CN110234787A - 层系统和构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种层系统(1)，其包括至少一个增附剂层(2a、2b)和多个布置在至少一个增附剂层(2a、2b)上的功能层(3、4、5、6)，其中，每个功能层(3、4、5、6)包括由包括第一金属成分的第一金属氮化物构成的第一纳米子层(3a、4a、5a、6a)和金属的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)，其中，每个功能层(3、4、5、6)具有在1nm至100nm的范围内的层厚d。本发明此外还涉及一种构件(100)，其包括金属的基底(10)和至少部分布置在基底(10)的表面上的层系统(1)。

Description

层系统和构件
技术领域
本发明涉及一种层系统，其包括至少一个增附剂层和多个布置在至少一个增附剂层上的功能层。本发明此外还涉及一种构件，其包括金属的基底和布置在基底上的这样的层系统。在此，层系统应该用作磨损保护层。
背景技术
开头提到的类型的层系统和构件是充分已知的。就此，DE 10 2011 006 294 A1公开了一种用于制造经覆层的金属构件的方法。施加到金属构件上的层系统包括至少一个特别是金属的增附剂层和功能层。功能层例如是氮化的硬质材料层或由氮化的硬质材料和金属成分构成的纳米复合材料层，金属成分例如通过化学元素周期表的第3至5主族元素或第1至8副族元素形成。
由WO 2012/078151 A1已知氮化的磨损保护层和以氮化的磨损保护层进行覆层的构件。磨损保护层具有氮化钼颗粒，其以5nm至100nm的范围内的颗粒大小分布在铜基体中，其中，铜基体以0.1重量％至50重量％存在于磨损保护层中，并且包围各个氮化钼颗粒。
证实的是，在现有技术中描述的复合材料层(其包括金属基体和嵌入金属基体中的氮化的硬质材料颗粒)虽然构造出磨损保护层，然而尤其是在层系统和摩擦对象之间的接触面的区域中使用润滑剂的情况下没有实现充分减小相对于摩擦对象的摩擦。类金刚石层(也被称为DLC层)构造出磨损保护层并且即使在使用润滑剂的情况下也提供相对于摩擦对象的有效的摩擦减小，而这在所描述的包括金属基体和嵌入金属基体中的氮化的硬质材料颗粒的复合材料层的情况下不能够以相同的方式观察到。
发明内容
本发明的任务是提供一种层系统，其包含至少一种氮化的硬质材料，该硬质材料用作磨损保护层，并且在使用润滑剂的情况下出现的摩擦磨损中导致相对于摩擦对象的摩擦减小。此外，本发明的任务是提供一种构件，该构件至少部分以这种层系统来进行覆层。
该任务通过层系统解决，层系统包括：
-至少一个增附剂层；和
-多个布置在至少一个增附剂层上的功能层，其中，每个功能层具有由包括第一金属成分的第一金属氮化物构成的第一纳米子层和金属的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)，其中，每个功能层(3、4、5、6)具有在1nm至100nm的范围内的层厚d。
“纳米子层”在本发明的意义下理解为单层，单层具有在0.1nm至99.9nm的范围内的层厚。在此，两个纳米子层共同构造出具有层厚d的功能层。尤其地，纳米子层的层厚位于1nm至20nm的范围内。
以令人吃惊的方式证实的是，根据本发明的层系统提供高的磨损保护作用，并且此外与使用开头提到的复合材料层时相比，在使用润滑剂的情况下导致相对于摩擦对象的更有效的摩擦减小。
在此，润滑剂理解为润滑油、润滑脂、蜡、固体润滑物质等，以及它们的组合，以及还理解为包含常规的发动机添加剂的润滑油。
在此优选的是，金属的第二纳米子层由化学元素周期表的第3至7副族的至少一种金属形成。特别优选的是，金属的第二纳米子层由至少一种来自包括铜、钯、银、铂、铱、金的组的金属形成。在此尤其地，第二纳米子层优选由铜形成。
优选地，至少一个增附剂层包括由另外的金属和包括第二金属成分的第二金属氮化物构成的第一增附剂层。在此，另外的金属或第二金属成分可以与第一纳米子层的第一金属氮化物的第一金属成分相同或不同地选择。尤其地，第一增附剂层由铬、铬-铝合金、钛、钼或锆形成。备选地证实的是，第一增附剂层由氮化铬CrN、氮化钛TiN、CrAlN或氮化钼MoN形成。
第一增附剂层具有在0.01μm至2μm的范围内的优选的层厚。
此外优选的是，至少一个增附剂层包括第二增附剂层，其中，第二增附剂层包括设置在功能层中的第一金属氮化物的第一金属成分并且此外包括包含在第一增附剂层中的另外的金属或第二金属成分。第二增附剂层在此尤其是具有梯度曲线，其中，包含在第一增附剂层中的另外的金属或第二金属成分的份额沿向着多个功能层的方向减小，并且设置在功能层中的第一金属氮化物的第一金属成分的份额相应增大。第二增附剂层因此建立了在第一增附剂层和与第二增附剂层相邻的功能层之间的过渡。
第二增附剂层具有在0.01μm至2μm的范围内的优选的层厚。
在此优选地，依次地布置第一增附剂层、在第一增附剂层上布置第二增附剂层并且在第二增附剂层上布置多个功能层。
尤其地，功能层的数量n在10至10000的范围内，特别优选在100至1000的范围内存在。
在本发明的特别优选的实施方式中，包括至少一个增附剂层和多个功能层的层系统具有在0.1μm至10μm的范围内的总层厚D。在这种总层厚的情况下，一方面，可以在同时很小的制造时间和很小的过程成本的情况下获得层系统在基底上的优秀的附着，以及另一方面，可以实现有效的磨损保护和在使用润滑剂的情况下的摩擦减小。
优选地，第一纳米子层的第一金属氮化物通过氮化钼MoN形成。但备选地，第一金属氮化物也可以通过另外的氮化的硬质材料、如CrN、Cr2N、TaN、NbN、TiN、Ti2N、ZrN、VN、AlN形成。
证实的是，每个功能层的第一纳米子层比从属于该功能层的第二纳米子层更厚地构造。由此，可以优化层系统的减小摩擦的特性。
层系统的功能层的总和优选具有在0.1至20原子％的范围内的第二纳米子层的金属的平均份额。
根据本发明的层系统优选借助PVD方法(PVD＝物理气相沉积)在小于350℃的温度的情况下构造。
层系统尤其是具有在1000HV至4000HV的范围内的维氏硬度。由此确保高的磨损保护。
任务此外还通过如下构件解决，该构件包括金属的基底和至少部分布置在基底的表面上的根据本发明的层系统，其中，至少一个增附剂层，尤其是第一增附剂层与基底相邻地布置。
金属的基底优选由钢形成。在此尤其地，如16MnCr5、C45、100Cr6、31CrMoV9、80Cr2、42CrMo4或类似的钢种类是优选的。
构件尤其是构造为机器构件，其形式尤其是杯形挺杆、链部件、滚动轴承部件、控制活塞、轴承套、摇臂、滚轮挺杆部件、滑动轴承部件等。
为了以PVD方法(PVD＝物理气相沉积)构造层系统，优选地使用用于阴极原子化的设备。
在第一步骤中，将至少一个增附剂层至少部分施加到至少一个基底上。尤其地，例如由铬构成的金属的第一增附剂层沉积在至少一个基底的表面上。在此，可以进行第一增附剂层在基底上的全面的或部分的沉积。
随后，尤其是由铬和钼构成的第二增附剂层沉积在第一增附剂层上。在此优选地，铬的含量从第一增附剂层出发沿向着功能层的方向减小。
为了构造功能层，基底例如布置在基底保持器上，基底保持器在用于阴极原子化的设备的真空腔内是能居中地围绕垂直的轴线旋转的。在真空腔的对置的侧壁上布置有由不同的原子化材料形成的靶。在此，该工作步骤借助功能层示例性地描述，功能层分别包括由氮化钼MoN构成的第一纳米子层和由铜构成的第二纳米子层。在真空腔的第一侧壁上布置有至少一个铜靶，并且在对置的侧壁上布置有至少一个钼靶。一个或多个基底以能围绕垂直的轴线旋转的方式布置在基底保持器上和真空腔内，从而每个基底交替进入至少一个铜靶的影响区域和至少一个钼靶的影响区域。作为反应气体的氮气引入真空腔内，氮气在至少一个钼靶的区域中与原子化的钼(其是氮化物形成剂)反应，并且作为由氮化钼MoN构成的第一纳米子层沉积在基底上。现在，基底通过基底保持器向至少一个铜靶的方向旋转，并且在由MoN形成的第一纳米子层上沉积由铜Cu构成的第二纳米子层，由此，制成第一功能层。为了施加另外的功能层，基底现在通过基底保持器进一步向至少一个钼靶的方向旋转，并且在由铜形成的第二纳米子层上形成由MoN构成的另外的第一纳米子层。基底通过基底保持器重新向至少一个铜靶的方向旋转，并且在由MoN形成的另外的第一纳米子层上沉积由铜构成的另外的第二纳米子层，由此，制成第二功能层。现在，以相同的方式施加大量另外的功能层，直到优选地达到层系统的在0.1μm至10μm的范围内的总层厚D。在此，基底保持器的转动速度直接影响层厚和纳米子层的数量。在其他沉积条件不变的情况下转动速度选择得越高，纳米子层的层厚就越小，并且层系统中的纳米子层的数量n越高。
但是，连续生产设施也可以用于阴极原子化，以便制造层系统，其中，基底沿穿行方向传输通过真空腔。在此，除了沿穿行方向的运动以外，基底还可以围绕其纵轴线转动或转向。
随后描述一些特别优选的根据本发明的层系统：
层系统1：
第一增附剂层：铬
第二增附剂层：铬、钼
功能层：第一纳米子层：MoN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统2：
第一增附剂层：铬
第二增附剂层：铬、铌
功能层：第一纳米子层：NbN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统3：
第一增附剂层：铬
第二增附剂层：铬、钛
功能层：第一纳米子层：TiN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统4：
第一增附剂层：铬
第二增附剂层：铬、钽
功能层：第一纳米子层：TaN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统5：
第一增附剂层：铬
第二增附剂层：铬、锆
功能层：第一纳米子层：ZrN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统6：
第一增附剂层：氮化铬
第二增附剂层：铬、锆
功能层：第一纳米子层：ZrN
第二纳米子层：Pd
功能层在此存在至少10次。
层系统7：
第一增附剂层：氮化铬
第二增附剂层：铬、钼
功能层：第一纳米子层：MoN
第二纳米子层：Ag
功能层在此存在至少100次。
层系统8：
第一增附剂层：钛
第二增附剂层：钛、钼
功能层：第一纳米子层：MoN
第二纳米子层：Au
功能层在此存在至少100次。
层系统9：
增附剂层：钼
功能层：第一纳米子层：MoN
第二纳米子层：Cu
功能层在此存在至少10次。
层系统10：
第一增附剂层：氮化钛
第二增附剂层：钛、钼
功能层：第一纳米子层：MoN
第二纳米子层：Ir
功能层在此存在至少10次。
附图说明
根据本发明的层系统和形式为因此至少部分经覆层的基底的构件应该借助图1和2示例性地阐述。其中：
图1示出具有层系统的构件；和
图2在横截面图中以俯视图示出用于在基底上形成第一层系统的设备。
具体实施方式
图1示出具有层系统1的构件100，层系统施加到基底10的表面10a的一部分上。基底10在此由钢形成。从基底10的表面10a出发，层系统1包括增附剂层2，增附剂层包括由铬构成的第一增附剂层2a和由铬和钼构成的第二增附剂层2b。第二增附剂层2b的铬的份额遵循一个梯度，并且从第一增附剂层2a出发朝功能层3、4、5、6的方向降低。在此，为了清楚起见仅示出了所设置的数量为n＝15个的功能层的其中四个功能层。在第二增附剂层2b上施加第一功能层3，第一功能层包括由氮化钼MoN构成的第一纳米子层3a和位于其上方的由铜Cu构成的第二纳米子层3b。在第一功能层3上施加第二功能层4，第二功能层同样包括由氮化钼MoN构成的第一纳米子层4a和位于其上方的由铜Cu构成的第二纳米子层4b。在第二功能层4上施加第三功能层5，第三功能层同样包括由氮化钼MoN构成的第一纳米子层5a和位于其上方的由铜Cu构成的第二纳米子层5b。在第三功能层5上施加第四功能层6，第四功能层同样包括由氮化钼MoN构成的第一纳米子层6a和位于其上方的由铜Cu构成的第二纳米子层6b。层系统1的总层厚D在此是0.5μm。每个功能层3、4、5、6的层厚在此是15nm，其中，每个第一纳米子层3a、4a、5a、6a具有大约10nm的层厚，并且每个第二纳米子层3b、4b、5b、6b具有大约5nm的层厚。
图2在横截面图中且以俯视方式仅示例性和示意性示出用于在基底10上形成根据图1的层系统1的设备。设备仅示意性示出，并且包括具有真空腔201的真空容器200，在真空腔内布置有基底保持器202。基底保持器202以能围绕垂直的轴线205旋转的空心柱体(参见用于表示图2中的转动方向的箭头)的形式构造，在空心柱体的外侧紧固有多个基底10。在真空容器200的在真空腔201内对置的侧壁上布置有靶203、204。靶203是至少一个用于原子化钼和构造第一纳米子层3a、4a、5a、6a(参见图1)的钼靶，而另外的靶204是至少一个用于原子化铜和构造第二纳米子层3b、4b、5b、6b的铜靶。在真空腔201内调节出负压，其中，包含氮气的大气作为反应气体存在。在阴极原子化中，靶203的钼被原子化，并且在真空腔201内与氮气反应。由MoN构成的第一纳米子层3a、4a、5a、6a沉积在基底10上，基底在基底保持器202旋转时分别位于靶203与基底保持器202之间。基于基底保持器202的旋转，覆层有第一纳米子层3a、4a、5a、6a的基底10因此朝靶204的方向传输，直到基底位于靶204与基底保持器202之间。现在，在第一纳米子层3a、4a、5a、6a上形成第二纳米子层3b、4b、5b、6b。通过进一步转动基底保持器202来进一步施布另外的功能层，直到达到功能层的期望的数量n。
附图标记列表
1 层系统
2 增附剂层
2a 第一增附剂层
2b 第二增附剂层
3、4、5、6 功能层
3a、4a、5a、6a 第一纳米子层
4b、4b、5b、6b 第二纳米子层
10 基底
10a 基底的表面
100 构件
200 真空容器
201 真空腔
202 基底保持器
203 靶
204 靶
205 垂直的轴线
n 功能层的数量
d 功能层的层厚
D 层系统的总层厚

Claims (16)

1.层系统(1)，其包括
-至少一个增附剂层(2a、2b)；和
-多个布置在所述至少一个增附剂层(2a、2b)上的功能层(3、4、5、6)，其中，每个功能层(3、4、5、6)包括由包括第一金属成分的第一金属氮化物构成的第一纳米子层(3a、4a、5a、6a)和金属的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)，其中，每个功能层(3、4、5、6)具有在1nm至100nm的范围内的层厚d。
2.根据权利要求1所述的层系统(1)，其特征在于，所述金属的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)由至少一种来自包括铜、钯、银、铂、铱、金的组的金属形成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的层系统(1)，其特征在于，所述至少一个增附剂层(2a、2b)包括由另外的金属或由包括第二金属成分的第二金属氮化物构成的第一增附剂层(2a)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，所述至少一个增附剂层(2a、2b)包括第二增附剂层(2b)，所述第二增附剂层包括所述第一金属成分，以及此外要么包括所述另外的金属，要么包括所述第二金属成分。
5.根据权利要求4所述的层系统(1)，其特征在于，依次地：布置所述第一增附剂层(2a)、在所述第一增附剂层(2a)上布置所述第二增附剂层(2b)并且在所述第二增附剂层(2b)上布置多个功能层(3、4、5、6)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，存在数量为n的功能层(3、4、5、6)，并且n在10至10000的范围内选择。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，所述层系统(1)具有在0.1μm至10μm的范围内的总层厚D。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，所述第一纳米子层(3a、4a、5a、6a)的第一金属氮化物通过氮化钼MoN形成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，每个功能层(3、4、5、6)的第一纳米子层(3a、4a、5a、6a)与从属于所述功能层的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)相比更厚地构造。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，每个功能层(3、4、5、6)具有由铜构成的第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)。
11.根据权利要求10所述的层系统(1)，其特征在于，所述功能层(3、4、5、6)的总和具有在0.1至20原子％的范围内的所述第二纳米子层(3b、4b、5b、6b)的金属的平均份额。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，所述层系统(1)借助PVD方法在小于350℃的温度的情况下构造。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的层系统(1)，其特征在于，所述层系统(1)具有在1000HV至4000HV的范围内的维氏硬度。
14.构件(100)，所述构件包括金属的基底(10)和至少部分布置在所述基底(10)的表面上的根据权利要求1至13中任一项所述的层系统(1)，其中，至少一个增附剂层(2a、2b)与所述基底(10)相邻地布置。
15.根据权利要求14所述的构件，其中，所述基底(10)由钢形成。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的构件，其中，所述构件构造为机器构件，其形式尤其是杯形挺杆、链部件、滚动轴承部件、控制活塞、轴承套、摇臂、滚轮挺杆部件或滑动轴承部件。
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