具有涂層的構(gòu)件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種構(gòu)件，該構(gòu)件具有含鉻、氮和碳的涂層。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于專業(yè)人員而言，利用具有電弧蒸發(fā)的PVD法產(chǎn)生由氮化鉻構(gòu)成的涂層是已知 的。這些涂層例如使用在內(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。這些涂層顯示出 良好的耐磨性并且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的、在構(gòu)件上所存在的溫度下是熱穩(wěn)定的。
[0003] 在內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)中一個(gè)重要的目標(biāo)在于進(jìn)一步減少燃料的消耗。除了大量其它的 措施以外，為此還必須減少在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的摩擦損耗。此外，還力求在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)減小在 單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件之間的摩擦。
[0004] 在DE 10 2008 062 220 Al中公開了一種由碳化鉻和碳構(gòu)成的活塞環(huán)的兩相涂 層。在此，碳化鉻的份額應(yīng)該最高為80原子％。剩余的則以石墨形式作為單獨(dú)相而存在。 然而石墨的易分裂性卻導(dǎo)致了涂層在機(jī)械穩(wěn)定性方面的問(wèn)題。
[0005] 在WO 2007/115419中公開了借助于PVD電弧法的多相的層材料的沉積。在此，層 材料可以由碳化鉻和碳構(gòu)成或者由碳氮化鉻和碳構(gòu)成，不過(guò)要具有優(yōu)選大于40原子％的 總碳份額。雖然這類層具有很小的摩擦，不過(guò)由于其高碳份額而相對(duì)機(jī)械不穩(wěn)定并且因此 磨損得很快。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，對(duì)這類構(gòu)件進(jìn)一步改良，使其涂層有助于減小摩擦，而不會(huì)影 響到耐磨性和熱負(fù)荷能力。
[0007] 該目的的解決方案在于，使涂層具有含陶瓷相和碳相的滑動(dòng)層，該陶瓷相形成了 由Crx(CV yNy) (0. 8彡X彡1. 2且y > 0. 7)構(gòu)成的晶體陶瓷相，該晶體陶瓷相和該碳相形成 了由交替的單層構(gòu)成的層系統(tǒng)，其中，該碳相具有空隙，該空隙由晶體陶瓷相來(lái)填充。
[0008] 此外，本發(fā)明的對(duì)象還是一種用于為構(gòu)件涂覆含陶瓷相和非晶相的滑動(dòng)層的方 法，其中，至少一個(gè)構(gòu)件在真空腔內(nèi)以能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的方式安裝在轉(zhuǎn)軸上，該轉(zhuǎn)軸設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái) 上。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)具有電弧蒸發(fā)的PVD法來(lái)涂覆該滑動(dòng)層，其中使用了以下參數(shù)。至少 一個(gè)金屬靶材和至少一個(gè)碳靶材作為材料源，其中金屬靶材電流和碳靶材電流的比率為2 至7。在構(gòu)件上的沉積溫度為350°C至500°C。偏壓為-50V至-150V。真空腔中的壓力為 0. 2至1.0 Pa。在真空腔內(nèi)的氣體以0. 6至I. 0的氮分壓與總壓力的比率，而由氮?dú)夂投栊?氣體組成。在涂層過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為每分鐘20至40轉(zhuǎn)，而該至少一個(gè)的轉(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)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的滑動(dòng)層顯示出多個(gè)特征。
[0010] 多相的滑動(dòng)層能夠以片層狀結(jié)構(gòu)的形式或者以多晶混合物的形式而存在。通常選 擇碳（或者其氧族化合物）作為滑動(dòng)層的一個(gè)相。對(duì)于既要求低的摩擦系數(shù)又要求高的機(jī) 械穩(wěn)定性的滑動(dòng)體而言，就此產(chǎn)生了以下的問(wèn)題。
[0011] 如果選擇由碳和陶瓷材料構(gòu)成的片層狀結(jié)構(gòu)，就會(huì)在使用中總是使具有較低的剪 切強(qiáng)度的材料處于表面，因?yàn)樵谀Σ两佑|中去除掉了陶瓷相。這對(duì)于大量的應(yīng)用而言具有 不足的機(jī)械特性，以至于由碳和陶瓷材料構(gòu)成的片層狀結(jié)構(gòu)的耐磨強(qiáng)度比純碳層的耐磨強(qiáng) 度還要低。雖然達(dá)到了具有低摩擦系數(shù)的層材料這一目的，但是卻沒有達(dá)到良好的機(jī)械特 性這一目的。
[0012] 如果選擇由碳和陶瓷材料構(gòu)成的多晶混合物，如果這兩個(gè)相的份額分別為40至 60原子％，那么所產(chǎn)生的滑動(dòng)層就可以均勻地由這兩個(gè)相來(lái)組成。在這個(gè)均勻的滑動(dòng)層材 料中機(jī)械特性，例如韌性，基本上由更弱的一者來(lái)決定，而硬度則為混合硬度。因?yàn)樘疾牧?非常脆，以這些層不可以達(dá)到足夠的摩擦耐磨度（Abrasiv-Verschleiss)。
[0013] 不過(guò)，所產(chǎn)生的滑動(dòng)層也能夠以具有嵌入體的基質(zhì)的形式來(lái)組成。在相份額超出 前面所提到的范圍的情況下，得到該結(jié)構(gòu)。如果陶瓷相的份額低于40原子％，會(huì)生成具有 嵌入的陶瓷顆粒的碳基。如果陶瓷相的份額超過(guò)60原子％，會(huì)生成具有嵌入的碳顆粒的陶 瓷基。對(duì)于滑動(dòng)層只有具有陶瓷基的結(jié)構(gòu)是適合的。在此已顯示，在碳份額超過(guò)10原子％ 的情況下，滑動(dòng)層的韌性會(huì)驟減。在這種組成和形態(tài)的情況下，摩擦系數(shù)降低的幅度大約為 碳的體積百分率的大小。這么小的降低幅度不能達(dá)到低摩擦的涂層這一目的。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)層的新型的結(jié)構(gòu)的特征在于，碳相的單層具有空隙，從而使這 些單層的結(jié)構(gòu)與帶孔的金屬板類似。這些空隙通過(guò)晶體陶瓷相來(lái)填充。碳相的單層的這個(gè) 各向異性的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了，在摩擦接觸中出現(xiàn)的表面大部分由碳材料所覆蓋。同時(shí)，晶體陶瓷 材料保證了根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的滑動(dòng)層在韌性和硬度方面的較好的數(shù)值。
[0015] 因此，根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)層的特征為在具有高機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)還具有低摩擦系 數(shù)。
[0016] 這兩個(gè)相基本上不含氫。這促成了根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的滑動(dòng)層的高度熱穩(wěn)定性。
[0017] 有利的擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中給出。
[0018] 對(duì)于由Crx(CpyNy)構(gòu)成的晶體陶瓷基片，優(yōu)選適用0. 9彡X彡I. 1且y > 0. 8。
[0019] 晶體陶瓷相優(yōu)選在其單層之間構(gòu)成橋，該橋?qū)⒕w陶瓷相的單層相互連接起來(lái)。 以這樣的方式進(jìn)一步地優(yōu)化了滑動(dòng)層的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0020] 一種優(yōu)選的擴(kuò)展方案設(shè)置為，晶體陶瓷相和碳相以片層的形式存在。在此，碳相可 以具有一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中這些片層基本以平行于滑動(dòng)層表面的方式設(shè)置。由此，進(jìn)一步 地降低摩擦系數(shù)。
[0021] 該滑動(dòng)層具有優(yōu)選為8至27原子％的總碳含量，特別優(yōu)選為12至20原子％的總 碳含量。過(guò)低的碳含量會(huì)導(dǎo)致過(guò)低的摩擦系數(shù)。過(guò)高的碳含量會(huì)影響根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)件的 滑動(dòng)層的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0022] 滑動(dòng)層的厚度可以為1至50 μπι，優(yōu)選10至30 μπι。因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的構(gòu)件的滑 動(dòng)層的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較低，這個(gè)相對(duì)較大的厚度是能夠存在的。單層的厚度優(yōu)選為1.0 nm至 4. Onm0
[0023] 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-Haerte)優(yōu)選為2000 至3000HV 0. 05和/或滑動(dòng)層的彈性模量為200至300GPa。
[0024] 滑動(dòng)層優(yōu)選地具有小于1 μ m的平均粗糙度Rz和/或大于50 %的材料率Rmr (02) 和/或大于70%的材料率Rmr (03)。因?yàn)樘沾上嘞鄬?duì)較硬，滑動(dòng)層的表面應(yīng)該具有盡可能 小的不規(guī)則性，該不規(guī)則性會(huì)在摩擦系統(tǒng)中對(duì)相對(duì)物體起到研磨的作用。材料率Rmr的定 義和測(cè)定在DIN EN ISO 4287中規(guī)定。
[0025] 構(gòu)件的基體可以例如由鑄鐵或鋼構(gòu)成。
[0026] 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)化后續(xù)的涂層在基體上的 粘附。
[0027] 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、氮化鈦或鉻-鋁氮化物。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，會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)層的邊界區(qū)域上形成脆性的金屬 碳化物。這可能導(dǎo)致機(jī)械不穩(wěn)定性。
[0028] 附著層和中間層優(yōu)選地具有分別為0. 5 μ m至4 μ m的厚度。這些厚度是完全足夠 的，從而避免了根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)件過(guò)高的最終重量。
[0029] 根據(jù)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)、活塞銷、凸輪軸的凸輪、閥、 閥挺桿或者搖轉(zhuǎn)桿。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。以示意性的、不按照比例的圖示出了：
[0031] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明涂層的構(gòu)件的一種實(shí)施例的截面圖；
[0032] 圖2以立體視圖示出了根據(jù)圖1的構(gòu)件的滑動(dòng)層；
[0033] 圖3示出了用于涂覆根據(jù)圖1的構(gòu)件的設(shè)備的一種實(shí)施例；
[0034] 圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明涂層的構(gòu)件和對(duì)比構(gòu)件上的磨損試驗(yàn)的柱狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 圖1和圖2示出了根據(jù)本發(fā)明涂層的內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)件10的一種實(shí)施例的示意圖，該 構(gòu)件例如是活塞環(huán)、活塞銷、凸輪軸的凸輪、閥、閥挺桿或搖轉(zhuǎn)桿。構(gòu)件10具有基體11，該 基體具有已涂層的表面12?；w11通常由鋼或鑄鐵構(gòu)成。在涂層以前，可以按照已知的 方式氮化表面12。為了制造涂層13,在該實(shí)施例中以已知的方式，例如借助PVD法，在表面 12上涂覆由鉻組成的附著層14。在該附著層14上涂覆中間層15,該中間層在該實(shí)施例中 由氮化鉻構(gòu)成。也能夠以已知的方式借助PVD法制造該中間層。
[0036] 按照本發(fā)明，在中間層15上涂覆滑動(dòng)層16。該滑動(dòng)層16具有晶體陶瓷相17和 碳相18。晶體陶瓷相17由碳氮化鉻Cr x (CVyNy)構(gòu)成，其中，0.8彡X彡1.2且y> 0.7。該 碳相18至少部分地由石墨構(gòu)成，該石墨的晶格面平行于滑動(dòng)層16的表面19設(shè)置。晶體陶 瓷相17和碳相18存在于交替的層A, B中，其中，層A由晶體陶瓷相17構(gòu)成，而層B由碳相 18構(gòu)成。層A，B中的每層具有的厚度在0.5 μπι和4.0 μπι之間。由碳相18構(gòu)成的層B是 滑動(dòng)層16的表面19。
[0037] 為了制造涂層13,特別是滑動(dòng)層16,使用具有電弧蒸發(fā)的PVD法。圖3以示意的 方式示出了涂層設(shè)備20如何可以用于該方法的實(shí)施。該涂層設(shè)備的結(jié)構(gòu)如下所述。
[0038] 根據(jù)圖3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的壁上安裝有電氣加熱裝置32。真空腔21自身電氣地接地。
[0039] 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。
[0040] 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)的而且由旋轉(zhuǎn)臺(tái)28經(jīng)設(shè)置其內(nèi)部的行星齒 輪31驅(qū)動(dòng)。該行星齒輪的傳動(dòng)比為5至7。
[0041] 隨后將說(shuō)明具有電弧蒸發(fā)的PVD涂層法的原理。
[0042] 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