[发明专利]具有涂层的构件及其制造方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

在DE 10 2008 042 747 A1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℃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℃，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。

在US 5,449,547A和EP 2 100 807 A1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。

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。

DE 10 2008 062 220 A1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

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。

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Cr_x(C_1-yN_y)(0.8≤x≤1.2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。

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℃至450℃。偏压为0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。

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。

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。

有利的扩展方案可由从属权利要求中得出。

对于由Cr_x(C_1-yN_y)构成的晶体陶瓷基片适合的值优选为0.9≤x≤1.1且y＞0.8。

碳颗粒优选地具有小于10nm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。

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。

滑动层的厚度可以为1至50μm，优选为10至30μm。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。

为了优化滑动层的耐磨强度，滑动层的维氏硬度优选为2000-3000HV 0.05和/或滑动层的弹性模数为200-300GPa。