耐磨性的厚度值。
28.如权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料从包括不锈钢、钛、铝和锆的组中选择。
29.权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料包括铁铝化物。
30.权利要求27的盘片阀，其中所述强化层包括一超晶格结构。
31.权利要求27的盘片阀，其中所述非晶金刚石层具有大约50至500nm的厚度。
32.权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料从包括钛和锆的组中选择，所述强化层从包括一层氧化层和一层阳极氧化层的组中选择。
33.如权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料从包括钛和锆的组中选择，所述强化层从包括一层氧化层和一层阳极氧化层的组中选择。
34.如权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料包括不锈钢，所述强化层从包括等离子体氮化层、表面硬化层、氧化层以及离子注入层的组中选择。
35.如权利要求27的盘片阀，其中所述基底材料包括铝，所述强化层包括阳极氧化层。
36.权利要求27的盘片阀，其中所述非晶金刚石层具有一基本上不高于所述硬化表面层粗糙度的平均表面粗糙度。
37.如权利要求27的盘片阀，其中所述非晶金刚石层还包括石墨杂质，所述石墨杂质具有至少大约500/mm2的表面密度。
38.一种形成一种盘片阀滑动部件的方法，其包括下述步骤：
提供一种基底材料；
在所述基底材料上沉积一层强化层；以及
在所述强化层上，通过物理气相沉积沉积一层光滑的非晶金刚石层，在强化层和非晶金刚石层的沉积过程中，温度低于大约200℃-300℃，从而避免任何计算所述基底材料、强化层和非晶金刚石层的预定机械和热性能的需要。
39.如在权利要求38中限定的方法，其中所述沉积步骤包括在所述非晶金刚石层中形成石墨相。
40.如在权利要求38中限定的方法，其中沉积一层光滑非晶金刚石层的步骤包括形成一超晶格结构，所述结构包括多层非晶金刚石层。
41.如在权利要求40中限定的方法，其中沉积多层非晶金刚石层的步骤包括形成一超晶格多层，所述多层具有至少一层非晶金刚石层和另一不同相的金刚石层。
42.如在权利要求40中限定的方法，其中形成超晶格的步骤包括形成至少一层非晶金刚石层和另一不同相的金刚石层的多层。
43.如在权利要求40中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤包括形成一层厚度小于大约5000纳米的层。
44.一种形成用于盘片阀的滑动部件的方法，其包括下述步骤：
提供一种基底材料；
在所述基底材料上形成一层强化层，所述强化层包括一比所述基底材料硬的材料，所述强化层的厚度至少处在一个足以提高所述部件的抗刮性的值上；以及
在所述强化层上，通过一种工艺形成一层非晶金刚石层，所述工艺包括在所述非晶金刚石层中形成石墨杂质，且在足够低的温度下进行，从而不会在冷却时，由于热诱导应力导致所述非晶金刚石层从所述强化层剥离，所述非晶金刚石层具有至少足以提高所述部件耐磨性的厚度，且具有一基本上不高于所述强化层粗糙度的平均表面粗糙度。
45.如在权利要求44中限定的方法，其中所述强化层包括氮化铬。
46.如在权利要求44中限定的方法，其中所述强化层的厚度小于大约10微米。
47.一种形成用于流体流动控制的盘片阀的方法，所述盘片阀具有两块板，所述板具有配合表面，所述表面彼此相对滑动，所述每一个配合表面具有平均粗糙度，且所述表面粗糙度都足够低从而基本上阻止所述配合表面之间的流体的输送；所述方法包括下述步骤：
提供一基底层；
在所述基底层上沉积一层强化层，所述强化层包括一比所述基底材料硬的材料；以及
在所述强化层上汽相沉积一层非晶金刚石层，所述非晶金刚石层具有足以提高所述板耐磨性的至少一个厚度值，且具有一基本上不高于所述强化层粗糙度的平均表面粗糙度。
48.如在权利要求47中限定的方法，其中通过沉积碳氮化物和金属氮化物的多个超晶格层来形成所述的强化层。
49.如在权利要求48中限定的方法，其中所述沉积步骤包括交替沉积碳氮化物层和金属氮化物层。
50.如在权利要求47中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤从包括沉积等离子体氮化层和沉积一层离子注入层的组中选择。
51.一种形成一耐磨部件的方法，包括下述步骤：
提供一种基底材料；
在所述基底材料上沉积一层强化层；以及
在所述强化层上气相沉积一层非晶金刚石层。
52.如在权利要求51中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤包括沉积多层超晶格层。
53.如在权利要求52中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤包括交替沉积第一化合物，然后沉积第二化合物。
54.如在权利要求53中限定的方法，其中第一化合物包括碳氮化物，第二化学成分包括金属氮化物。
55.如在权利要求51中限定的方法，其还包括同非晶金刚石层共同沉积一石墨相的步骤。
56.如在权利要求51中限定的方法，其中所述非晶金刚石层具有小于大约10微米的厚度。
57.如在权利要求51中限定的方法，其中所述强化层包括至少一层氮化铬层。
58.如在权利要求57中限定的方法，其中所述基底材料包括金属。
59.如在权利要求58中限定的方法，其中所述金属从包括不锈钢、铝、黄铜、钛以及锆的组中选择。
60.如在权利要求51中限定的方法，其中所述强化层包括从包括氧化物层、氮化物层、碳-氮化物层以及氮化物层的一组材料中选择的一个材料。
61.如在权利要求51中限定的方法，其中所述强化层的厚度为大约500nm至6微米。
62.如在权利要求51中限定的方法，其中所述非晶金刚石层具有基本上不大于所述强化层粗糙度的平均表面粗糙度。
63.如在权利要求51中限定的方法，其还包括形成两个耐磨部件来构造一个阀部件的步骤，由此，两个部件中的每一个相对彼此形成一密封面。
64.如在权利要求51中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤包括形成至少一层等离子体氮化层和形成一层离子注入层中的至少一个。
65.如在权利要求51中限定的方法，其中所述基底材料从包括玻璃、胶接剂、含玻璃材料、聚合材料和复合材料的组中选择。
66.如在权利要求51中限定的方法，其中沉积一层强化层的步骤包括氧化所述基底材料的表面层。
67.如在权利要求51中限定的方法，其中所述非晶金刚石层包括多层不同相金刚石的超薄层，所述相中的至少一种是非晶金刚石。
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