CN101479401A - 耐磨覆层及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于遭受摩擦式磨损的机器部件的耐磨覆层，这种耐磨覆层具有碳基含氢功能层(4)，该功能层(4)例如通过具有纳米范围内的厚度或内嵌的纳米颗粒(63、64)的重叠的不同涂层(60、61、62)而具有纳米结构。

Description

耐磨覆层及其制造方法

技术领域

本发明属于摩擦学领域并致力于以降低摩擦损耗和磨损为目的的机械部件覆层。本发明原则上可以用在遭受摩擦式磨损的多个不同种类的机械部件上。然而作为特别优选的例子是用在内燃机的部件上，尤其是用在气门机构组件例如杯形挺杆上。当然，用在工业用途例如用在滚动轴承和线性导轨上也是可以考虑的。

背景技术

由于机械负载、运动速度以及耐用度的提高，所以对这类组件的要求基本上越来越高。在此还要愈益以降低维护密集度为前提。由于对环境可持续发展性的要求日益提高，所以相应的润滑材料使用越来越少的添加剂，并且趋势一定程度上是低粘度润滑材料或者甚至是无润滑材料进行工作。

传统的覆层不再能够满足在液体润滑的区域和在干燥以及过渡区域中对低摩擦力、低附着的要求，及对低粘附力、高耐磨强度以及同时抵抗冲击负载的韧性和防止剥落的耐受性的相应要求。

通过以特定方法修饰的覆层可以部分地满足个别要求，例如硬度或者较小的摩擦阻力，然而通常没有照顾到摩擦学系统的其他特性。

这例如在内燃机中的气门机构中、特别是在凸轮挺杆装置上显得尤为突出。

这种凸轮挺杆装置例如安装在具有来回行进的活塞的汽车发动机中，所述凸轮挺杆装置具有进气门和出气门，它们在随着曲轴转动的相位中或者同步于此地打开和关闭。气门传动机构用于在凸轮轴与发动机曲轴一起转动时将安置在凸轮轴上的凸轮的运动传递到气门上。其中凸轮轴的凸轮会与所配属的杯形挺杆的作用面发生摩擦接触。

通常对这种气门传动组件(例如杯形挺杆和泵柱塞杆)越来越高的要求。必须提高耐磨强度的原因在于摩擦学系统越来越高的负载和应力，所述摩擦学系统由控制凸轮和控制挺杆组成。之所以这样的原因是，新型发动机方案(例如汽油直喷系统和柴油直喷系统)具有不断增加的喷射压力，润滑材料中研磨性颗粒所占比例增加，并且摩擦副缺少供油也导致混合摩擦所占比例增加，而且为了降低成本和减少尺寸而越来越多地使用了就摩擦学而言不利的钢质凸轮。对于资源保护的重要贡献在于气门机构中的摩擦损耗的减小，在同时提高整个气门机构的寿命的情况下伴随由该磨损减小所带来的燃料节省。为了有效地减小摩擦损耗，必须要在较宽的转速范围上降低摩擦力矩。

已知将这种用于内燃机气门控制机构的杯形挺杆作为轻金属挺杆构成，杯形挺杆具有挺杆基体和在气门控制机构的控制凸轮的接触面上安设的钢板，该钢板具有经硬化的表面。

然而经实践证明，这种方案的缺点在于，这种挺杆在工作状态下需要承受低温启动时-30℃至内燃机工作期间约130℃的较大温度波动。在此，问题在于，所采用的材料具有不同的热膨胀。虽然作为添加物安设到轻金属挺杆中的钢板具有良好的耐磨特性，然而该钢板在相应的热负荷下还是会脱落。耐热能力从而有所局限。另外一种应用技术上的缺点在于，较宽边缘形式的构造空间作为被气门控制机构的控制凸轮接触的功能面或凸轮接触面而不能被利用。

根据现有技术还已知给遭受摩擦式磨损的机器部件的作用面设有磨损保护层，所述磨损保护层视应用情况的不同优选由电镀敷设的金属或由热喷射方法包覆的金属和/或可能具有硬质材料成份的金属合金组成。

然而在此经实践证明具有下述缺点，即，经热喷的金属涂层具有较弱的强度，由此得知，为了改善强度，金属涂层在例如通过等离子辐射、激光辐射、电辐射或者通过电弧的方式在敷设之后如此被重熔，以使得喷射的材料与在此同时在表面区域内熔化的基底材料一起熔融地混合并成为合金。另外，为了具备良好的摩擦学特性，经热喷射的、并从而粗糙的覆层得到机械式的再加工。然而在重熔成为合金的情况下会形成各种组成的不均相区域，在这些不均相区域中不仅基底材料可以占优势而且涂层材料可以占优势。对于过高的基底材料份额而言，涂层的磨损随后会过高，而对于较小的基底材料份额而言，在不同的涂层组合情况下存在形成大量裂纹以致于这种涂层不可使用的危险。在这种情况下，摩擦负载会引发涂层上所不期望的粘性磨损。

另外还已知借助热化学工序对杯形挺杆的作用面进行碳化和/或碳氮共渗处理。然而证明其在此存在如下缺点，即，不能达到满意的摩擦系数并且形成过小的耐磨强度。

此外还已知给挺杆的作用面涂覆磷酸锰涂层或镀漆。就此而言仍然不能获得满意的摩擦系数和耐磨强度。另外通过这种材料还会对环境带来不必要的负担。这同样适用于同样被涂覆在作用面上的电镀涂层。

从现有技术中作为覆层材料还已知硬金属和高速钢(ASP 23)，然而它们除了不能提供满意的摩擦系数和不能提供满意的耐磨强度以外附加地还具有质量较高的缺陷。

另外还已知借助例如PVD方法或(PA)CVD方法所制成的硬质涂层，例如TiN、CrN、(Ti、Al)N。然而经实践证明，这种方案的缺点在于，当这些涂层没有被再加工时，这些涂层会导致抵抗体较高地磨损。对于再加工的情况而言由于反作用的表面而呈现出不确定的表面状态。

在US专利5,237,967中公开了基于碳的在敷盖涂层中具有20Atom-％至60Atom-％氢的PVD涂层和(PA)CVD涂层，即所谓的含有金属的碳氢涂层(a-C:H:Me)和无定形的碳氢涂层(a-C:H)。然而这些涂层却具有较小的耐磨强度和抗疲劳强度，从而对于新型发动机总成中承受高负荷的构件而言是不适合的，并且工作中的摩擦减小程度较为微弱。

如上面已经讲到的那样，气门机构中摩擦的降低可以为节省燃料和保护资源做出重要贡献。这一目标可以通过下述方式实现，即减少硬体摩擦和混合摩擦的区域并从而以完全的材料隔离增加液体摩擦区域。这可以通过由杯形挺杆和凸轮轴组成的摩擦系统的尽可能优化的总粗糙度得以实现。

为了使得杯形挺杆在整个寿命期间都得到为此所必须的最佳表面结构，下述是必要的，即将表面设计成使得表面具有高的耐磨强度、对于抵抗体具有低的粘附倾向并且对于环境具有低的活性。此外，表面可以优选不含有研磨颗粒，例如微粒。

由铁碳合金制成的杯形挺杆即使在热处理状态例如碳化、碳氮共渗或氮化中仍然不能达到为此所需的耐磨强度和摩擦有利的表面状态。当尤其通过(精细)打磨、研磨、抛光、辐射等方式对例如氮化涂层进行机械再处理时，除了表面的结构以外，表面的化学组成以及活性也会发生变化。一方面，这些变化具有较大的分散，从而无法获得保持不变的质量。另一方面，摩擦亲和的表面具有不利的摩擦特性并容易与抵抗体粘附。此外，通过打磨和抛光工序诱发表面附近区域内的、内在应力，所述内在应力会使得硬质材料涂层的已经存在的较高内在应力增加。

另外，所诱发的错位和受到磨损的微粒会导致缺陷和微断裂，以致于在杯形挺杆中涂层的局部耐久性降低，并且附着强度一直下降，乃至导致在对涂层进行再加工的过程中发生剥落。

然而如果例如在利用电弧法沉淀的涂层中放弃额外的抛光，那么坚硬的微粒会导致抵抗体受到研磨性磨损或者至少导致抵抗体无规则地抛光，从而出现难以预料的缺陷性结果。此外，微粒在工作期间从涂层中裂出，这导致涂层受损并导致自由的、产生研磨作用的颗粒。

另外在DE 102004043550 A1中还公开了一种情况，其中，耐磨覆层由至少一个纳米结晶的功能层组成成，该功能层由至少两个用于减小摩擦并用于提高机器部件预定面的耐磨强度的CrN_x-相位组成。然而这种覆层也不能以理想方式满足尤其在混合摩擦区域中耐磨强度和减小摩擦方面的所有摩擦学的需求。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种覆层以及一种用于制造这种覆层的方法，这种覆层排除了上面所述的缺点，尤其是减小了整个工作区域中的摩擦力矩并提高了被涂覆的机器部件以及抵抗体的寿命。

根据发明，该目的通过具有权利要求1特征的耐磨覆层以及具有权利要求21特征的方法得以解决。

功能层碳基含氢并且在截面中具有坚硬度不同的区域，这些区域在至少一个方向上的扩展不超过20nm，优选10nm，通过上述这种方式形成纳米结构的涂层，在该涂层中，不同坚硬度的区域(也就是比如由不同材料、不同变型组成、具有不同材料份额也或者只具有不同结晶方向位的区域)可以满足各种通过唯一均匀质地的材料非常难以满足的不同任务。然而，通过纳米结构，摩擦副在功能层中总是同时面临例如用于减小滑动摩擦以及用于生成必要材料硬度的不同区域。

这也可能是下述情况，即，功能层至少局部由与表面基本平行的涂层形成，这些涂层形成坚硬度不同的区域。在这种情况中，通过涂层的较小厚度(<20nm或者甚至是<10nm)可以要么从一开始要么在很短的工作时间并开始摩擦之后就已经能够提供混合的表面，在该表面中不同的位置上露出不同的涂层。从而功能面的表面赋予摩擦副不同的面区域，这些面区具有各种硬度、不同的摩擦特性、粘附趋势以及不同的韧性。通过这种纳米结构由于不均匀性而附加地形成较高的防裂能力以对抗涂层的开裂和剥离。通过合适地设计和设置涂层还可以提高抗腐蚀性或者提高或降低借助润滑物的可润湿性。测试证明，通过本发明可以降低摩擦力矩30％并获得15GP到70GP之间的硬度。

对于这种情况而言，涂层中的一个或多个优选比10nm薄。在此，涂层的数量一般大于2并可以达到好几十，尤其是超过50或者超过100，从而涂层的总厚度可达10微米。

在此，相邻的涂层各自具有不同的坚硬度，就此而言，作为例如至少两个相邻的涂层各自具有下面三种坚硬度中的不同坚硬度：无定形、无金属、含氢的碳，无定形、含金属、含氢的碳，无定形、含至少一种非金属、含氢的碳。在此基本上会工序清洁地含有小于1％的杂质。

另外还可以设有不同修饰的涂层。在此，含有非金属的含氢碳例如在加入了氟、硅或氧的时候特别地具有例如阻止摩擦力的特性，还具有利于在润滑物下降低可润湿性的特性。由此有利于获得更薄的油膜，这尤其对于摩擦副的快速相对运动而言并且例如对于气门传动而言可以带来优点。

含金属的无定形的含氢碳氢化合物特别地具有硬度和抗磨强度特性。

相邻的涂层也可以仅通过下述内容有所区别，即，它们掺有不同的材料或者掺杂的程度不同。

通过掺杂可以使得材料特性发生明显变化，尤其是当涉及到结晶相位的时候。所以掺杂可以针对性地用于生成确定的机械特性，其中由此生成的特性与掺杂原子的类型和大小也有关系。此外，产生的晶体结构的类型就此而言与掺杂原子的量有关，即从确定的掺杂度开始发生结晶转变或者产生由多个变体组成的混合相位。所以即使是仅通过掺杂种类和程度进行区别的相邻涂层也可以具有完全不同的机械或摩擦特性。

另外，相邻的涂层也可以通过在无定形碳中的氢的百分含量得以区别。通过碳中氢的含量也可以加强地共同确定基本的摩擦特性。20％以下尤其是在5％至20％之间的氢含量会使得含氢的无定形碳符合趋势地变硬并对于按照发明的实施例而言是优选的。

sp³杂化和sp²杂化碳的百分比也能够将两个相邻的涂层区分开来。这涉及到在金刚石型态和石墨型态中呈现的碳，众所周知，金刚石型态和石墨型态具有按照公知的不同的机械特性。相应地，这种不同的相邻涂层也具有不同的摩擦特性。在此特别优选的是，sp³杂化的C原子含量大于C原子的50％。

也可以优选做如下设置，即，在至少一个覆层中在含氢量、sp3杂化C原子含量、掺杂度这些参数中的至少一个参数垂直于覆层的表面具有梯度。

在此尤其重要的是，在现实应用中，在实际的摩擦表面上具有机械特性不同的各种区域。

通过所述的涂层的类型和情况并通过其厚度以及随之而来的摩擦表面可以看出，通过使得分别在表面上露出的、硬度较大、韧性较大或摩擦有效降低的区域的份额占优势或占较小权重这一方式，可以针对不同的摩擦要求持续调节表面的质量。从而本发明通过对具有不同坚硬度的区域进行合适涂层实现了针对客户特殊需求的个性化调节。

按照发明还可以做出如下设置，即，所述区域至少局部由纳米颗粒形成。纳米颗粒可以例如由下述材料中的一种或多种形成：氮化物、硼化物、碳化物、硅化物。在此例如可以使用铬氮化物、钛氮化物、硅氮化物、硅碳化物或钛碳化物。

这种纳米颗粒可以例如在沉淀法的范畴内随着相应含氢的碳涂层的沉淀一起或者在相应含氢的碳涂层的沉淀之前或之后沉淀。

为此在沉淀装置中暂时使得相应必要的材料进入气相，通过喷镀或者其他已知的方法并通过工序参数促进颗粒的晶体析出。在此，产生纳米分散的自发排布的要么是不同微晶的区域、要么是具有不同方位的相同结构的微晶的区域。

例如所谓的氮化物形成物(例如铬、钛)和其他形成不稳定氮化物的元素(例如铜)一起沉淀，其中例如在使用铜和氮化铬的情况下铜含量相对于铬含量可以低于2％。然后在铜基中形成氮化铬作为纳米晶体。类似的结果也可以利用氮化钛和非常小的硼含量获得，其中，替代氮化钛也可以使用碳化钛，不管哪种情况下，相应的氮化物或碳化物都在近似无定形的硼基中结晶。

在结果中，相应的纳米颗粒要么可以被嵌入到由含氢的碳组成的无定形涂层中，要么可以在碳涂层之间形成纳米颗粒涂层。

在此重要的是，所形成的涂层薄地分布或者颗粒细致地分布，因此在功能层的表面上，暴露的纳米颗粒区域分别只具有一部分表面，从而其他部分基于其他坚硬度的区域具有其他机械特性或摩擦学特性。

另外通过纳米颗粒的加入除了存在于纳米颗粒中的内在的机械特性以外也在所形成的功能层中从整体上有效抑制裂纹扩展。这在纳米颗粒的尺寸处于20nm以下更好的是10nm以下时得到最佳地保证。

覆层优选在功能层下具有至少一个粘性中间层，该粘性中间层由铬、钨或钛、或者由过渡金属的硼化物、碳化物或氮化物组成。这种粘性介质使得由经涂覆的具有功能层的机器部件构成的整个结构稳固并尤其阻止功能层脱落。作为适用于机器部件的材料通常使用易加工和廉价的材料(16Mn Cr5，C45，100Cr6，31 Cr Mo V9，80 Cr2以及其他)。作为摩擦副而言，出于节省重量的轻型结构理念也可以考虑铁/碳含金。

特别优选在功能层之下另外设置由含金属或含非金属、含氢的碳层形成的支撑层，该支撑层一方面含有成份钨、钽、铬、钒、铪、钛或镍中的一种或多种，另一方面含有硅、氧、氟、氮中的一种或多种。

这种支撑层的任务是，拦截作用在功能面上的机械载荷，从而使得功能层不会发生可能导致基底脱落或导致功能层由于裂纹形成和剥落而损毁的过分变形。中间层是极为坚固的，其中其既不必具有较小的摩擦阻力也不必具有耐磨性。由此可以将支撑层针对性地设计成使得其具有较小的柔韧性或者说在柔韧性上如此进行调节，以使得支撑层实现在功能层和本来的机器部件之间最佳的过渡。

此外本发明还涉及一种用于制造按权利要求1或其从属权利要求之一所述覆层的方法，其中，在沉淀方法中为了将这些区域敷设在表面上，在依次的时间点上如此改变工序参数，以使得通过沉淀形成的区域的尺寸在覆层截面中不超过20nm。特别优选的是这些区域的尺寸不超过10nm。

为此可以让参数压力、温度、掺杂物的掺加量、含氢量、转速、含碳量中的至少一个参数在功能层的制造期间突然或连续地改变。

在沉淀过程中，也例如在其他可能的覆层步骤(比方烘干或等离子腐蚀)中优选不要超过250℃的处理温度，因为这样机器部件的基底材料的硬度得以保持并且不必再例如通过感应硬化进行再加工。

沉淀在已知的PVD(物理气相沉积)法和(PA)CVD(等离子加强化学气相沉积)法的范畴中进行。

在PVD法中，原料例如石墨被如此加热，使得高能碳离子的射线从石墨中发出并沿着场中待涂覆的表面的方向加速。

在(PA)CVD法中，在等离子的作用下使得气体混合物进入反应室，待涂覆的材料位于该反应室中。(PA)CVD法是化学气相沉积(CVD)法的进一步发展并结合了CVO(不定向工序)和PVD法(低温)的优点。在PACVD法中，涂层沉淀借助有针对性的等离子支持通过在低于200℃的温度下的化学气相反应进行。

通过改变工序参数如压力、温度和含氢量以及掺杂量或待涂覆对象的转速可以确定产生覆层的结构。在此，在确定的参数限值情况下，沉淀的涂层的坚硬度也会发生突然的改变，因为确定的尤其是结晶的方案充其量仅可以形成一种材料的确定的材料含量。如果没有出现这一含量，那么就形成其他晶体或其他变型以及混合相。

所以通过在原本的时间间隔中工序参数的变化可以以颗粒的方式或者涂层的方式沉淀出相应较小(小于10nm)的区域。

最后本发明还涉及设有按照发明的覆层的机器部件，尤其是内燃机的可通过凸轮操作的气门的气门挺杆。

附图说明

下面借助涉及所述气门挺杆的实施例在附图中示出本发明，然后对其进行描述。

其中：

图1示出摩擦副的正视图，该摩擦副由用于内燃机气门的工作的凸轮轴和杯形挺杆组成；

图2示出图1中杯形挺杆的透视图；

图3示出液压支撑元件的透视图，该液压支撑元件通过滚动轴承组件与牵引杆保持连接；

图4示出具有按照发明实施例的耐磨覆层的机器部件的示意性截面图；

图5示出了功能层视图。

在示出的附图中，只要没有与之相反地加以说明，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的组件。

具体实施方式

图1示出了一个摩擦副，其由具有凸轮接触面50的杯形挺杆5和杯形衬套51以及凸轮6所组成。杯形挺杆5在图2中以透视图详细示出。杯形挺杆5一般对于内燃机中的机械部件与气门的杆7连接，其通过凸轮面相对于杯形挺杆5的凸轮接触面50的移动将气门打开或关闭。

在通常情况下，当今的气门机构组件例如杯形挺杆和泵柱塞杆在耐磨强度和资源保护方面、尤其在接触面50上具有很高的要求。

图4示意性地示出了按照本发明优选实施例的机械部件1例如杯形挺杆5的耐磨覆层的截面图。下面结合图4对本发明的实施例做详细的说明。

为了在凸轮接触面50区域内减小摩擦系数并提高耐磨强度，或者是为了满足在凸轮接触面50和杯形衬套51区域内的需要，杯形挺杆5被涂覆了按照发明的耐磨覆层。当杯形挺杆50的杯形衬套51在敞开一侧的区域内高度变形时，也可以选择性地对杯形衬套51进行局部覆层。

待涂覆的面2、也就是杯形挺杆5的所述凸轮接触面50优选在涂覆之前经过表面硬化或碳化和退火。

基体、即在所述述情况下的优选由廉价钢材例如16MnCr5、C45、100Cr6、31CrMoV9、80Cr2或类似物组成的杯形挺杆5的凸轮接触面50，按照所述实施例，首先涂覆有粘性中间层3。粘性中间层3例如可以总是由含有金属的碳、例如钨碳化合物组成，但也可以由金属材料(例如Cr、Ti)以及过渡金属的硼化物、碳化物、氮化物和硅化物形成。粘性中间层上方的附加支撑层可以由金属或非金属例如W、Ta、Cr、V、Hf、Ti、Ni或者Si、O、F、N以及含氢的无定形碳组成。粘性中间层和支撑层可以结合热处理例如表面硬化处理、碳化处理、碳氮共渗处理通过热化学方法例如渗氮、渗硼、通过电镀方法例如通过敷设含铬层或者借助PVD方法例如敷设Me-C、过渡金属的碳化物和氮化物形成。

通过支撑层应当提高整个覆层的抗疲劳度，也就是说阻止覆层系统的塑性形变、裂纹形成、裂纹扩张以及破损。这种疲劳现象会通过凸轮的负载和由此所导致的杯形挺杆5的材料应力的负载以及通过单个层或者说基体和耐磨覆层的不同的硬度、弹性模量、变形能力而形成。在这种情况下优选要么单独构成涂层3作为支撑层3、要么优选将层3与合适的粘性中间层联合构成。

如图4中所示，根据所述实施例通过支撑层和/或粘性中间层3形成耐磨覆层4。

功能层4在那里示意性地示为由多个单独纳米层构成，并且只是示意性地而非实际尺寸地复现大小关系。

相反，在图5中则照原尺寸强放大地示出了该功能层。在此，在该视图的左半部分示出了一个变型，该变型具有多个重叠设置的、厚度小于10nm的涂层，这些涂层分别由具有不同坚硬度的含氢的无定形碳组成，而在该视图的右半部分则示出了具有附加的纳米分散颗粒的变型。

由于纳米层的厚度较小，所以实际尺寸在垂直于表面的方向上被较远地拉伸。表面上的波浪线代表真实的表面，它是由于在制造时或者在使用后的不规则性的缘故而自发调节的。波度在现实中不会像示出的那样大，而是由于单轴地放大了垂直于摩擦表面的实际尺寸的缘故而显得夸张。尽管如此，借助这种展示能够诠释利用发明实现的效果。单个涂层60、61、62至少在上部区域中向着表面设有不同的阴影线并由此得以被区分。其中，由于表面近似(nm级的)不均匀结构的缘故，下方的涂层61、62乃至进一步位于下方的不再单独描述的涂层最迟在初次使用和在不同位置上的磨损之后显露出来。这些涂层分别具有不同的摩擦学特性，从而对于摩擦副来说，整个表面被看作是在硬度、弹性、耐磨性和摩擦系数方面具有不同特性的多个不同区域的混合体。当磨损进一步加深时也得到这种状态的保持，然而磨损的加深可以通过所述的结构和自身调节的耐磨性而大大地延迟。

单个涂层之间在坚硬度(即含氢量，添加、掺杂材料或结晶变体的种类和份量以及方位)方面中的至少部分方面有所区别。同时还有一些或许多个涂层开放地处于表面上。

在图5的右侧示出了一种变型，其中纳米颗粒63、64被一并置入碳基。相应的例如可以作为硼化物、碳化物或氮化物构成的纳米颗粒在那些个它们碰到表面的地方(比方说像颗粒63、64那样的情况)形成坚硬并耐磨的区域并从而也阻止那些将它们包围的碳基材料受到损伤。它们就其本身而言根据表面上成份的不同例如可以为降低摩擦系数做出贡献。

当随着材料的磨损从功能层的表面有些损伤时，便会露出新的纳米颗粒，然后便又遇到所述的确保硬度和耐磨性的任务。

原则上纳米颗粒也可以集中在不同的覆层中。这可以例如在沉淀工序的范畴内通过以PVD或PACVD方法中在其余涂层的沉淀物之间置入确定的金属氮化物、金属硼化物或者金属碳化物的方式提供，其中所述的金属氮化物、金属硼化物或者金属碳化物按照混合比例沉淀，该混合比例自动导致不同相位的形成。随后这导致在相关涂层中坚硬纳米颗粒的形成。

所述发明提供了一种新型的覆层，该覆层通过对颗粒和单个纳米层进行挑选的方式可以以非常准确的方式配合当前在摩擦学上的要求，其中通过具有不同表面坚硬度的区域的混合可以在宏量范围内调节参数，这些参数对于已知的均相材料而言是不能达到的。此外，本发明还提供了这种功能层的一种简单的制造方法，该制造方法相对于迄今为止采用的PVD和(PA)CVD涂层中的生产手段而言并不需要结构性的变化。

最大覆层温度优选计为250℃，从而在覆层过程中基底材料不会被退火。

覆层优选以大约0.5μm至大约10.0μm、优选2.0μm的厚度构成。从而基体表面粗糙度和尺寸以不需要再次加工的微小尺度变化。

下面对按照发明的覆层的另外一种优选用途做详细的说明。图3示出了具有活塞9和壳体10的液压支撑元件8的透视图。液压支撑元件8与牵引杆11联接，其中牵引杆11通过滚动轴承12可枢转地支承。另外还能从图3中看到，活塞9具有处于活塞9和牵引杆11之间的接触区域90。此外，活塞9还具有处于活塞9和壳体10之间的接触区域91。为了减小活塞9和牵引杆11之间的接触区域90中的磨损，接触区域90同样设有按照发明的纳米结构的功能层4。

此外，活塞9和壳体10之间的接触区域91根据用途和制造技术也可以涂覆有这种覆层3、4。由此提高所示摩擦学系统的总寿命，从而能够减缓工作期间单个机器部件的报废并从而能够节省总的费用。

另外，滚动轴承12的组件(例如滚动体、滚动轴承12的内环和外环、滚动轴承保持架、轴向盘片或类似物)也可以为了提高耐磨强度以及为了减小摩擦而在例如支撑层和/或粘性中间层3的相互连接情况下涂覆有按照发明的功能层4。

上述涂层系统当然也适用于其他结构和功能单元，例如气门杆或气门杆支架、支撑元件和插入元件、滚动轴承组件、分离轴承、活塞销、轴套、例如发动机领域中喷嘴的控制活塞、线性导轨以及其他承受较高机械和摩擦学应力的部件。

在这里需要指出的是，功能层4也可以直接在待涂覆的机器部件的基体上沉淀而不用在其间涂覆支撑层3或粘性中间层3。

尽管本发明当前是借助优选实施例描述的，但本发明并不局限于此，而是可以以多样化方式改型。

附图标记

1 机器部件

2 机器部件的预定面

3 支撑层/粘性中间层

4 纳米结晶的功能层

5 杯形挺杆

6 凸轮

7 气门杆

8 液压支撑元件

9 活塞

10 壳体

11 牵引杆

12 滚动轴承

50 凸轮接触面

51 杯形衬套

60、61、62 涂层

63、64 纳米颗粒

90 活塞和牵引杆之间的接触区域

91 活塞和壳体之间的接触区域

Claims (24)

1.耐磨覆层，用于遭受摩擦式磨损的机器部件，所述耐磨覆层具有基于无定形碳和氢的功能层，其特征在于，所述功能层在横截面中具有不同坚硬度的区域(60、61、62、63、64)，所述区域(60、61、62、63、64)在至少一个方向上的扩展小于20nm。

2.按权利要求1所述的覆层，其特征在于，所述区域(60、61、62、63、64)至少局部由与表面基本平行的涂层形成。

3.按权利要求2所述的覆层，其特征在于，涂层(60、61、62)中的至少一个比10nm薄。

4.按权利要求2或3所述的覆层，其特征在于，相邻的涂层(60、61、62)分别具有不同的坚硬度。

5.按权利要求4所述的覆层，其特征在于，至少两个相邻的涂层(60、61、62)各自具有下面三种坚硬度中的不同坚硬度：无定形、无金属、含氢的碳，无定形、含金属、含氢的碳，无定形、含非金属、含氢的碳。

6.按权利要求4或5所述的覆层，其特征在于，相邻的涂层(60、61、62)通过掺杂的类型和/或程度得以区分。

7.按权利要求4、5或6所述的覆层，其特征在于，相邻的涂层(60、61、62)通过氢的百分含量得以区分。

8.按权利要求4或其后之一所述的覆层，其特征在于，相邻的涂层通过sp³杂化和sp²杂化的碳的混合比例得以区分。

9.按权利要求2或其后之一所述的覆层，其特征在于，在至少一个涂层(60、61、62)中，以下参数中的至少一个参数垂直于覆层的表面具有梯度：含氢量、sp3杂化的C原子含量、掺杂度。

10.按权利要求2或其后之一所述的覆层，其特征在于，由含氢的碳涂层形成的最上方的涂层具有以氟、氧和/或硅的掺杂。

11.按权利要求1或其后之一所述的覆层，其特征在于，所述区域(63、64)至少局部地由纳米颗粒形成。

12.按权利要求11所述的覆层，其特征在于，所述纳米颗粒(63、64)由材料氮化物、硼化物、碳化物、硅化物中的一种或多种材料形成。

13.按权利要求11或12所述的覆层，其特征在于，相同组成的纳米颗粒(63、64)在不同的结晶方位下设置。

14.按权利要求11、12或13所述的覆层，其特征在于，所述纳米颗粒(63、64)被嵌入到含氢的碳涂层中。

15.按权利要求13所述的覆层，其特征在于，涂层由纳米结晶的材料形成。

16.按权利要求1或其后之一所述的覆层，其特征在于，在所述功能层(4)下方设有至少一个粘性中间层(3)，所述粘性中间层(3)基本由铬、钨或钛或者由过渡金属的硼化物、碳化物、氮化物或硅化物组成。

17.按权利要求1或其后之一所述的覆层，其特征在于，在所述功能层(4)的下方设有由含氢、含金属或含非金属的碳涂层形成的支撑层(3)，所述支撑层(3)一方面含有成份钨、钽、铬、钒、铪、钛、镍中的一种或多种，另一方面含有硅、氧、氟、氮中的一种或多种。

18.按权利要求1或其后之一所述的覆层，其特征在于，所述功能层的厚度在0.5微米和10微米之间。

19.按权利要求1或其后之一所述的覆层，其特征在于，所述碳涂层含有原子百分比小于20的氢。

20.一种方法，用于制造按权利要求1至19之一所述覆层，其特征在于，在沉淀方法中，为了将所述功能层敷设到表面上，按照确定的时间间隔分别改变至少一个工序参数，使得通过沉淀形成的不同区域的尺寸在覆层截面中不超过20nm。

21.按权利要求20所述的方法，其特征在于，所述工序参数如此地得到控制，以使得所述不同区域的尺寸在覆层的截面中不超过10nm。

22.按权利要求20或21所述的方法，其特征在于，压力、温度、掺杂物的掺加量、含氢量、转速这些个参数中的至少一个在制造所述功能层期间多次突然变化。

23.按权利要求20或其后之一所述的方法，其特征在于，所述覆层的制造在低于250℃的温度下进行。

24.气门挺杆，用于内燃机的能够通过凸轮操作的气门，所述气门挺杆具有按权利要求1至19之一所述的覆层。

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