[发明专利]具有涂层的构件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种构件，该构件具有含铬、氮和碳的涂层。

背景技术

对于专业人员而言，利用具有电弧蒸发的PVD法产生由氮化铬构成的涂层是已知的。这些涂层例如使用在内燃机的构件上，特别是柴油发动机的构件上。这些涂层显示出良好的耐磨性并且在发动机工作时的、在构件上所存在的温度下是热稳定的。

在内燃机的开发中一个重要的目标在于进一步减少燃料的消耗。除了大量其它的措施以外，为此还必须减少在内燃机内部的摩擦损耗。此外，还力求在发动机工作时减小在单个发动机构件之间的摩擦。

在DE 10 2008 062 220 A1中公开了一种由碳化铬和碳构成的活塞环的两相涂层。在此，碳化铬的份额应该最高为80原子％。剩余的则以石墨形式作为单独相而存在。然而石墨的易分裂性却导致了涂层在机械稳定性方面的问题。

在WO 2007/115419中公开了借助于PVD电弧法的多相的层材料的沉积。在此，层材料可以由碳化铬和碳构成或者由碳氮化铬和碳构成，不过要具有优选大于40原子％的总碳份额。虽然这类层具有很小的摩擦，不过由于其高碳份额而相对机械不稳定并且因此磨损得很快。

发明内容

本发明的目的在于，对这类构件进一步改良，使其涂层有助于减小摩擦，而不会影响到耐磨性和热负荷能力。

该目的的解决方案在于，使涂层具有含陶瓷相和碳相的滑动层，该陶瓷相形成了由Cr_x(C_1-yN_y)(0.8≤x≤1.2且y＞0.7)构成的晶体陶瓷相，该晶体陶瓷相和该碳相形成了由交替的单层构成的层系统，其中，该碳相具有空隙，该空隙由晶体陶瓷相来填充。

此外，本发明的对象还是一种用于为构件涂覆含陶瓷相和非晶相的滑动层的方法，其中，至少一个构件在真空腔内以能够转动的方式安装在转轴上，该转轴设置在旋转台上。根据本发明，通过具有电弧蒸发的PVD法来涂覆该滑动层，其中使用了以下参数。至少一个金属靶材和至少一个碳靶材作为材料源，其中金属靶材电流和碳靶材电流的比率为2至7。在构件上的沉积温度为350℃至500℃。偏压为-50V至-150V。真空腔中的压力为0.2至1.0Pa。在真空腔内的气体以0.6至1.0的氮分压与总压力的比率，而由氮气和惰性气体组成。在涂层过程中，旋转台的转速为每分钟20至40转，而该至少一个的转轴的转速为在旋转台每一转的时间内旋转5至7转。

根据本发明设置的滑动层显示出多个特征。

多相的滑动层能够以片层状结构的形式或者以多晶混合物的形式而存在。通常选择碳(或者其氧族化合物)作为滑动层的一个相。对于既要求低的摩擦系数又要求高的机械稳定性的滑动体而言，就此产生了以下的问题。

如果选择由碳和陶瓷材料构成的片层状结构，就会在使用中总是使具有较低的剪切强度的材料处于表面，因为在摩擦接触中去除掉了陶瓷相。这对于大量的应用而言具有不足的机械特性，以至于由碳和陶瓷材料构成的片层状结构的耐磨强度比纯碳层的耐磨强度还要低。虽然达到了具有低摩擦系数的层材料这一目的，但是却没有达到良好的机械特性这一目的。

如果选择由碳和陶瓷材料构成的多晶混合物，如果这两个相的份额分别为40至60原子％，那么所产生的滑动层就可以均匀地由这两个相来组成。在这个均匀的滑动层材料中机械特性，例如韧性，基本上由更弱的一者来决定，而硬度则为混合硬度。因为碳材料非常脆，以这些层不可以达到足够的摩擦耐磨度(Abrasiv-Verschleiss)。

不过，所产生的滑动层也能够以具有嵌入体的基质的形式来组成。在相份额超出前面所提到的范围的情况下，得到该结构。如果陶瓷相的份额低于40原子％，会生成具有嵌入的陶瓷颗粒的碳基。如果陶瓷相的份额超过60原子％，会生成具有嵌入的碳颗粒的陶瓷基。对于滑动层只有具有陶瓷基的结构是适合的。在此已显示，在碳份额超过10原子％的情况下，滑动层的韧性会骤减。在这种组成和形态的情况下，摩擦系数降低的幅度大约为碳的体积百分率的大小。这么小的降低幅度不能达到低摩擦的涂层这一目的。

根据本发明的滑动层的新型的结构的特征在于，碳相的单层具有空隙，从而使这些单层的结构与带孔的金属板类似。这些空隙通过晶体陶瓷相来填充。碳相的单层的这个各向异性的结构导致了，在摩擦接触中出现的表面大部分由碳材料所覆盖。同时，晶体陶瓷材料保证了根据本发明设置的滑动层在韧性和硬度方面的较好的数值。

因此，根据本发明的滑动层的特征为在具有高机械稳定性的同时还具有低摩擦系数。