专利名称:带有超硬沉积层的器件的制作方法
本发明有关一种复合器件，该器件包括带有由一层或者多层稠密的细粒金刚石层组成的表面沉积层的衬底，其中的金刚石微粒是相互直接接合起来的。沉积层的特点是硬度极高，这使该复合器件适合于作各种耐磨零件以及各种工具之用。该沉积层的特征还包括，其导热性能极好，而且其电绝缘阻抗极高，这进而又使该复合器件能够在电子工业上得到广泛的应用，因为这种器件在电子元件里能够导热。
在早期，金刚石沉积层是在高温和高压下将金刚石粉末烧结到衬底上得到的。该方法的缺点是对衬底材料的选择要受到很大的限制，实际上，只能选用各种硬质金属，而且不可能得到纯金刚石沉积层，因为有一定量的衬底材料要渗透到金刚石沉积层中去。该方法的另一缺点是，只能使尺寸小的零件复着金刚石沉积层，被复着零件在各个方向上的尺寸都没有超过3厘米。
已知的另一种获得金刚石复着层的方法是化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition)，简称CVD，使用该方法可得到具有数微米厚的沉积层。这种方法在几篇俄文及日文文献中有说明，其中包括例如1.Vapour Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces.
B.V.Spitsyn et al.，J.of Crystol Grouth 52 (1981)，219～26。
2.Grouth of Diamond Particales fromMethane-Hydrogen Gas.
S.Matsumoto et al.，J.of Materials Science17 (1982)，3106～12，3.1983年5月30日的日本专利公开58-9100。Matsumoto.
4.1983年7月1日的日本专利公开58-110494。Matsumoto.
5.1983年8月11日的日本专利公开58-135117。Matsumoto.
该方法的缺点是，得到的沉积层的厚度常常不能满足工艺要求，而且沉积层与衬底材料的结合性能常常很差。
现在，我们已经作到，依靠某些材料获得金刚石层的比较牢固的结合能力。这样实现了，不但对金属得到了与碳有高度亲合力的牢固复合，而且对某些碳化物，氮化物和氧化物，还包括对大多数贵金属都能得到有高度亲合力的牢固复合。在沉积金刚石之前，在衬底上沉积上薄薄的一层上述的一些材料，就可改进结合性能。
以等间隔时间中断金刚石沉积过程，同时沉积上上述的材料层，就可得到主要由金刚石组成的厚沉积层，并且该沉积层与衬底材料之间的接合性能良好。
应该注意，所说的非金刚石层可为极薄的一层，例如厚度大约为10
，但是非金刚石沉积层也可厚一些，例如厚度高达大约10μm。
根据本发明，现已得到一种复合器件，其复合性能已得到改进，而且其金刚石沉积层的厚度较厚。
就本发明的一种实施方案来说，衬底材料可包括元素周期表中4b族至6b族所属金属的碳化物，氮化物，碳氮化物，碳氧化物(Oxycarboni-des)以及硼化物，这些衬底材料用铁类金属材料结合。该实施方案采用的碳化物包括WC，TaC，TiC，Mo2C，Cr2C3，VC，MoC等等。还可应用碳氮化物，例如(Ti，Mo)(C，N)以及碳氧化物，例如Ti(C，O)。
除了类似盐的氮化物，例如碱金属以及碱土金属氮化物而外，本发明中的氮化物包括所有金属氮化物，但比较有利的氮化物一般为过渡金属的氮化物。一般来说，这些氮化物正象作为耐火硬质材料的碳化物，硼化物以及硅化物那样来进行描述的。在本发明中还可使用固溶体中的金属氮化物的化合物以及氮化物与碳化物的化合物。可列举出的氮化物及其他化合物的具体例子包括氮化硅，氮化钛，氮化锆，氮化钒，氮化铬，氮化铌，氮化钼，氮化钽，氮化钨和氮化铪。硼化物包括硼化钛，硼化锆，硼化铬，硼化钴，硼化钼，硼化铌，硼化铁等等。
铁类金属包括Ni，Co和Fe。
本实施方案包括的材料还有渗碳碳化物，高速钢，工具钢等等。
在本发明的另一实施方案中，衬底材料包含陶瓷材料和耐火材料，例如BN，Si3N4，元素周期表中4b族至6b族的金属氧化物以及Al和Si的氧化物，Si Al ON，Al ON以及Al O与Ti C和Ti N的混合物。陶瓷氧化物材料可包括下列化合物SiO2，Al2O3，ZrOz，TiO2等等。本发明中可用的陶瓷材料包括从结晶态至完全玻璃态物质的大量产品。陶瓷材料还包括非氧化物材料，例如上面提到的金属碳化物，金属氮化物，金属硼化物和金属硅化物以及与上述氧化物的混合物。根据本发明所用的陶瓷材料还包括陶瓷合金以及陶瓷与金属的复合材料。
根据本发明的又一个实施方案，衬底材料可包括贵金属，贵金属包括Ag，Au，Pt，Pd，Ru，Os和Ir。当然也包括这些金属的任何比例的合金。除了贵金属以及可包括贵金属的两种或者两种以上的金属合金而外，衬底材料还可包括其它金属。优选的金属为自1b族至7b族和8族所属的金属，例如可包括Cu，Zn，Cd，Al，In，Si，Sn，Pb，Mo，W，Mn，Fe，Co，Ni等等。
从属权项2涉及的是沉积层中至少具有两层的复合器件体，且其中至少一层为金刚石层。在这一金刚石层与衬底材料之间有一非金刚石层，其目的是为了改进金刚石层与衬底材料之间的接合性能。这一层的材料不应该与衬底材料相同。选择金属材料作中间层是合适的，所选金属能形成稳定的碳化物，例如元素周期表中自4b族至6b族所属金属，最好选用Ti。由于这些金属具有易于形成碳化物的性质，所以这些金属与金刚石之间具有很强的亲合力，通过这一中间层的作用，金刚石层就能与衬底材料极好地结合在一起。
这一非金刚石层还可由金属，最好为元素周期表中自4b族至6b族所属金属的碳化物，氮化物，碳氮化物，碳氧化物，氧化物和硼化物以及其混合物组成。可列举出如下这些材料，如TiC，Ti(C，N)，TiN，Ti(C，O)，Ti(C，O，N)，Si3N4，Al2O3，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Si，B的碳化物，Cr，Al，Ca，Mg，Th，Sc，Y，La，Ti，Hf，Nb，Ta等等的氧化物和氮化物和(或者)氮氧化物的混合物。一般来说，这些材料可用下述化学式来描述Me(Cx Ny Oz Bt)其中，Me为上述金属之一，而0.45＜x+y+z+t＜2.1。
除上述材料的各层而外，非金刚石层还可由贵金属组成。
根据本发明的复合器件体，其生产过程可以是在某种衬底材料上沉积上一层化学汽相沉积成的金刚石层或者非金刚石层与化学汽相沉积成的金刚石层的组合层。当沉积层包括一层以上的金刚石层时，其中各层的沉积顺序可以是任意的。例如，可先沉积一层金刚石，然后沉积出第二层非金刚石层，然后再进一步沉积出或者只包括金刚石层或者包括金刚石层和非金刚石层的组合的各层。
甚至金刚石层之间的各层可由上述材料组成。
金刚石层可按已知工艺的化学汽相沉积法(CVD)并用气态活化烃和氢气的混合物获得，该气体混合物送去与加热过的衬底材料接触。每一单独层的厚度为0.1～10μm，优选的为0.2～2μm。当沉积层包括几层时，根据每一单独层的厚度及层数，其总厚度可达到500μm或者更大。层数可为两层或者多层，并且可包括由非金刚石分开的几层金刚石层。
按照众所周知的化学汽相沉积(CVD)方法或者已知的物理汽相沉积(CVD)方法，就可沉积得到非金刚石层。
根据本发明得到的带有沉积层的器件在工业上可在许多方面得到应用。
用途之一是用作常处于据烈磨削条件下的零件，例如挤压成型模，密封圈和螺纹导件，铣刀和车刀等等用于加工金属以及其它材料，如木材，塑料压制品和纤维复合材料的刀具。镶嵌有按照本发明而制得的镶嵌片的刀具，其硬度和机械加工效率以及抗磨寿命都提高了，当沉积层包括几层金刚石薄层时，尤其是这样，因为金刚石沉积层总厚度的增加又有效地增强了抗磨强度。
本发明，特别是带有中间层时在例如珠宝业上以及在表壳或者其它装饰品的生产上特别有用，就是因为本发明的复着层具有优良的抗腐蚀和抗磨性能。此外，外表面上的金刚石沉积层，特别是与其下面的贵金属沉积层相结合时，是本发明获得广泛应用的重要一方面。
按照本发明的制件还可在电子工业上得到应用，因为金刚石沉积层的导热性能优良并且(或者)其绝缘阻抗很高。因此，金刚石沉积层并且在可能的条件下与用银或者金作成的中间层相结合起来，就可有效地用作为半导体器件中的散热元件。
而且，根据本发明制得的器件还可用作外科手术用的刀具。
最后，这种金刚石沉积层还用在医学上或者核能技术上的放射探测仪上，以控制放射剂量。
下述实施例更详细地解释了本发明。
实施例1将渗碳碳化物镶嵌片首先沉积上一层厚6μm的TiC层，然后再沉积上大约2μm厚的金刚石层。
按照本发明的该实施例制得的镶嵌片用于加工Al-Si-合金和其它非铁类合金以及纤维增强塑料时的切削性能得到了明显的改进。
实施例2在Si-Al-O-N镶嵌片和纯陶瓷镶嵌片上沉积上大约2μm厚的金刚石层。
既使在这种情况下，在加工非铁类合金以及铸铁时的机械性能还是得到了大大的改进。
实施例3按照本发明的化学汽相沉积(CVD)法，首先将渗碳的碳化物镶嵌片沉积上2μm厚的TiC层，然后再将此镶嵌片沉积上大约2μm厚的金刚石层。最后再用物理汽相沉积(PVD，即Phisical Vapour Deposition)法将该镶嵌片沉积上2μm厚的TiN层。
用这种镶嵌片加工含Si的Al合金时，性能优良。
实施例4除下述操作过程而外，均重复实施例3的步骤，所说的例外操作是，为了改进镶嵌片沉积层的结合性能，在TiC层和金刚石层之间，用物理汽相沉积(PVD)一层厚度大约为0.1μm的Ti层。
在用带有本发明沉积层的刀具进行铣削加工时，就减少刀具的失效来说，用这种多层沉积层达到的效果极佳。
实施例5按照上一实施例所述方法，首先将渗碳的碳化物钻头沉积上厚度为0.1μm的TiN层以及厚度2μm的金刚石层。再按此沉积顺序重复6次此操作，结果得到一多层沉积层，其中包括7层TiN层和7层金刚石，其总厚度为15μm。此钻头用于在纤维增强塑料以及金属上钻孔，结果表明，穿透率以及抗磨寿命均极佳。
实施例6
用化学汽相沉积(CVD)法在Si-Al-O-N制成的密封圈上沉积上厚度为3μm的金刚石层。
将这种抗磨零件用于棕榈油泵中作试验。一般来说，棕榈油成酸性并且还含有砂粒，因此，泵送这种油时就特别需要密封圈。按照本发明沉积了金刚石的密封圈抵抗泄漏的寿命要比普通的密封圈长得多。
实施例7先在AlO制成的螺纹轴套上沉积出一层厚度为0.1μm的Ti层，然后再沉积一层厚度大约为2μm的金刚石层。其结果是抗磨寿命提高了一倍。
实施例8在准备在大功率半导体器件的生产过程中用作为散热片的铜板上首先用物理汽相沉积(PVD)法沉积出厚度为0.1μm的Ti层，然后再沉积出厚度为5μm的金刚石层。由于有了一层Ti中间层，所以这一沉积层与铜结合得好。有了这层金刚石层存在，不但达到了绝缘性能，而且其导热性能也提高了。
实施例9除了中间层由厚度为1μm的金和厚度为0.3μm的钛组成而外，其它的操作过程均为实施例8的重复。
实施例10在不锈钢表壳上沉积出厚5μm的金属，然后再沉积出厚度为2μm的金刚石层。与普通的沉积金的表比较起来，这种沉积层的耐久性以及抗划破的性能都非常好。
实施例11首先在不锈钢表壳上沉积出厚度为5μm的TiN层，然后再沉积出厚度为2μm的金刚石层。这种沉积层的耐久性以及抗划破的性能均非常好。
实施例12在渗碳碳化物镶嵌片上交替地沉积出厚度为0.1μm的Ti层和厚度为2μm的金刚石层，直到沉积层的总厚度达到大约100μm。该镶嵌片用于加工砂石时性能良好。
权利要求
1.包括一芯部的复合器件，其中的芯部包括下列材料之一金属，至少两种金属的合金，金属结合型硬质金属化合物或者陶瓷材料，其特征在于，该器件的至少一部分覆盖有用化学汽相沉积(CVD)法沉积出的由一层或者多层金刚石层组成的沉积层。
2.根据权项1所述的复合器件，其特征在于，首先沉积出的金刚石层是通过非金刚石层与芯部结合起来的。
3.根据权项1所述的复合器件，其特征在于，在金刚石层之间，沉积出了除金刚石而外的其它材料层。
4.根据权项1～3中任何一项所述的复合器件，其特征在于，其芯部包括一种合金，其主要成分为元素周期表中自1b族至7b族和第8族的金属，或者仅仅包括这些金属之中的一种。
5.根据权项1～3中任何一项所述的复合器件，其特征在于，芯部包括贵金属，铜或者铝。
6.根据权项1～3中任何一项所述的复合器件，其特征在于，芯部包括一种或者多种硬质金属氧化物，金属碳化物，金属氮化物，金属硼化物或者其混合物或者固熔体，其中所说的金属属于元素周期表中4b族至6b族所属金属。
7.根据权项6所述的复合器件，其特征在于，芯部材料包含属于铁类的金属。
8.根据权项1～3中所述的复合器件，其特征在于，芯部包括至少一种Al，Zr或者Si的氧化物或者至少一种B，Si，Al的氮化物。
9.根据权项1～3中所述的复合器件，其特征在于，芯部由Si-Al-O-N组成。
10.根据权项2所述的复合器件，其特征在于，结合层为贵金属。
11.根据权项2所述的复合器件，其特征在于，结合层是能够形成稳定碳化物的金属，优选的是Ti。
12.根据权项2所述的复合器件，其特征在于，结合层为具有下述化学式的化合物，即Me(Cx Ny Oz Bt)，其中，Me为元素周期表中自4b族至6b族所属金属或者为Si或者为Al并且0.45＜x+1y+1z+1t＜2.1。
13.根据权项3所述的复合器件，其特征在于，至少有一层中间层为贵金属。
14.根据权项3所述的复合器件，其特征在于，至少有一层中间层为能够形成稳定碳化物的金属，优选的是Ti。
15.根据权项3所述的复合器件，其特征在于，结合层为具有下述化学式的化合物，即Me(Cx Ny Oz Bt)，其中，Me为元素周期表中自4b族至6b族所属金属或者为Si或者为Al并且0.45＜x1y1z1t＜2.1。
16.根据上述权项中任何一项所述的复合器件，其特征在于，叠加起来的沉积层的总厚度处于0.1和500μm之间，优选的是0.5和100μm之间。
17.根据上述权项中任何一项所述的器件用作为抗磨零件，例如拉模或者用于切削金属或者石料或者用于加工塑料压制品或者纤维复合材料的刀具，例如切削工具，钻头，锯片等等。
18.根据权项1～16中任何一项所述的器件用作为电子工业上所需的元件，其中，将极好的导热性能以及优良的电绝缘性能结合起来加以利用或者分别利用这些性能之一种。
19.根据权项1～16中任何一项所述的器件用于抗划破性能以及抗腐蚀性能要求高的地方或者用于制造装饰品。
专利摘要
本发明有关一种由衬底以及一层或者多层稠密 的，细粒金刚石层构成的表面沉积层组成的复合器 件，其中的金刚石微粒是互相直接接合起来的。该复 合器件的硬度极高，适宜于作抗磨零件及刀具，并且 很好的导热性能和极高的电绝缘阻抗又使这种复合 器件在吸收电子器件中的热量方面极有用。
文档编号C23C16/26GK85104959SQ85104959
公开日1987年1月7日 申请日期1985年6月27日
发明者赫伯特·沙克纳, 比诺·拉克思, 克拉斯·格兰·斯特扎姆伯格, 安德斯·格斯塔·思林海因茨·蒂普门 申请人:桑特拉德有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan