CN106460158A - 具有降低的相对体磨损的摩擦学系统 - Google Patents

Abstract

具有显著改进的摩擦学行为的摩擦学系统，其包括具有至少部分涂覆有第一涂层的第一接触面的物体、具有至少部分涂覆有第二涂层的第二接触面的相对体和作为中间层的润滑剂，其特征在于第一和第二涂层各自包含作为最外层的层，其中选择第一涂层的最外层的组成和第二涂层的最外层的组成以使·两个最外层在其经受与钢的摩擦学接触时蹭涂在钢表面上，且·两个最外层是材料相关层，以使第一最外层的元素组成与第二最外层的元素组成至少60原子％相符。

Description

具有降低的相对体磨损的摩擦学系统

本发明涉及根据权利要求1的具有显著改进的摩擦学行为和降低的相对体(counter body)磨损的摩擦学系统。

摩擦学行为的优化是工具和用在机器、内燃机和齿轮箱中的组件设计中的基本目标。在许多情况下，为摩擦学系统的一方(在下文中称作“摩擦学物体(tribologicalbody)”或简称为“物体(body)”)提供层。使用该涂层，追求各种目标。尤其是要降低物体，例如切削工具的磨损。这尤其适用于工具应用，但对组件而言也是重要的。通常在其中两个组件摩擦学接触的摩擦学系统中，不仅要降低一方，即物体的磨损，还另外要降低摩擦学接触的另一方(在下文中称作“相对体”)的磨损。在许多组件应用中，例如在发动机领域中，最终要降低摩擦学系统中的摩擦系数，这是降低摩擦接触(摩擦接触＝摩擦学接触)中的磨损的要求。涂层在这些应用中的使用数十年来已经得到验证，工具涂层以及组件涂层都在工业上应用。

工具和组件的涂覆在许多情况下借助物理气相沉积(PVD)技术或等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)技术进行。涂覆方法，如溅射、阴极电弧蒸发和等离子体辅助的CVD或这些方法的各自的组合属于现有技术状况。阴极电弧蒸发法特别可应用于切削、冲压和成形工具的工具涂覆领域。其在较小程度上也用于组件涂覆，例如用氮化铬(CrN)涂覆活塞环。这种涂覆方法是稳健和可靠的并可以用其合成宽范围的涂层材料。该方法的缺点是在阴极材料的蒸发过程中出现并部分作为所谓的微滴嵌在涂层中的飞溅物(splashes)。这增加了它们的表面粗糙度并使得必须后处理这些涂层以用于其中需要低摩擦系数的应用。在活塞环上施加CrN层时，常见的涂层厚度是30微米至50微米。通过后处理除去大约3至5微米以实现层表面的所需表面粗糙度。如果不进行后处理，一方面存在由于CrN涂层的顶部粗糙度(通过Rpk和Rpkx值表征)相对体非常严重地磨损并另外可发生飞溅物或涂层粒子的崩出(breaking out)的危险，其还另外通过“砂效应(emery effect)”更快磨损相对体，这是因为它们具有比相对体高的硬度。但是，所提到的用于使施加的层平滑化的后处理步骤是标准程序并早已引入大规模生产中。在此，将不涉及特定类型的后处理，该术语应包括表面粗糙度的所有类型的改进，例如抛光、精研(lapping)、刷拭、研磨(grinding)等。

问题

省去后处理当然是有利的，这在现有技术状况下仅针对选定的涂覆方法和仅针对少数基于碳的材料可行。但是，通过后处理和改进层表面，并非解决了所有问题。在许多情况下，涂覆物体有时短暂地在润滑不足下运行，例如活塞环的情况也如此。因此对这样的摩擦学系统的一个重要要求在于它们在润滑不足的过程中不会完全失效，即没有对层的破坏，也没有对相对体的破坏。由于选择在其机械性质上比相对体材料硬的层材料，存在相对体材料在润滑不足的过程中转移到或蹭涂到涂层材料上的危险。为了检验这样的摩擦学系统(其中检验物体和相对体的行为)，已经开发出往复磨损试验(SRV试验，德语“Schwingungs-Reib-Verschleisstest)。在下文中，根据该试验，将弄清蹭涂问题并且将解释本发明的结果。SRV试验中的所有测量都在频率、下滑斜率(glideslope)、试验负荷(testload)和试验温度方面用相同参数进行，以使所有试验结果可比较。

对于这些试验，已用反应性阴极电弧蒸发法用不同材料涂覆物体。使用由钢(90MnCrV8，1.2842)制成的经抛光的盘(x 5.6mm)作为物体，其具有＞62HRC的洛氏硬度且表面粗糙度Ra≤0.05。使用由100Cr6(硬化钢，60-68HRC，)制成的钢球作为相对体。已经借助纳米压痕法测定要比较的层材料的机械性质并汇总在表1中。本领域技术人员会理解，也可通过变更涂覆方法而改变这些值并且在此仅为了按比例指示典型的关系和为了能够更好地理解来自SRV试验的结果而提到它们。已经针对不同条件对CrN、氮化钼(MoN)和氮化钼铜(MoCuN)进行了SRV试验：

A.干燥[A1](即无润滑，如油)或经润滑[A2](在本试验中始终使用柴油作为润滑剂)

B.经涂覆的物体+未经涂覆的相对体[B1]或经涂覆的物体+经涂覆的相对体[B2]

C.具有对涂层的后处理[C1]或不具有对涂层的后处理[C2]。

表1：用于SRV试验的层的机械性质

1.SRV试验：干燥，经涂覆的物体和未经涂覆的相对体，不具有对层的后处理

在图1中，显示在SRV试验中对CrN、MoN和MoCuN涂覆的物体获得的经时间的摩擦系数的曲线图，其在与抛光钢球接触、不使用润滑剂并且不存在对层的后处理的情况下获得。CrN(1)的摩擦系数在0.7至0.8的范围内并因此在所研究的层中最大。MoCuN(3)一开始也显示出0.7的摩擦系数，其在短时间后下降到0.6和更低。该曲线图以高噪声为特征。MoN(2)起始于0.5的最小摩擦系数，其在该试验结束时接近MoCuN的摩擦系数，在0.5至0.6的范围内。在该曲线进程中存在一些“爆发点(outbreaks)”，这可以用相对体材料的短暂蹭涂来解释。看起来这种蹭涂每次都再溶解。在MoCuN的曲线中在大约10分钟后出现的较大“噪音”归因于该涂层包含较大量的飞溅物(尤其较大的)的事实。原因在于用作电弧蒸发的阴极的MoCu靶通常显示出与纯Mo靶相比更高的飞溅物生成倾向。这些飞溅物会部分存在于沉积的层中。

图2显示在SRV试验后用光学显微镜作出的记录，其表征层(a-c)上的磨痕和相应的相对体(d-f)的磨损。该表中的上行显示该层在摩擦轨迹中的磨损。因此可以看出，在CrN(a)的情况下(也通过EDX分析证实)，出现了相对体材料(100Cr6)蹭涂在该层表面上，而在MoN(b)和MoCuN(c)层的情况下无法检测到这样的蹭涂。相对体的磨损显示在图2的下行中。磨损冠(wear cap)(在SRV试验过程中已磨损的未经涂覆的相对体的部分)的直径在CrN涂覆的物体(d)的情况下最大。对于MoN(e)，发现最轻微的磨损。在这种情况下，发生从含Mo层材料部分转移至相对体(磨损冠的深色着色)。MoCuN(f)在磨损方面处于中间位置，但也在相对体上显示出含Mo-和Cu-的转移。相对体的这种蹭涂看起来是没有材料转移至该层的基本原因。

概括而言，可以说，与CrN涂层相比，在MoN层的情况下，没有相对体材料蹭涂到该层上，尽管该层尚未被后处理并且没有使用润滑剂。原因因此在于，相对体至少部分被含Mo层蹭涂上。与CrN相比较，可以得出结论，相对体的蹭涂比适配其硬度对其磨损减小而言更重要。例如在CrN的情况下进行涂层硬度的适配，例如对于钢相对体降低该涂层硬度，这可通过变更涂层参数实现。较小的涂层硬度在润滑不足的情况下造成较少的相对体磨损，但当然，另一方面，具有较大的层磨损的危险。

还应该指出，一些碳质层通过牺牲一部分其自身的层材料，可以将石墨碳蹭涂到相对体上。但是，在高表面压力下，这些层体系失效，这可能归因于相对体的蹭涂没有良好的粘合性以及无法控制该层在较高温度下的“牺牲”并太快发生的事实。另外，在蹭涂接触中这种碳蹭涂的可靠性极大依赖于润滑剂。

为了全面性并且没有详细显示任何结果，要声明的是，对该层的后处理在这些干燥试验条件下没有带来显著改进，既没有降低层磨损，也没有降低相对体磨损。对该层的抛光略微减轻该问题，因为在较低摩擦系数下发生磨合(running-in)行为，但其没有解决该问题，因为大多在短摩擦接触后相对体材料在该层上的蹭涂重新开始，尤其是当涂层材料没有蹭涂到相对体上时。

2.SRV试验：经润滑，经涂覆的物体和未经涂覆的相对体，不具有对层的后处理

在进一步的试验中，研究了上述实例的润滑状况。用没有后处理的经涂覆的物体和未经涂覆的抛光相对体进行试验。使用标准柴油作为润滑剂。已进行使用其它油的试验，其在性质上提供相同的结果，尽管例如0W20 Mo-DTC油的摩擦系数显著小于柴油的摩擦系数。用柴油认定的摩擦系数显示在图3中。它们在润滑条件下显著更小并完全位于大约0.15至0.2之间的窄范围内。尽管CrN的摩擦系数在磨合后或多或少稳定，但可以检测到针对MoN和MoCuN的摩擦系数的小的稳步下降。相应的磨损图像显示在图4中。几乎不可检测到该层的磨损。基本发生该层的平滑化。推测来看，在这些简化试验条件下单个飞溅物未通过受迫的润滑剂输送被带走，在该层上造成微小划痕。与之相比，未经涂覆的相对体的磨损清晰可见。在该试验中，针对MoN的磨损冠直径最大，这可能是因为该材料也包含最大的硬度。CrN和MoCuN之间没有显著不同。概括而言，可以说，与干燥试验条件相比，附加的润滑剂有助于有力降低摩擦系数和涂层磨损，并且在所有情况下都没有像在干燥条件下对CrN观察到的那样材料从相对体转移到该层上。相对体磨损与干燥条件相比变小，但仍然突出，且针对最硬的涂层，即MoN最大。

3.SRV试验：对MoN涂层的对比研究

首先，应显示针对MoN涂层的结果，其获自润滑的实例：在对该涂层的后处理情况下的经涂覆的物体和未经涂覆的抛光相对体。这些是如今在现有技术状况的技术中用于摩擦学系统并带来良好结果的条件。因此，它们应充当基准，以能够更好地评估后文的本发明的步骤。对于该条件，在使用柴油作为润滑剂的情况下，获得来自图5的摩擦系数曲线(1)，其最终稳定在0.2的值。在此，再次提到，摩擦系数显著依赖于各特定润滑剂并例如在其它方面等同的试验条件下，在0W20 Mo-DTC油的情况下在等同条件下处于0.07。另外，经时间的摩擦系数的另外两个曲线显示在图5中。曲线(2)显示对于干燥条件、后处理过的经涂覆的物体和未经涂覆的抛光相对体的进程。试验结束时的摩擦系数在该曲线的宽区域中在0.5和0.6之间，因此不是非常不同于由未经后处理的层获得的曲线(比较图1)。但是，在该曲线末端，其骤然上升，然后再下降。相对体材料的短暂蹭涂可能是其原因。另外，在该图中已经引入了由干燥条件、经涂覆的物体和经涂覆的相对体、但在两面上都无经后处理的层产生的摩擦系数的进程(3)。令人惊讶地，该曲线大部分行进在(2)下方，并且也显著在该曲线下方处终止。对MoN层和相应的相对体的磨损显示在图6中。对于(1)，无法检测到该层的磨损。在相对体上也没有磨损。该涂层和相对体上的痕迹源自润滑剂的沾染(decoration)且相对体的沾染直径仅源自其在赫兹接触中的弹性变形。这是对于理想的摩擦学接触而言典型的结果并且是使用涂层优化摩擦学接触的目标。曲线(2)几乎未显示对该层的任何磨损(着色仍是经油的沾染)。但是，相对体具有显著磨损，这与图1中的情况A1/B1/C2几乎没有不同。对于曲线(3)，该经时间的摩擦系数曲线显示出令人关注的行为。如果比较图5的(1)与(3)，可以看出，在后者的进程中，在一定时间后，摩擦系数从0.5至0.6的区域连续降低到大约0.4的值。这一效应可解释为某种自平滑。0.4的摩擦系数对大多数应用而言仍然太大。但在类似的物体和相对体的未经后处理的涂层的情况下的自平滑效应迹象仍然令人惊讶。

为此，已进行该物体以及相对体都被涂覆并实际上被相同层材料涂覆的试验。在涂覆后，经涂覆的物体和经涂覆的相对体都未被后处理。在图7中，作为时间的函数显示测得的摩擦系数。CrN系统以0.4的最低摩擦系数磨合并在试验过程中升高到0.4至0.5之间的值。MoCuN起始于大约0.5的摩擦系数下，并在几分钟后降至CrN的值附近。作为最硬的涂层，MoN的摩擦系数(该曲线已显示在图5中)一开始具有在0.5至0.6之间的值，然后在该试验结束时也降低到0.4至0.5之间的值。在图8中显示相应的磨损图像。与未经涂覆和经抛光的相对体(图2)相比，相对体的涂层在所有情况下都带来显著更小的磨损冠直径和因此更小的相对体磨损。就此而言，在CrN和MoN之间几乎无法检测到差异。甚至在MoCuN的情况下，磨损冠直径也微不足道地更大。在此，可注意到在磨痕边缘增加的沉积物，这由在MoCu的阴极电弧蒸发的情况下发生的较大飞溅密度(splash density)造成。在试验结束时，摩擦系数彼此接近。在这些条件下没有发生蹭涂。

上述结果可概括如下：

·在干燥运行下(也准用于润滑不足，尽管较不强烈)，在具有和不具有对该层的后处理的情况下，未经涂覆的100Cr6相对体都磨损。在许多层体系(在此仅显示CrN作为实例，但这也对几乎所有含Al的层，如AlCrN、AlCrO、TiAlN以及也对较不硬的氮化物层，如TiN、ZrN、NbN是有效的)的情况下，在较软相对体的情况下，存在材料从相对体转移至较硬的层。

·基于MoN的层在这些条件下也磨损相对体，但不存在材料从相对体转移至该层。其原因在于基于MoN的层在相对体上蹭涂有含Mo层。

·在没有对层的后处理的情况下，未经涂覆的相对体在润滑条件下也磨损，尽管摩擦系数低。

·不仅对物体涂覆、还另外对相对体涂覆对于干燥条件而言显著降低摩擦学系统的摩擦系数以及相对体的磨损。不发生蹭涂效应。

从所描述的内容可推导出要解决的下列问题：

·其中仅涂覆物体(例如CrN)的许多摩擦学系统即使其仅短时间在不足的润滑或干摩擦条件下运行也会失效。可能的原因可为不足或短期中断的润滑供应或摩擦双方(friction partners)的短期高接触压力，这从接触表面推出比预期多的润滑剂。作为其结果，并且由于涂层材料在大多数情况下具有更好的机械和热性质，可以检测到相对体蹭涂到经涂覆的物体上。相对体材料的蹭涂会造成摩擦学系统中的卡滞(jamming)和部分或完全的阻塞(blockade)。因此必须防止卡滞。因此本发明的最重要目标是防止或减少在摩擦学系统发生润滑不足的情况下与经涂覆的物体接触的相对体的磨损。

·借助阴极电弧蒸发制备(以及通常其它的PVD涂层，例如通过溅射制备的层)并且必须满足摩擦学应用的要求的层通常必须被后处理以降低它们的表面粗糙度和因此降低相对体的磨损。取决于基底几何结构，后处理需要付出很大努力，另外，最佳的后处理还应匹配相对体(例如表面质量)。因此本发明的另一目标是不再需要对预计在润滑条件下使用的经涂覆的部件进行后处理。

·在大多数情况下不存在对在机械上适配于层的相对体材料的自由选择。其原因是高材料成本、此类材料的可用性或因为对此类材料的加工太困难和昂贵。这一限制将被解决。

对本发明的解决方案的描述

不仅凭借物体的涂层，还另外凭借相对体的涂层来解决所描述的问题，其中物体和相对体的涂层在其表面上基本包含相同的材料相关(material-related)层。

选择这些层以使物体和相对体的基本上种类相关涂层(kind-related coatings)在添加润滑剂的情况下自平滑，而不需要用于任一层的后处理。

在本发明的上下文中，材料相关涂层是包含不是绝对等同但至少60原子％相符的元素组成的层。

这意味着当第一层或涂层的元素组成与第二层或涂层至少60原子％相符时，第一层或第一涂层和第二层或第二涂层是材料相关层或材料相关涂层。

解决所述问题的另一条件是层材料至少部分蹭涂在相对体上的性质。

解决所述问题的另一条件是层材料的如下性质：存在于该层或其表面中的飞溅物(也称作微滴)不与该层强复合，这意味着它们容易移除，这可例如通过后处理和对表面质量的测定证实，其中后处理后Rpk和Rpkx小于Rvk和Rvkx。

该解决方案基于包含Mo或MoN的涂层，其包括可包含附加的其它元素掺杂剂的基于MoN的层材料。

借助PVD法或PECVD法或这些方法的组合实现对物体和相对体的涂覆。优选涂覆方法是反应性阴极电弧蒸发。在该方法中，在真空中借助阴极电弧蒸发由Mo或来自Mo和一种(或多种)相应掺杂剂元素的合金制成的阴极(＝靶)并借助气体流量控制器将相应的反应性气体添加到该工艺中。借助气体流量或总压力来控制反应性气体的添加。该方法是本领域技术人员公知的并且多年来用于工业规模涂覆。当然，可以通过另一由掺杂剂材料制成的靶或通过添加气体在该涂层中引入掺杂剂。在后一情况下，借助可控制的气体入口供应电弧放电或另一气体放电的相应气体并且所述气体完全或部分在电弧放电等离子体或另一辅助等离子体中分解或激发。以此方式，例如，可以产生MoN或MoCuN(表示具有Cu掺杂剂的MoN层)。该层表面的粗糙度是已经通过电弧蒸发制备的层的特征，这主要由在电弧蒸发过程中生成(但还可由例如借助溅射的蒸发生成)的大粒子(或飞溅物)造成。但是，由这些飞溅物造成的该层之中/之上的粗糙度提高在电弧蒸发的情况下尤其显著。例如借助抛光或刷拭或微喷砂(micro blasting)的后处理没有对借助电弧蒸发制备的所有层都表现出显著的粗糙度降低。这归因于在该层中对飞溅物的引入稳定程度不同的事实，这是对该层的后处理在效率上或高或低的原因。但是，在基于MoN的层的情况下，后处理对纯MoN层以及对具有掺杂剂的层都表现良好。这显示在图9中，其中在后处理(在此例如借助刷拭，但这不应被理解为限于这种方法)之前和之后，将大致同样厚的MoN层的粗糙度与具有MoCuN的层的粗糙度相比较。试验用的经抛光的钢基底的初始粗糙度为Rz＝0.2μm和Ra＝0.02μm。这意味着借助该涂层，已显著提高未经涂覆的经抛光的基底的初始粗糙度。如该图中针对MoN(黑色)和MoCuN(灰色)层的值证实，根据涂层的种类，粗糙度的提高可以不同。在该图中比较包含大致相同的层厚度(2微米)的两个层。但是，经验还表明，使用电弧涂覆的层粗糙度不仅取决于涂层材料，还连同层厚度提高，这是因为撞击在表面上的飞溅物的数量积聚。对层的后处理应该从层表面除去飞溅物或飞溅物应该容易地使自身平滑化。图9中的数据证实这适用于MoN和MoCuN层。在该图中，后处理前的层的粗糙度参数显示在左象限中，后处理的参数显示在右象限中。在比较中，一方面可以看出，该后处理包含显著效果。这尤其可通过顶部粗糙度Rpk和Rpkx确认，其仅次于Rz和Ra值的显著降低。同样令人惊讶的是，经后处理的MoN和MoCuN层在其粗糙度值方面几乎没有彼此不同。这在后处理前完全不同。MoN和MoCuN的Rz和Ra值显著彼此不同，其中MoCuN表现出为MoN的大约两倍大的值。甚至更为显著的是后处理前Rpk和Rpkx值的差异，同样该差异在后处理后微不足道地小。还可以看出后处理后的Rvk和Rvkx值的显著降低，但两个层之间的该差异相比其它粗糙度参数仍更显著。

已对涂覆前具有充分抛光的基底表面的基底进行图9中的研究。显然，对于许多应用没有这样的充分抛光的表面并且这些无法制备或只能在巨大的经济投入下制备。因此也研究“技术级表面(technical surfaces)”，其粗糙度值位于层粗糙度范围内或甚至更高。对涂覆之前和之后的阀轴的典型表面的测量结果汇总在表2中。已经确认阀轴上的Rpkx值为1.33微米。借助刷拭实现对阀轴的后处理，此后再进行粗糙度测量。借此，Rpkx值降至初始值的大约25％，意味着通过涂覆和后处理的组合，已显著降低阀轴表面的初始粗糙度。这在该方面也令人惊讶，因为例如MoN层的机械性质包含在硬度和弹性模量方面显著更高的值(比较表1)，冷作钢以及快速工作钢(fast work steel)的情况也如此。无法对其给出解释。

表2：阀轴的MoN涂覆之前和之后(具有后处理)的表面特征的比较

总之可以说，可容易地后处理基于MoN的层且该后处理使得顶部粗糙度特征值Rpk和Rpkx显著降低。此外，可以通过涂覆和后处理的组合降低初始基底粗糙度。

在关于基于MoN的层的后处理能力描述了它们的制备和性质后，应该更详细论述以迄今不明的方式与该性质相互关联的本发明。关于图7和图8，已经指出，该SRV试验在物体和相对体都被涂覆的情况下并在SRV试验中在干燥条件(try condition)下提供某种程度上惊人的结果：

·与经过后处理的经涂覆的物体和未经涂覆的抛光相对体的情况(0.5至0.6)相比，MoN的摩擦系数显著更小(0.4至0.5)。

·与未经后处理的经涂覆的物体和经抛光的未经涂覆的相对体针对润滑条件的情况相比，相对体磨损显著更小。

后者尤其表现出相对体磨损关于摩擦系数、摩擦学接触的两方(partners)的表面粗糙度和摩擦两方的硬度的复杂行为。还表明，低摩擦系数不是对于低相对体磨损的充分条件。对摩擦学系统必须优化摩擦系数和相对体磨损。

4.SRV试验：润滑、经涂覆的物体和经涂覆的相对体，不具有对涂层的后处理

基于上文论述的结果，现已经非常关注用经涂覆的物体和经涂覆的相对体在润滑条件下进行SRV试验。这些试验的摩擦系数的进程显示在图10中。所有曲线表现出仅图3中的曲线1可相比的非常低的噪音。大约0.2的最大摩擦系数包括经CrN涂覆的一对。MoN和MoCuN几乎不能互相区分。这甚至对于磨合(running-in)也是如此。在试验结束时，摩擦系数表现出在0.16至0.17之间的值。这些摩擦系数也不大于来自图3中的曲线2的摩擦系数(其为0.17)。但是，由上述检查可以获知，低摩擦系数不保证低磨损，尤其是对相对体磨损而言不保证。磨损检查显示在图2中。层几乎没有磨损。只有在CrN的情况下可检测到条纹，这表明被润滑油沾染以及来自从该层中脱出的飞溅物的划痕。在CrN的情况下相对体也包含这样的条纹。值得注意的是尽管在MoCuN情况下表面粗糙度较大，但在相应的相对体上没有这样的条纹的事实。在MoN以及MoCuN的情况下，在层上以及在相对体上均不可测得磨损。只可观察到在两面上的平滑化，其区域由经赫兹压缩(Hertzian pressing)的变形来限定。这些结果表明利用物体和相对体的涂层并在润滑条件下，发生基于MoN的材料中的自平滑化，即这两个涂层都不必被后处理以获得如它们在图5的曲线1中表现出的理想状况。

本发明是用于改进摩擦学行为和降低下列的磨损的出色解决方案：

·蜗轮、行星齿轮、差动齿轮、曲柄机构、滚柱齿轮、齿轮(wheels gears)、螺旋齿轮、锁闭齿轮的部件，如嵌齿轮、正齿轮、球轮(ball wheels)以及它们的轴和轴承

·压缩机的部件，如活塞、翼、叶片、旋转叶片

·滚珠轴承的部件，如滚珠(ball)、保持器(cages)、辊(rolls)、滚轴(rollers)

·泵的部件，如压力螺栓、挺杆、活塞

·工具，如模制工具、成形和冲压工具、螺纹工具(threading tool)、切削工具

·机床的部件，如夹紧系统、连接件、导轨

·纺织机的部件，如导丝器、纺锤(spindles)、纺丝环(spinning ring)、绳夹

·内燃机和它们的动力传输系统的部件，如气缸、活塞、活塞螺栓、挺杆、杯式挺杆(cup tappets)、壶式挺杆(pot tappets)、平底挺杆(flat tappets)、菌形挺杆(mushroomtappets)、辊挺杆(roll tappets)、活塞环、活塞泵、连杆、连杆轴承、径向轴封、轴承、套筒、轴、曲轴、曲轴轴承、凸轮轴、凸轮轴轴承、轮驱动装置(wheel drives)、油泵、水泵、注射系统、摇臂(rocker arms)、摆臂(swing arms)、凸轮从动件、外壳、涡轮增压器部件、翼、螺栓、阀控制器、阀动装置(valve gear)、入口和出口阀、冷却剂泵的轴承、注射泵的部件

·发条装置和它们的组件

·真空泵，如增压泵、罗茨泵和涡轮分子泵的部件，特别是轴承

·密封件和阀

·涡轮机的部件，如轴承和杆

·风力发电机的部件，如轴承。

图例：

图1：针对用CrN(1)、MoN(2)和MoCuN(3)涂覆物体，在SRV试验条件A1/B1/C2下的经时间的摩擦系数的曲线图

图2：针对试验条件A1/B1/C2的CrN(a)、MoN(b)和MoCuN(c)层上的磨痕(上行)以及未经涂覆的相对体的相应磨损(d-f，下行)的光学显微镜记录

图3：针对用CrN(1)、MoN(2)和MoCuN(3)涂覆物体，在SRV试验条件A2/B1/C2下的经时间的摩擦系数的曲线图

图4：针对试验条件A2/B1/C2的CrN(a)、MoN(b)和MoCuN(c)层上的磨痕(上行)以及未经涂覆的相对体的相应磨损(d-f，下行)的光学显微镜记录

图5：在MoN涂层情况下针对试验条件A2/B1/C1(1)、A1/B1/C1(2)和A1/B2/C2的经时间的摩擦系数的曲线图

图6：MoN层针对SRV试验中的不同条件的磨损的比较。针对条件A2/B1/C1(a对d)、A1/B1/C1(b对e)和A1/B2/C2(c对f)的磨痕(上行)和相应的相对体磨损(下行)的光学显微镜记录

图7：针对用CrN(1)、MoN(2)和MoCuN(3)涂覆物体，在SRV试验条件A1/B2/C2下的经时间的摩擦系数的曲线图

图8：针对试验条件A1/B2/C2的CrN(a)、MoN(b)和MoCuN(c)层上的磨痕(上行)以及涂覆有相同层的相对体的相应磨损(d-f，下行)的光学显微镜记录

图9：后处理之前(左)和之后(右)的MoN和MoCuN层的比较。可以看出后处理导致Rpk和Rpkx值的显著降低。对于Rvk和Rvkx值也如此。但这些值的降低没有Rpk和Rpkx值明显(关于这些值的定义，见[2])。

图10：针对用CrN(1)、MoN(2)和MoCuN(3)涂覆物体，在SRV试验条件A2/B2/C2下的经时间的摩擦系数的曲线图

图11：针对试验条件A2/B2/C2的CrN(a)、MoN(b)和MoCuN(c)层上的磨痕(上行)以及未经涂覆的相对体的相应磨损(d-f，下行)的光学显微镜记录。

在实践中，本发明涉及摩擦学系统，其包括具有至少部分涂覆有第一涂层的第一接触面的物体、具有至少部分涂覆有第二涂层的第二接触面的相对体和作为中间层(interbedding)的润滑剂，其特征在于第一和第二涂层各自包含作为最外层的层，其中选择第一涂层的最外层的组成和第二涂层的最外层的组成以使

·两个最外层在其经受与钢的摩擦学接触时蹭涂在钢表面上，且

·两个最外层是材料相关层，以使第一最外层的元素组成与第二最外层的元素组成至少60原子％相符。

根据本发明的一个优选实施方案，第一涂层的最外层的表面和/或第二涂层的最外层的表面不被后处理，以使第一涂层的最外层的表面和/或第二涂层的最外层的表面在摩擦学接触(在物体和相对体的接触面之间)开始时包含微滴，所述微滴通过两个接触面的相对运动自平滑化和/或使自身被去除。这种具有微滴的最外层可例如通过电弧蒸发沉积。电弧层通常具有优异的层质量，但同时具有包含微滴的缺点。因此这样的层在摩擦学应用之前必须被后处理，以这样的方式平滑化或去除微滴。但是，根据本发明的这一优选实施方案，微滴并非不利，而相反非常有利，因为这些微滴有助于互相平滑化，而不产生层破坏或层剥落。

在根据本发明的摩擦学系统中，如果微滴未与层强复合，本发明人观察到基本良好的摩擦学行为。本发明人进一步观察到，在机械后处理后或在摩擦学系统的运行过程中的摩擦学接触后，检查的最外层在这些情况下的粗糙度值Rpk和Rpkx已经小于粗糙度值Rvk和Rvkx。

根据另一优选实施方案，第一涂层的最外层和/或第二涂层的最外层包含钼。甚至更优选第一涂层的最外层和/或第二涂层的最外层包含氮化钼。

特别有利地，本发明人已经发现，至少一个包含氮化钼的层包含选自元素Cu、Cr、Ti、Zr、Si、O、C、Zr、Nb、Ag、Hf、Ta、W、B、Y、Pt、Au、Pd和V的掺杂剂元素或掺杂剂元素的组合。优选地，至少在含氮化钼的层之一中，掺杂剂元素是Cu或掺杂剂元素的组合主要包含Cu。

根据本发明的另一进一步优选的实施方案，第一和/或第二涂层包含至少一个在最外层下方的另外的层，其中下方的层是氧化物层。如果该摩擦学系统最初设定在低温，例如室温下并随后在更高温度下运行，该实施方案尤其有利。在这些情况下，其也可以是借助电弧蒸发沉积的氧化物层。则该最外层可充当牺牲层，以使它们发动经涂覆的接触表面的平滑化。以此方式温和地平滑化或除去氧化物层的微滴，而不破坏氧化物层中的微滴或不造成涂层的剥落。

优选第一和第二涂层各自在最外层下方包含氧化物层，其中选择这两个氧化物层的组成以使所述氧化物层是材料相关层，以使第一涂层中的氧化物层的组成与第二涂层中的氧化物层的组成至少60原子％相符。

优选地，至少所述涂层的最外层借助电弧蒸发沉积。以此方式至少所述最外层中存在的微滴是“特征性的(characteristic)借助电弧蒸发产生的微滴”且所述层包含在其它层性质方面优异的层质量。

优选也借助电弧蒸发沉积氧化物层并因此包含“特征性的微滴”和优异的层质量。

但是，第一和第二涂层还可包含另外的下方层，其例如可包含一个或多个载体层或一个或多个用于提高所述涂层与基底之间的粘合的底涂层。

Claims (11)

1.摩擦学系统，其包括具有至少部分涂覆有第一涂层的第一接触面的物体、具有至少部分涂覆有第二涂层的第二接触面的相对体和作为中间层的润滑剂，其特征在于第一和第二涂层各自包含作为最外层的层，其中选择第一涂层的最外层的组成和第二涂层的最外层的组成以使

·两个最外层在其经受与钢的摩擦学接触时蹭涂在钢表面上，且

·两个最外层是材料相关层，以使第一最外层的元素组成与第二最外层的元素组成至少60原子％相符。

2.根据权利要求1的摩擦学系统，其特征在于第一涂层的最外层的表面和/或第二涂层的最外层的表面在摩擦学接触开始时包含微滴，所述微滴通过两个接触面的相对运动平滑化和/或使自身被去除。

3.根据权利要求2的摩擦学系统，其特征在于所述微滴未与层强结合，以使在机械后处理后或在摩擦学系统的运行过程中的摩擦学接触后粗糙度值Rpk和Rpkx小于粗糙度值Rvk和Rvkx。

4.根据前述权利要求之一的摩擦学系统，其特征在于第一涂层的最外层和/或第二涂层的最外层包含钼。

5.根据前述权利要求之一的摩擦学系统，其特征在于第一涂层的最外层和/或第二涂层的最外层包含氮化钼。

6.根据权利要求5的摩擦学系统，其特征在于至少一个包含氮化钼的层包含选自元素Cu、Cr、Ti、Zr、Si、O、C、Zr、Nb、Ag、Hf、Ta、W、B、Y、Pt、Au、Pd和V的掺杂剂元素或掺杂剂元素的组合。

7.根据权利要求6的摩擦学系统，其特征在于至少在包含氮化钼的层之一中，掺杂剂元素是Cu或掺杂剂元素的组合主要包含Cu。

8.根据前述权利要求之一的摩擦学系统，其特征在于第一和/或第二涂层包含至少一个在最外层下方的另外的层，其中下方的层是氧化物层。

9.根据权利要求8的摩擦学系统，其特征在于第一和第二涂层各自在最外层下方包含氧化物层，其中选择这两个氧化物层的组成以使所述氧化物层是材料相关层，以使第一涂层中的氧化物层的组成与第二涂层中的氧化物层的组成至少60原子％相符。

10.根据权利要求2至9之一的摩擦学系统，其特征在于至少所述涂层的最外层借助电弧蒸发沉积，且因此存在的微滴是在进行电弧蒸发过程时产生的特征性的微滴。

11.根据权利要求8至10之一的摩擦学系统，其特征在于所述氧化物层借助电弧蒸发沉积并因此包含特征性的微滴。