具有涂層的構(gòu)件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有涂層的構(gòu)件，該涂層包含鉻、氮和碳。
【背景技術(shù)】
[0002] 以利用電弧蒸發(fā)的PVD法制造的、由氮化鉻組成的涂層對(duì)專業(yè)人員是已知的。該 涂層例如使用在用于內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)件上，特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件上。該涂層表現(xiàn)出良好的 耐磨損性并且在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)構(gòu)件上所存在的溫度下是熱穩(wěn)定的。
[0003] 內(nèi)燃機(jī)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要目標(biāo)是進(jìn)一步減少燃料消耗。為此，除了大量的其 他措施之外，還必須減小內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的摩擦損耗。另外還追求在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中將活塞環(huán)的 工作面與氣缸工作面之間的摩擦力最小化。
[0004] 在DE 10 2008 042 747 Al中公開了一種用于減小摩擦力的a-C:H類型的碳涂 層。然而，這類涂層由于其氫含量，只是在最高到300°C的溫度下是穩(wěn)定的。特別是在柴油 機(jī)中，直接屬于燃燒室的最上層的活塞環(huán)的表面溫度明顯更高。當(dāng)溫度超過(guò)300°C，通過(guò)釋 放氫a-C:H涂層分解。殘留的碳成分石墨化并迅速受到研磨磨損。這類涂層因此僅能夠用 作磨合涂層，而不能用作持久耐用的涂層。
[0005] 在US 5, 449, 547A和EP 2 100 807 Al中描述了向氮化鉻構(gòu)成的涂層中添加碳。 在這兩種情況中，碳嵌入固體溶液中。這意味著，碳沒(méi)有形成自己的相，而是填隙地嵌入CrN 晶格中。碳的添加應(yīng)改善層的機(jī)械特性，特別是改善韌性。對(duì)摩擦力的改善不是目的而且 也是不可能的。
[0006] WO 2007/115419中公開了借助PVD-電弧法的多相涂層材料的沉積。在此，涂層材 料可以由碳化鉻和碳構(gòu)成或由碳氮化鉻和碳構(gòu)成，但具有大于20原子％的總碳份額。這類 涂層雖然具有較小的摩擦，但由于其高的碳份額，相對(duì)機(jī)械不穩(wěn)定而且因此磨損速度快。
[0007] DE 10 2008 062 220 Al中也描述了一種由碳化鉻和碳構(gòu)成的兩相活塞環(huán)涂層。 在此，碳化鉻的份額應(yīng)最大為80原子％。其余為以石墨形式作為單獨(dú)相存在的游離碳。石 墨的易斷裂性同樣導(dǎo)致關(guān)于機(jī)械穩(wěn)定性的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于，將上述類型的構(gòu)件進(jìn)一步改進(jìn)為，在不損害耐磨損性和熱負(fù) 荷能力的條件下，其涂層對(duì)摩擦的減小起到作用。
[0009] 該解決方案在于，涂層具有包含陶瓷相和非晶相的滑動(dòng)層，該陶瓷相形成由 Crx(CVyNy) (0· 8 < X < L 2且y >0· 7)構(gòu)成的晶體陶瓷基片，而且該非晶相由基本上均勻 分布地嵌入在晶體陶瓷基片中的碳顆粒組成。
[0010] 此外，本發(fā)明的對(duì)象還是一種用于為構(gòu)件涂覆滑動(dòng)層的方法，該滑動(dòng)層具有陶瓷 相和非晶相，其中，至少一個(gè)構(gòu)件在真空腔中以能夠旋轉(zhuǎn)的方式安裝在轉(zhuǎn)軸上，該轉(zhuǎn)軸設(shè)置 在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。按照本發(fā)明，該滑動(dòng)層通過(guò)具有電弧蒸發(fā)的PVD法涂覆，其中，使用了以下的 參數(shù)。至少一個(gè)金屬靶材和至少一個(gè)碳靶材用作材料來(lái)源，其中，金屬靶材電流與碳靶材電 流的比率為7至13。在構(gòu)件上的沉積溫度為350°C至450°C。偏壓為O至-100V。真空腔 中的壓力為2至4Pa。真空腔中的氣體以0· 55至0· 75的氮分壓與總壓力的比率，由氮?dú)夂?惰性氣體組成。在涂層過(guò)程期間，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為每分鐘20至40轉(zhuǎn)，而至少一個(gè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 速為在旋轉(zhuǎn)臺(tái)每一轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)5至7轉(zhuǎn)。
[0011] 以晶體陶瓷基片形式的陶瓷相產(chǎn)生了按照本發(fā)明的構(gòu)件的涂層的高耐磨性，而以 碳顆粒形式的非晶相由于其自潤(rùn)滑特性導(dǎo)致摩擦的減小。
[0012] 這兩個(gè)相基本上不含氫。這產(chǎn)生了按照本發(fā)明的構(gòu)件的涂層的高熱穩(wěn)定性。
[0013] 有利的擴(kuò)展方案可由從屬權(quán)利要求中得出。
[0014] 對(duì)于由Crx(CpyNy)構(gòu)成的晶體陶瓷基片適合的值優(yōu)選為0.9彡X彡Ll且y> 0· 8〇
[0015] 碳顆粒優(yōu)選地具有小于IOnm的尺寸，特別優(yōu)選地具有小于5nm的尺寸。碳顆粒越 小，其在基片中的分布越均勻而且自潤(rùn)滑效果越好。
[0016] 滑動(dòng)層優(yōu)選地具有3-15原子％的總碳含量，特別優(yōu)選地具有5-10原子％的總碳 含量。過(guò)高的碳含量導(dǎo)致形成過(guò)大的碳顆?；蛘呱踔劣趯?dǎo)致形成碳薄層。這兩個(gè)效應(yīng)都會(huì) 降低按照本發(fā)明的構(gòu)件的滑動(dòng)層的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0017] 滑動(dòng)層的厚度可以為1至50 μπι，優(yōu)選為10至30 μπι。由于按照本發(fā)明構(gòu)件的滑 動(dòng)層的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較低，因此該較大的厚度是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
[0018] 為了優(yōu)化滑動(dòng)層的耐磨強(qiáng)度，滑動(dòng)層的維氏硬度(Vickers-HArte)優(yōu)選為 2000-3000HV 0. 05和/或滑動(dòng)層的彈性模數(shù)為200-300GPa。
[0019] 滑動(dòng)層優(yōu)選具有小于1 μ m的平均表面粗度Rz和/或大于50%的材料率Rmr (02) 和/或大于80%的材料率Rmr (03)。由于陶瓷相相對(duì)較硬，因此滑動(dòng)層的表面應(yīng)具有盡可 能小的不規(guī)則性，在摩擦系統(tǒng)中該不規(guī)則性在相對(duì)物體上起到研磨的作用。材料率Rmr的 定義和測(cè)定在DIN EN IS04287標(biāo)準(zhǔn)中確定。
[0020] 構(gòu)件的基體例如可以由鑄鐵或鋼構(gòu)成。
[0021] 基體和滑動(dòng)層之間優(yōu)選地設(shè)置有由金屬材料構(gòu)成的附著層。該附著層由一種金屬 或金屬合金構(gòu)成，例如鉬、鉻、鈦、鎢或鉻-鋁合金。附著層用于優(yōu)化接下來(lái)的層在基體上的 粘附。
[0022] 附著層和滑動(dòng)層之間優(yōu)選地設(shè)置有中間層，該中間層由金屬氮化物材料構(gòu)成，例 如氮化鉻、氮化鉬、氮化鈦或氮化鉻-鋁合金。該中間層起到屏蔽擴(kuò)散的作用。該中間層阻 止碳擴(kuò)散至附著層。如果碳擴(kuò)散進(jìn)入附著層，導(dǎo)致在兩個(gè)層的邊界區(qū)域上形成易碎的碳化 金屬。這可能導(dǎo)致機(jī)械不穩(wěn)定性。
[0023] 附著層和中間層優(yōu)選地具有分別為0. 5至4 μπι的厚度。該厚度是完全足夠的，從 而避免了按照本發(fā)明的構(gòu)件過(guò)高的最終重量。
[0024] 按照本發(fā)明的構(gòu)件優(yōu)選為內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)件，例如活塞環(huán)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 隨后借助附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。在示意性的、未按比例的附圖中示出了 ：
[0026] 圖1以剖面圖示出了按照本發(fā)明涂層的構(gòu)件的實(shí)施例，
[0027] 圖2示出了用于為按照?qǐng)D1的構(gòu)件涂層的設(shè)備的實(shí)施例，
[0028] 圖3示出了按照?qǐng)D1的實(shí)施例的球冠顯微磨片圖像（Kalottenschliffbild)的示 意圖，
[0029] 圖4示出了按照本發(fā)明涂層的構(gòu)件上和對(duì)比構(gòu)件上的磨損試驗(yàn)的柱狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 圖1示出了按照本發(fā)明涂層的構(gòu)件10的實(shí)施例的示意圖，該構(gòu)件例如為內(nèi)燃機(jī)的 活塞環(huán)。該構(gòu)件10包括具有涂層的表面12的基體11。對(duì)于活塞環(huán)而言，涂層的表面11是 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中與氣缸工作面滑動(dòng)接觸的工作面。該基體11通常由鋼或鑄鐵構(gòu)成。表面 11在涂層前可以以已知的方式氮化。為了制造涂層13,在實(shí)施例中以已知的方式在表面12 上涂覆有由鉻組成的附著層14,例如借助PVD法。在該附著層14上涂覆有中間層15,該中 間層在該實(shí)施例中由氮化鉻構(gòu)成。該中間層也可以以已知的方式借助PVD法制造。
[0031] 按照本發(fā)明，在中間層15上涂覆有滑動(dòng)層16。滑動(dòng)層16具有陶瓷相17和非晶 相18。該陶瓷相17設(shè)置為晶體陶瓷基片，非晶相18的小顆粒均勻分布地嵌入該晶體陶瓷 基片中。該陶瓷相17由碳氮化鉻Cr x (CpyNy)構(gòu)成，其中，0.8彡X彡1.2且y> 0.7。非晶 相18由碳顆粒構(gòu)成。在活塞環(huán)中，滑動(dòng)層16的表面19在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作為接觸面，活塞 環(huán)以該面與氣缸的工作面滑動(dòng)地接觸而且與其形成了一個(gè)摩擦系統(tǒng)。
[0032] 為了制造涂層13,特別是為了制造滑動(dòng)層16,使用了具有電弧蒸發(fā)的PVD法。圖 2示意性地示出了涂層設(shè)備20如何用于實(shí)施該方法。隨后對(duì)該涂層設(shè)備的構(gòu)造進(jìn)行描述。
[0033] 按照?qǐng)D2的涂層設(shè)備20具有真空腔21，該真空腔具有進(jìn)氣口 22和抽吸口 23。在 真空腔21的壁上設(shè)置有電氣加熱裝置32。該真空腔21自身電氣地接地。
[0034] 在真空腔21中設(shè)置有兩個(gè)靶材24、25。第一靶材24由金屬鉻構(gòu)成而且與電源26 的陰極連接用于產(chǎn)生電弧。第二靶材25由以石墨形式的碳構(gòu)成并且同樣地與電源27的陰 極連接用于產(chǎn)生電弧。靶材24、25這樣設(shè)置，即這些靶材與待涂層構(gòu)件的基體11的待涂覆 的表面12具有同樣遠(yuǎn)的距離。如果真空腔21相當(dāng)大，可代替各個(gè)單個(gè)的靶材24、25而分 別設(shè)置一組靶材，其中，這些靶材的空間布設(shè)設(shè)計(jì)為由靶材發(fā)出的離子流在空間上是盡可 能均勻的。
[0035] 能夠繞箭頭A旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)28設(shè)置在真空腔21的中間并且與用于產(chǎn)生偏壓的電 源29電氣連接。該旋轉(zhuǎn)臺(tái)28具有多個(gè)、環(huán)形圍繞其中心設(shè)置的轉(zhuǎn)軸30。待涂層的基體11 固定在轉(zhuǎn)軸30上。該轉(zhuǎn)軸30設(shè)置為能夠旋轉(zhuǎn)的而且經(jīng)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部的行星齒輪31 由旋轉(zhuǎn)臺(tái)28驅(qū)動(dòng)。該行星齒輪的傳動(dòng)比為5至7。
[0036] 隨后將說(shuō)明具有電弧蒸發(fā)的PVD涂層法的原理。
[0037] 在待涂層的基體11裝在轉(zhuǎn)軸30上之后，真空腔21關(guān)閉而且通過(guò)抽吸口 23泵出 氣體使真空腔21中的壓力降低至0.03Pa或更低。同時(shí)運(yùn)行加熱裝置32。該加熱裝置32 起到排出氣體的作用，即釋放在真空腔21的內(nèi)壁和待涂層的基體11上吸收的氣體。在泵 出氣體且完全加熱之后，旋轉(zhuǎn)臺(tái)28開始旋轉(zhuǎn)而且惰性氣體，通常為氬氣，通過(guò)進(jìn)氣口 22進(jìn) 入真空腔。由鉻制成的靶材24現(xiàn)在開始運(yùn)作。-800至-1200伏的負(fù)偏壓經(jīng)電源提供。由 靶材24發(fā)射出的鉻離子在該靶材的一側(cè)離子化氬氣。這些離子通過(guò)高偏壓極大程度地加 速，以高動(dòng)能撞擊在基體11上并且從該基體11的表面上擊落最上層的通常由氧化物構(gòu)