具有涂层的构件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有涂层的构件，该涂层包含铬、氮和碳。
【背景技术】
[0002] 以利用电弧蒸发的PVD法制造的、由氮化铬组成的涂层对专业人员是已知的。该 涂层例如使用在用于内燃机的构件上，特别是柴油发动机的构件上。该涂层表现出良好的 耐磨损性并且在发动机运转时构件上所存在的温度下是热稳定的。
[0003] 内燃机发展过程中的一个重要目标是进一步减少燃料消耗。为此，除了大量的其 他措施之外，还必须减小内燃机内部的摩擦损耗。另外还追求在发动机运转中将活塞环的 工作面与气缸工作面之间的摩擦力最小化。
[0004] 在DE 10 2008 042 747 Al中公开了一种用于减小摩擦力的a-C:H类型的碳涂 层。然而，这类涂层由于其氢含量，只是在最高到300°C的温度下是稳定的。特别是在柴油 机中，直接属于燃烧室的最上层的活塞环的表面温度明显更高。当温度超过300°C，通过释 放氢a-C:H涂层分解。残留的碳成分石墨化并迅速受到研磨磨损。这类涂层因此仅能够用 作磨合涂层，而不能用作持久耐用的涂层。
[0005] 在US 5, 449, 547A和EP 2 100 807 Al中描述了向氮化铬构成的涂层中添加碳。 在这两种情况中，碳嵌入固体溶液中。这意味着，碳没有形成自己的相，而是填隙地嵌入CrN 晶格中。碳的添加应改善层的机械特性，特别是改善韧性。对摩擦力的改善不是目的而且 也是不可能的。
[0006] WO 2007/115419中公开了借助PVD-电弧法的多相涂层材料的沉积。在此，涂层材 料可以由碳化铬和碳构成或由碳氮化铬和碳构成，但具有大于20原子％的总碳份额。这类 涂层虽然具有较小的摩擦，但由于其高的碳份额，相对机械不稳定而且因此磨损速度快。
[0007] DE 10 2008 062 220 Al中也描述了一种由碳化铬和碳构成的两相活塞环涂层。 在此，碳化铬的份额应最大为80原子％。其余为以石墨形式作为单独相存在的游离碳。石 墨的易断裂性同样导致关于机械稳定性的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于，将上述类型的构件进一步改进为，在不损害耐磨损性和热负 荷能力的条件下，其涂层对摩擦的减小起到作用。
[0009] 该解决方案在于，涂层具有包含陶瓷相和非晶相的滑动层，该陶瓷相形成由 Crx(CVyNy) (0· 8 < X < L 2且y >0· 7)构成的晶体陶瓷基片，而且该非晶相由基本上均匀 分布地嵌入在晶体陶瓷基片中的碳颗粒组成。
[0010] 此外，本发明的对象还是一种用于为构件涂覆滑动层的方法，该滑动层具有陶瓷 相和非晶相，其中，至少一个构件在真空腔中以能够旋转的方式安装在转轴上，该转轴设置 在旋转台上。按照本发明，该滑动层通过具有电弧蒸发的PVD法涂覆，其中，使用了以下的 参数。至少一个金属靶材和至少一个碳靶材用作材料来源，其中，金属靶材电流与碳靶材电 流的比率为7至13。在构件上的沉积温度为350°C至450°C。偏压为O至-100V。真空腔 中的压力为2至4Pa。真空腔中的气体以0· 55至0· 75的氮分压与总压力的比率，由氮气和 惰性气体组成。在涂层过程期间，旋转台的转速为每分钟20至40转，而至少一个转轴的转 速为在旋转台每一转的时间内旋转5至7转。
[0011] 以晶体陶瓷基片形式的陶瓷相产生了按照本发明的构件的涂层的高耐磨性，而以 碳颗粒形式的非晶相由于其自润滑特性导致摩擦的减小。
[0012] 这两个相基本上不含氢。这产生了按照本发明的构件的涂层的高热稳定性。
[0013] 有利的扩展方案可由从属权利要求中得出。
[0014] 对于由Crx(CpyNy)构成的晶体陶瓷基片适合的值优选为0.9彡X彡Ll且y> 0· 8〇
[0015] 碳颗粒优选地具有小于IOnm的尺寸，特别优选地具有小于5nm的尺寸。碳颗粒越 小，其在基片中的分布越均匀而且自润滑效果越好。
[0016] 滑动层优选地具有3-15原子％的总碳含量，特别优选地具有5-10原子％的总碳 含量。过高的碳含量导致形成过大的碳颗粒或者甚至于导致形成碳薄层。这两个效应都会 降低按照本发明的构件的滑动层的机械稳定性。
[0017] 滑动层的厚度可以为1至50 μπι，优选为10至30 μπι。由于按照本发明构件的滑 动层的内应力相对较低，因此该较大的厚度是能够实现的。
[0018] 为了优化滑动层的耐磨强度，滑动层的维氏硬度(Vickers-HArte)优选为 2000-3000HV 0. 05和/或滑动层的弹性模数为200-300GPa。
[0019] 滑动层优选具有小于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)。由于陶瓷相相对较硬，因此滑动层的表面应具有尽可 能小的不规则性，在摩擦系统中该不规则性在相对物体上起到研磨的作用。材料率Rmr的 定义和测定在DIN EN IS04287标准中确定。
[0020] 构件的基体例如可以由铸铁或钢构成。
[0021] 基体和滑动层之间优选地设置有由金属材料构成的附着层。该附着层由一种金属 或金属合金构成，例如钼、铬、钛、钨或铬-铝合金。附着层用于优化接下来的层在基体上的 粘附。
[0022] 附着层和滑动层之间优选地设置有中间层，该中间层由金属氮化物材料构成，例 如氮化铬、氮化钼、氮化钛或氮化铬-铝合金。该中间层起到屏蔽扩散的作用。该中间层阻 止碳扩散至附着层。如果碳扩散进入附着层，导致在两个层的边界区域上形成易碎的碳化 金属。这可能导致机械不稳定性。
[0023] 附着层和中间层优选地具有分别为0. 5至4 μπι的厚度。该厚度是完全足够的，从 而避免了按照本发明的构件过高的最终重量。
[0024] 按照本发明的构件优选为内燃机的构件，例如活塞环。
【附图说明】
[0025] 随后借助附图进一步说明本发明。在示意性的、未按比例的附图中示出了 ：
[0026] 图1以剖面图示出了按照本发明涂层的构件的实施例，
[0027] 图2示出了用于为按照图1的构件涂层的设备的实施例，
[0028] 图3示出了按照图1的实施例的球冠显微磨片图像（Kalottenschliffbild)的示 意图，
[0029] 图4示出了按照本发明涂层的构件上和对比构件上的磨损试验的柱状图。
【具体实施方式】
[0030] 图1示出了按照本发明涂层的构件10的实施例的示意图，该构件例如为内燃机的 活塞环。该构件10包括具有涂层的表面12的基体11。对于活塞环而言，涂层的表面11是 在发动机运行中与气缸工作面滑动接触的工作面。该基体11通常由钢或铸铁构成。表面 11在涂层前可以以已知的方式氮化。为了制造涂层13,在实施例中以已知的方式在表面12 上涂覆有由铬组成的附着层14,例如借助PVD法。在该附着层14上涂覆有中间层15,该中 间层在该实施例中由氮化铬构成。该中间层也可以以已知的方式借助PVD法制造。
[0031] 按照本发明，在中间层15上涂覆有滑动层16。滑动层16具有陶瓷相17和非晶 相18。该陶瓷相17设置为晶体陶瓷基片，非晶相18的小颗粒均匀分布地嵌入该晶体陶瓷 基片中。该陶瓷相17由碳氮化铬Cr x (CpyNy)构成，其中，0.8彡X彡1.2且y> 0.7。非晶 相18由碳颗粒构成。在活塞环中，滑动层16的表面19在发动机运转时作为接触面，活塞 环以该面与气缸的工作面滑动地接触而且与其形成了一个摩擦系统。
[0032] 为了制造涂层13,特别是为了制造滑动层16,使用了具有电弧蒸发的PVD法。图 2示意性地示出了涂层设备20如何用于实施该方法。随后对该涂层设备的构造进行描述。
[0033] 按照图2的涂层设备20具有真空腔21，该真空腔具有进气口 22和抽吸口 23。在 真空腔21的壁上设置有电气加热装置32。该真空腔21自身电气地接地。
[0034] 在真空腔21中设置有两个靶材24、25。第一靶材24由金属铬构成而且与电源26 的阴极连接用于产生电弧。第二靶材25由以石墨形式的碳构成并且同样地与电源27的阴 极连接用于产生电弧。靶材24、25这样设置，即这些靶材与待涂层构件的基体11的待涂覆 的表面12具有同样远的距离。如果真空腔21相当大，可代替各个单个的靶材24、25而分 别设置一组靶材，其中，这些靶材的空间布设设计为由靶材发出的离子流在空间上是尽可 能均匀的。
[0035] 能够绕箭头A旋转的旋转台28设置在真空腔21的中间并且与用于产生偏压的电 源29电气连接。该旋转台28具有多个、环形围绕其中心设置的转轴30。待涂层的基体11 固定在转轴30上。该转轴30设置为能够旋转的而且经设置在旋转台内部的行星齿轮31 由旋转台28驱动。该行星齿轮的传动比为5至7。
[0036] 随后将说明具有电弧蒸发的PVD涂层法的原理。
[0037] 在待涂层的基体11装在转轴30上之后，真空腔21关闭而且通过抽吸口 23泵出 气体使真空腔21中的压力降低至0.03Pa或更低。同时运行加热装置32。该加热装置32 起到排出气体的作用，即释放在真空腔21的内壁和待涂层的基体11上吸收的气体。在泵 出气体且完全加热之后，旋转台28开始旋转而且惰性气体，通常为氩气，通过进气口 22进 入真空腔。由铬制成的靶材24现在开始运作。-800至-1200伏的负偏压经电源提供。由 靶材24发射出的铬离子在该靶材的一侧离子化氩气。这些离子通过高偏压极大程度地加 速，以高动能撞击在基体11上并且从该基体11的表面上击落最上层的通常由氧化物构