DE102008025175A1

DE102008025175A1 - Verfahren zur Abscheidung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat in geschlossenen Tribosystemen, beschichtetes Substrat sowie geschlossenes, flüssiggeschmiertes Tribosystem

Info

Publication number: DE102008025175A1
Application number: DE200810025175
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr. Woydt; Charles-Alix Manier; Evelyn Dr. Pross; Serge Dr. Kursawe; Holger Dr. Ziegele; Javier Laucirica Aramburu; Josu Goikoetxa Larrinaga
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Fundacion Tekniker
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Fundacion Tekniker
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, bei dem Zirkonium und Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert direkt auf das Substrat abgeschieden werden, wobei Zirkonium zuerst auf das Substrat abgeschieden wird. Ferner betrifft die Erfindung ein beschichtetes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen, flüssig-geschmierten Tribosystem dient, sowie ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten jeweils als Reibpartner ausgebildeten Substrat.

Description

Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein beschichtetes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen, flüssig-geschmierten Tribosystem dient, sowie ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten jeweils als Reibpartner ausgebildeten Substrat.
Geschlossene, flüssig-geschmierte Tribosysteme sind beispielsweise Nocken/Stößel, Getriebezahnradflanken, Toroidal- und CVT-Getriebe wie auch Gleichlaufgelenke sowie Wälz- und Rollenlager aus metallischen Werkstoffen. So zählen beispielsweise wälzbeanspruchte Tribosysteme gemäß DIN 50323 zu den geschlossenen Tribosystemen und unterscheiden sich von ihrer Struktur von den sog. „offenen” Tribosystemen, wie z. B. der Paarung Bearbeitungswerkzeug und Werkstück.
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten konzentrieren sich zur Zeit weltweit auf die Serienanwendung von DLC-Dünnschichten (DLC = diamond like carbon = diamantähnliche Kohlenstoffschichten), insbesondere auf ta-C-Schichten (ta-C = tetraedsrischer, wasserstoffreier Kohlenstoff) und auf a-C:H-Schichten (a-C:H = wasserstoffhaltiger, amorpher Kohlenstoff) in wälzbeanspruchten Tribosystemen, welche alle mit einer Haftschicht, üblicherweise aus Chrom oder Titan versehen sind. Anwendungen von derartigen Dünnschichten in einem Nissan V6 Motor im Fahrzeug Skyline, der nur seit September 2005 für den japanischen Markt produziert wird, und in anderen Forschungsprojekten übersteigen nicht eine maximale Hertzsche Pressung von P_max = 1,8 GPa.
Breite Anwendungen erlangten DLC- und/oder THC-/Ta-C-Dünnschichten in gleitbeanspruchten Tribosystemen. DLC- und/oder THC-/Ta-C-Dünnschichten werden begrifflich in der VDI-Richtlinie 2840:2005-11 klassifiziert.
Die DLC-Dünnschichten in ölgeschmierten Tribosystemen neigen jedoch oberhalb von 120°C zum Graphitisieren und führen daran anschließend folglich zum Versagen des Tribosystems. Ein weiterer, gängiger Versagensmechanismus derartiger DLC-Dünnschichten ist das Abplatzen der Schicht und das fortschreitende Wachstum von Schichtausbrüchen.
Diamantartigen Dünnschichten THC-/ta-C generieren durch ihre höheren Oberflächenrauheiten Gegenkörperverschleiß und erfordern größere Schmierfilmhöhen. Das mechanische Nachpolieren schädigt als Abhilfemaßnahme die THC-/ta-C-Dünnschichten derart, dass diese vorzeitig wälzermüden.
Für rein dekorative Anwendungen sind Dünnschichten aus Zirkonkarbonitrid sehr wohl bekannt, da diese auf eine mit Reingold übereinstimmende optische Absorptionskante eingestellt werden können, welche zudem kratzfest sind. Bedingt durch die hohen Abscheidetemperaturen von um ca. 400–450°C waren die Anwendungen limitiert, da diese weit oberhalb der Anlasstemperaturen von Kohlenstoffstählen (Vergütungsstählen) liegen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Dünnschicht für ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen Tribosystem dient, zu schaffen, die unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen bei mittleren Hertzschen Pressungen oberhalb von 0,5 GPa, insbesondere oberhalb von 1,5 GPa, und bei Öltemperaturen von über 100°C überrollbeständig sind bei mehr als drei Millionen Zyklen, vorzugsweise bei mehr als zehn Millionen Zyklen. Ferner soll ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem geschaffen werden, welches unter den zuvor erwähnten Bedingungen tribologisch dauerhaft funktionsbeständig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Abscheidung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, durch ein Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen, flüssig-geschmierten Tribosystem dient, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16 sowie durch ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 27 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Merkmale und Details die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Substrat und dem geschlossenen, flüssig-geschmierten Tribosystem, und jeweils umgekehrt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Abscheidung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, bei dem Zirkonium und Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert direkt auf das Substrat abgeschieden werden, wobei Zirkonium zuerst auf das Substrat abgeschieden wird, gelöst.
Es hatte sich überraschend gezeigt, dass, wenn zunächst Zirkonium und anschließend Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid (Zr_X(CN)_Y) ungradiert, undotiert und direkt auf ein Substrat abgeschieden werden, dass Substrat bzw. die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht auf dem Substrat sehr hohen Ansprüchen genügt. D. h., das Substrat bzw. die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht erwies sich bei Öltemperaturen von über 100°C als überrollbeständig und dies bei mehr als drei Millionen Zyklen und bei einer mittleren Hertzschen Pressung von mehr als 0,5 GPa, insbesondere von mehr als 1,5 GPa. Es hat sich herausgestellt, dass das Substrat bzw. die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht sich auch bei Öltemperaturen von über 120°C als überrollbeständig erwies und dies bei mehr als zehn Millionen Zyklen, wobei die maximale Hertzsche Pressung bei 2,95 GPa lag.
Dieses Ergebnis lag damit deutlich über dem der „besten” DLC- und THC/ta-C-Dünnschichten, welche unter denselben Prüfbedingungen tribologisch charakterisiert wurden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwies, dass die Zirkonium- und Zirkoniumnitrid-Dünnschicht und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht direkt auf die Substratoberfläche, d. h. ohne vorher aufgebrachte Haftschicht, aufgebracht werden Das Weglassen der zusätzlichen Haftschicht vereinfacht den Beschichtungsprozess und garantiert im Hinblick auf die Großserie eine hohe Prozesssicherheit. Die Vereinfachung des Verfahrens bzw. des Prozesses durch den Wegfall einer Gradierung oder Dotierung der Zirkonium- und Zirkoniumnitrid-Dünnschicht und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht stellt einen weiteren Vorteil für eine hohe Prozesssicherheit dar. Dies sind erhebliche, prozess- und qualitätsrelevante Vereinfachungen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten DLC- und THC-/ta-C-Dünnschichten. Die zuerst aufgebrachte Zirkonium-Dünnschicht bildet sozusagen die Grundlage für die weitere Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht. Das Abscheiden von zuerst einer Zirkonium-Dünnschicht und das anschließende Abscheiden einer Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht macht den Fertigungsprozess einfacher. So ist beispielsweise eine reine Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht weniger robust bzw. widerstandfähig. Ferner besteht bei einer reinen Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht die Gefahr einer Überlastung der Dünnschicht. Daher bedarf es bei einer reinen Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht höherer Abscheidungstemperaturen, um mögliche Spannungen in der Schicht zu reduzieren.
Die Substratoberfläche der zu beschichtenden Eisenbasiswerkstoffe kann nitriert sein und zwar in der Weise, dass nach der Beschichtung und Wärmebehandlung der Stickstoff im Kristallgitter des Metalls gelöst ist. Das hierfür bevorzugte Verfahren ist das Plus-Plasmanitrieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert bei einer Substrattemperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere von 390°C bis 410°C, und ganz besonders bei 400°C, auf das Substrat abgeschieden werden.
Besonders bevorzugt hat sich ein derartiges Verfahren herausgestellt, bei dem das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert bei einer Substrattemperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere von 390°C bis 410°C, und ganz besonders bei 400°C, auf das Substrat abgeschieden werden. Ferner ist besonders bevorzugt, wenn das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid mittels eines PVD-Arc-Verfahrens abgeschieden werden. Dabei hatte sich beispielsweise überraschend gezeigt, dass eine auf einem metallischen Substrat bei einer Substrattemperatur von 400°C mittels eines PVD-Arc-Verfahrens ohne Haftschicht direkt abgeschiedene, ungradierte und undotierte Dünnschicht aus Zirkonium und Zirkonkarbonitrid unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen bis zu einer mittleren Hertzschen Pressung von 1,94 GPa und bis zu einer Öltemperatur von 120°C überrollbeständig ist und dies bis zu mindestens 10 Millionen Zyklen. Tests ergaben, dass die maximale Hertzsche Pressung sogar bei 2,95 GPa lag, bei der die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht auf dem Substrat überrollbeständig blieb.
Bevorzugt ist bei dem Verfahren, wenn das Substrat stickstofflegierte Stähle, Werkzeugstähle für Warmarbeit gemäß den DIN-Werkstoffnummern 1.23xx bis 1.28xx, Ventilstähle gemäß den DIN-Werkstoffnummern 1.47xx bis 1.48xx oder martensitische, rostbeständige stickstofflegierte Stähle aufweist. So hat sich herausgestellt, dass derartige Werkstoffe sich besonders eignen, um Zirkonium, Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert auf das Substrat abzuscheiden. Als besonders bevorzugt hat sich herausgestellt, wenn das Substrat, insbesondere die stickstofflegierten Stähle, 0,20 bis 1,1 Gew.-% Stickstoff enthält/enthalten. Eine Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht auf einem derartig ausgebildeten stickstofflegierten Substrat ist unter späteren Einsatzbedingungen besonders stabil und kann mehr als 3–5 Millionen Überrollungen, z. T. mehr als 10 Millionen Überrollungen, standhalten.
Vorzugsweise ist das Substrat aus X40CrMoVN16-2 mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder X30CrMoN15-1 mit 0,3 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff oder X13CRMnMoN18-14-3 mit 0,75 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff ausgebildet. D. h. die erfindungsgemäßen, stickstofflegierten Stähle enthalten vorzugsweise 0,20 bis 1,1 Gew.-% Stickstoff, wie beispielsweise XD15NW (X40CrM0VN16-2, E-Z40CDV 16.2, von Aubert&Duval) mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder Cronidur^® 30 (X30CrM0N15-1, EN DIN 1.4108, AMS 5898, von Energietechnik Essen GmbH) mit 0,3 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff oder X13CRMnMoN18-14-3 (EN DIN 1.4452, von Energietechnik Essen GmbH) mit 0,75 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff. Bevorzugt sind ferner martensitische, rostbeständige stickstofflegierte Stähle, wie beispielsweise Cr15M000, 15N0,38 und Cr16M000,33N0,33.
Als ebenfalls vorteilhaft hat sich ein Verfahren herausgestellt, bei dem das Zirkonium, das Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid auf ein Substrat mit einer Oberflächenrauhigkeit von kleiner als 0,10 μm, vorzugsweise kleiner als 0,02 μm, abgeschieden wird. Dies gewährleistet eine hohe Haftfestigkeit der Zirkonium- und der Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht auf dem Substrat. So kann beispielsweise die Diffusionsschicht zwischen der Zirkonium-Dünnschicht und dem Substrat nach dem Abscheiden des Zirkoniums bei ca. 0,8 μm liegen. Bei einem Substrat mit einer derartigen Oberflächenrauhigkeit kann das Zirkonium problemlos direkt auf das Substrat abgeschieden werden. Eine zusätzliche Haftschicht auf dem Substrat ist nicht zwingend erforderlich. Tribologische Tests haben erwiesen, dass das abgeschiedene Zirkonium und das anschließend abgeschiedene Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid sehr gut an dem Substrat haftet.
Ferner ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Zirkonkarbonitrid 30–70 at.-% Zirkon, vorzugsweise 42–58 at.-% Zirkon, 30–70 at.-% Stickstoff, vorzugsweise 42–58 at.-% Stickstoff, sowie 0,2–7,0 at.-% Kohlenstoff, vorzugsweise 3,0–5,0 at.-% Kohlenstoff, aufweist. Zirkonkarbonitrid mit derartigen Zirkonanteilen, Stickstoffanteilen und Kohlenstoffanteilen, lässt sich besonders gut auf das Substrat durch das PVD-Arc-Verfahren aufbringen und gewährleistet eine sehr gute Haftung an der Oberfläche des Substrates bzw. des abgeschiedenen Zirkoniums.
Das Zirkonkarbonitrid wird vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen 0,2 und 6 μm, insbesondere zwischen 1 und 3 μm, auf das Substrat aufgetragen. Eine derartig dicke Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht ist besonders überrollbeständig und ist beständig bei Öltemperaturen von über 120°C.
Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat bevorzugt, bei dem vor dem Abscheiden des Zirkonkarbonitrides auf das Substrat, die Oberfläche des Substrates durch eine Plasmareinigung, insbesondere mittels Argon- und Wasserstoffionen, gereinigt wird. Mit Hilfe einer Plasmareinigung ist es möglich, die Oberfläche des Substrates von Verunreinigungen, z. B. von Kohlenstoffverbindungen und natürlichen Oxiden, zu befreien. Dies führt zu einer höheren Oberflächenenergie und zu besseren physikalischen Eigenschaften des Substrates. Insbesondere störende organische Verunreinigungen, wie Korrosionsschutzöle, aber auch Oxide können von der Oberfläche des metallischen Substrats durch die Plasmareinigung sehr gut entfernt werden. Die Plasmareinigung gewährleistet, dass das Zirkonium, das Zirkoniumnitrid bzw. das Zirkonkarbonitrid auf eine absolut reine und metallische Oberfläche des Substrates abgeschieden werden kann. Dies erhöht die anschließende Haftfestigkeit der Dünnschicht auf dem Substrat. Dabei ist besonders bevorzugt ein Verfahren, bei dem durch die Plasmareinigung der Kohlenstoffgehalt im Substrat maximal um 10% abgesenkt wird.
Bevorzugt ist ferner ein Verfahren, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

– das Substrat wird in einer Beschichtungskammer zwischen 1,5 bis 2,5 Stunden, insbesondere 2 Stunden, lang in einem Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere auf 390°C bis 410°C erhitzt;
– danach wird die Beschichtungskammer auf ein Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr entleert;
– das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid werden nach der Entleerung der Beschichtungskammer bei einem Druck von 3.5 mTorr in der Beschichtungskammer abgeschieden, wobei Argon in der Beschichtungskammer hinzugefügt wird;
– anschließend wird zwei bis vier Minuten lang eine Polarisation von 550 bis 650 V, insbesondere 600 V, auf das Substrat angelegt, wobei Zirkonium unter hohem Elektronenbeschuss auf das Substrat abgeschieden wird/werden, um eine flache Dünnschicht reines Zirkoniums zu erzeugen;
– nach zwei bis vier Minuten Polarisation mit 550 bis 650 V wird Stickstoff, bis zu einem Druck von 8 mTorr, in die Beschichtungskammer zugeführt und die Polarisation mit einer Geschwindigkeit von 200 V/min auf bis zu 30 V reduziert,
– Zirkoniumnitrid wird auf das Substrat abgeschieden;
– dass nach Ablauf einer bestimmbaren Zeitspanne wird Azetylen, insbesondere 15 sccm Azetylen, in die Beschichtungskammer hinzugegeben, wobei während des Abscheidens die Polarisation auf dem Substrat 30 V beträgt;
– Zirkonkarbonitrid wird auf das Substrat abgeschieden.

1 Torr entspricht 1,3332·10² Pascal.
Vorzugsweise wird das Zirkonkarbonitrid 70 bis 110 Minuten, insbesondere 90 Minuten, auf das Substrat abgeschieden. Hierdurch ergibt sich eine Schichtdicke des abgeschiedenen Zirkonkarbonitrides von etwa 4 Mikrometern.
Als Arc-Verdampfer wird zur Durchführung des Verfahrens vorzugsweise ein Elektronenstrahlverdampfer mit magnetisch gesteuertem Bogen eingesetzt. Dabei beträgt der Strom des Bogens bevorzugt 120 bis 180 A, insbesondere 150 A.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein beschichtetes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen, flüssig-geschmierten Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, und wobei das Substrat eine, bei einer Substrattemperatur von 350°C bis 450°C, insbesondere von 390°C bis 410°C, durch ein PVD-Arc-Verfahren direkt auf das Substrat ungradiert und undotiert abgeschiedene Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht aufweist, gelöst.
Ein derartig ausgebildetes beschichtetes Substrat ist besonders überrollbeständig und kann sehr hohen Hertzschen Pressung sowie hohen Öltemperaturen innerhalb eines geschlossenen Tribosystems widerstehen. So ist ein derartig behandeltes Substrat bei Öltemperaturen von über 100°C bei mehr als drei Millionen Zyklen überrollbeständig und hält mittleren Hertzschen Pressungen von mehr als 0,5 GPa problemlos stand. Die überrollbeständige Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht des Substrates ist bevorzugt durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt.
Wie bereits zu dem ersten Aspekt der Erfindung ausgeführt ist ein beschichtetes Substrat bevorzugt, dass aus einem stickstofflegierten Stahl, einem Werkzeugstahl für Warmarbeit gemäß der DIN Werkstoffnummern 1.23xx bis 1.28xx, einem Ventilstahl gemäß der DIN Werkstoffnummern 1.47xx bis 1.48xx oder einem martensitischen, rostbeständigen, stickstofflegierten Stahl ausgebildet ist. Auf ein derartig ausgebildetes Substrat kann Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid besonders gut ungradiert und undotiert sowie direkt abgeschieden werden, wobei die zuerst abgeschiedene Zirkonium-Dünnschicht sehr gut an der Substratoberfläche haften bleibt. Als besonders bevorzugt hat sich ebenfalls herausgestellt, wenn das Substrat, insbesondere die stickstofflegierten Stähle, 0,20 bis 1,1 Gew.-% Stickstoff enthält/enthalten. Eine Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht auf einem derartig ausgebildeten stickstofflegierten Substrat ist unter späteren Einsatzbedingungen besonders stabil und kann mehr als 3–5 Millionen Überrollungen, z. T. mehr als 10 Millionen Überrollungen, standhalten.
Das beschichtete Substrat ist besonders bevorzugt aus X40CrMoVN16-2 mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder aus X30CrMoN15-1 mit 0,3 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff oder aus X13CrMnMoN18-14-3 mit 0,75 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff ausgebildet. Insbesondere XD15NW (X40CrMOVN16-2, E-Z40CDV 16.2, von Aubert&Duval) mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder Cronidur^® 30 (X30CrMoN15-1, EN DIN 1.4108, AMS 5898, von Energietechnik Essen GmbH) mit 0,3 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff oder X13CrMnMoN18-14-3 (EN DIN 1.4452, von Energietechnik Essen GmbH) mit 0,75 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff haben sich als besonders geeignet erwiesen. Ferner sind martensitische, rostbeständige, stickstofflegierte Stähle, wie beispielsweise Cr15MoC0,15NO,38 und Cr16MoC0,33N0,33 besonderes gut geeignet, um eine Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht aufzunehmen.
Ferner hat sich ein beschichtetes Substrat als besonders geeignet erwiesen, bei dem die Oberflächenrauhigkeit des Substrates kleiner als 0,10 μm, vorzugsweise kleiner als 0,02 μm, ist. Dies kann neben dem mechanischen Polieren auch durch elektrochemisches Polieren realisiert werden. Ein derartig behandeltes Substrat gewährleistet eine besonders gute Haftung der abgeschiedenen Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht an der Oberfläche des Substrates. Die abgeschiedene Zirkonium-Dünnschicht diffundiert sehr gut in die durch die Plasmareinigung aktivierte Oberfläche des Substrates hinein, wobei dies die hohen Abscheidetemperaturen maßgeblich fördern. So kann die Diffusionsschicht zwischen der Zirkonium-Dünnschicht und einem derart aufgerauhten Substrat problemlos 0,8 μm betragen, was eine sehr hohe Haftfestigkeit der Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht an dem Substrat bedeutet.
Bevorzugt ist ferner ein beschichtetes Substrat, bei dem das Zirkonkarbonitrid der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht 30–70 at.-% Zirkon, vorzugsweise 42–58 at.-% Zirkon, 30–70 at.-% Stickstoff, vorzugsweise 42–58 at.-% Stickstoff aufweist. Ferner ist vorteilhaft, wenn ein Kohlenstoffanteil in der Dünnschicht vorhanden ist, der vorzugsweise bei ca. 4,8±0,8 at.-% Kohlenstoff liegt. Eine derartige Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht ist überrollbeständig unter hohen und höchsten Hertzschen Pressungen bei mehr als 5 bis 10 Millionen Überrollungen. Die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht des Substrats weist dabei bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 0,2 und 6 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 3 μm, auf. Eine derart dicke Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht ist ausreichend dick und dennoch entsprechend kostengünstig herstellbar.
Die Oberfläche des Substrates auf der die Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht abgeschieden ist, ist bevorzugt durch eine Plasmareinigung, insbesondere mittels Beschuß von Argon- und Wasserstoffionen, gereinigt. Eine derart gereinigte Oberfläche des Substrates gewährleistet eine besonders hohe Haftfestigkeit der Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht.
Des Weiteren sind ein beschichtetes Substrat und Beschichtungsparameter bevorzugt, bei dem die Druckeigenspannungen in der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht bei Raumtemperatur größer als 2 GPa sind. Hierdurch ist das Substrat besonders überrollbeständig, insbesondere auch noch bei mehr als 10 Millionen Überrollungen.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten jeweils als Reibpartner ausgebildeten Substrat, wobei die Substrate aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sind, und bei dem das erste und das zweite Substrat gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet sind bzw. durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt sind, gelöst.
Ein derartiges geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem ist unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen bei mittleren Hertzschen Pressungen oberhalb von 0,5 GPa und bei Öltemperaturen von über 100°C, insbesondere auch bei Öltemperaturen von über 120°C, bei mehr als drei Millionen Zyklen überrollbeständig. Es hat sich sogar gezeigt, dass ein derartiges Tribosystem auch noch bei über 10 Millionen Überrollungen beständig ist und somit nicht leicht ausfällt.
Die mittlere, anfängliche Hertzsche Kontaktspannung der Substrate beträgt vorzugsweise mindestens 500 MPa, insbesondere 1500 MPa. Bevorzugt ist ferner ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem, bei dem der Schlupf des Tribosystems maximal 30% beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schlupf bei 15% oder weniger liegt.
Als Schmierstoffe für das Tribosystem können verschiedenartige flüssige Schmierstoffe, insbesondere Öle, eingesetzt werden. So kann beispielsweise ein SAE 30 0W-30 Motoren-Öl mit einer mittlere Viskosität, aber auch ein unadditiviertes Paraffinöl oder Polyalkylenglykole und Ester eingesetzt werden. Vorzugsweise weisen die in dem Tribosystem eingesetzten flüssigen Schmierstoffe jedoch bei 40°C eine kinematische Viskosität zwischen 15 mm²/s und 220 mm²/s auf. Bei dem Einsatz dieser flüssigen Schmierstoffe bleiben die beschichteten Substrate auch bei mehr als 5 Millionen Überrollungen, bei mittleren Hertzschen Pressungen von mehr als 1,5 GPa und bei Öltemperaturen oberhalb von 120°C beständig.
Das Substrat ist bevorzugt ein Nocken oder ein Stößel, ein Getriebezahnrad bzw. eine Getriebezahnradflanke, Kegelrad, ein Gleichlaufgelenk, ein Wälz- und Rollenlagerelement oder ein Reibpartner in einem Toroidal- oder CVT-Getriebe. Das geschlossene, flüssig-geschmierte Tribosystem ist dementsprechend bevorzugt ein System, welches derartige Substrate aufweist. So ist ein geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem bevorzugt, bei dem das erste Substrat ein Nocken und das zweite Substrat ein Stößel ist, bei dem beide Substrate als Getriebezahnräder bzw. Getriebezahnradflanken oder Gleichlaufgelenke ausgebildet sind, bei dem das Tribosystem als ein Toroidal- oder CVT-Getriebe oder bei dem das Tribosystem als Wälz- und Rollenlager ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Tabelle näher erläutert. Es zeigt:

Tabelle

1 einen Vergleich der Überrollbeständigkeit zwischen einem aus Cronidur^® 30 bestehenden Substrat, welches mit einer Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht beschichtet ist, und einem aus 100Cr6H bestehenden Substrat, welches mit einer DLC-Schicht beschichtet ist, unter einer Misch-/Grenzreibung in einem Zweischeibenprüfstand.

Die Tab. 1 zeigt einen Vergleich der Überrollbeständigkeit in einem AMSLER-Wälztribometer zwischen einem aus Cronidur^® 30 bestehenden Substrat, welches mit einer Zirkonium- und einer Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht beschichtet ist, und einem aus 100Cr6H bestehenden Substrat, welches mit einer DLC-Schicht beschichtet ist, unter einer Misch-/Grenzreibung in einem Zweischeibenprüfstand. In der linken Tabellenhälfte sind die Ergebnisse der Überrollbeständigkeit des aus 100Cr6 bzw. 100Cr6H bestehenden Substrates gezeigt, in der rechten Tabellenhälfte sind die Ergebnisse der Überrollbeständigkeit des aus Cronidur^® 30 bestehenden Substrats dargestellt.
Die Y-Achse links von der Tabelle stellt die Anzahl der Umdrehungen des Tribosystems bis zu dessen Zerstörung dar. Die Y-Achse rechts von der Tabelle stellt die Reibungszahl dar.
Die Substrate wurden in einer alkalischen Lösung gereinigt und danach mit entionisiertem Wasser behandelt. Innerhalb der Beschichtungskammer wurden die Substrate zwei Stunden lang erhitzt, bis zu einer Temperatur von 300°C, in einem Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr (~1.33 × 10^–4 mbar). Anschließend wurden sie mittels eines Glimmentladungsverfahrens in einer Mixtur aus Argon und Wasserstoff zwanzig Minuten gereinigt. Nach der Reinigung wurde die Beschichtungskammer auf ein Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr (~1.33 × 10^–4 mbar) entleert. Der erste Schritt der Beschichtung mit Zirkonium wurde durchgeführt ohne Reaktionsgas, d. h. nur mit Argon in der Beschichtungskammer, bei einem Druck von 3.5 mTorr (~4.66 × 10^–3 mbar). Die Polarisation, die auf die Teile angelegt wurde, betrug 600 V. Diese Phase betrug drei Minuten. Es ergab sich eine dünne Zirkonium-Schicht auf der Oberfläche des Substrates. Hiernach wurde Stickstoff, bis zu einem Druck von 8 mTorr (~1.07 × 10^–2 mbar), für den Rest des Prozesses in die Beschichtungskammer zugeführt, wobei der Prozess neunzig Minuten für eine Schichtdicke von 4 Mikrometern andauerte. Anschließend wurde Zirkoniumnitrid auf das Substrat abgeschieden. In der zweiten Hälfte des Prozesses, wurde 15 sccm Azetylen in die Beschichtungskammer hinzugegeben. Während der Beschichtung betrug die Polarisation auf dem Substrat 30 V. Anschließend wurde Zirkonkarbonitrid auf das Substrat abgeschieden. Die Evaporation von Zr wurde durch einen rechteckigen kathodischen Arc-Verdampfer, 650 mm hoch, mit magnetisch gesteuertem Arc bzw. Bogen durchgeführt. Der Strom des Bogens betrug 150 A.
Es hatte sich bei Test überraschend gezeigt, dass eine auf feinstpoliertem Cronidur^® 30 (R_a~0,005 μm) bei 400°C Substrattemperatur mittels eines PVD-Arc-Verfahrens ohne vorherige Haftschicht direkt abgeschiedene, ungradierte und undotierte Dünnschicht aus Zirkonium, Zirkoniumnitrid und Zirkonkarbonitrid (Zr_X(CN)_Y) unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen bis zu einer mittleren Hertzschen Pressung von 1, 94 GPa (P_max~2,95 GPa) und bis zu einer Öltemperatur von 120°C überrollbeständig sind bis zu mindestens 10 Millionen Zyklen. Dieses Ergebnis liegt deutlich über das der „besten” DLC- und THC/ta-C-Dünnschichten, siehe Tab. 1.
Zirkonium bzw. Zirkoniumnitrid selbst ist hydrolyseempfindlich. Auf der einen Seite fordert dies die tribologische Tragfähigkeit, andererseits kann auch bei höheren Wassergehalten der tribochemische Verschleiß stark gefördert werden. Da nun in Schmierstoffen allgemein Kondenswasser oder ein Wassereintrag unvermeidlich ist, hatte sich überraschend gezeigt, dass das Zulegieren von Kohlenstoff der unerwünschten starken Hydrolyse des ZrN entgegenwirkt.
Bei 400°C Substrattemperatur wurden Zirkonkarbonitrid-Schichten (Zr_X(CN)_Y – Schichten) mittels des PVD-Arc-Verfahrens mit finaler 3,6 μm Schichtdicke abgeschieden. Die Substrate aus Cronidur 30 waren auf eine Oberflächenrauhigkeit von Ra <= 0,005 μm bzw. R_PK <= 0,006 μm feinstpoliert. Die Bestimmung der Eigenspannung mittels Röntgenbeugung (sin² (Ψ)-Methode) ergaben unter Verwendung eines E-Moduls von 448 GPa und einer Poisson-Zahl von 0,3 bei Raumtemperatur Druckeigenspannungen von 6 GPa. Mittels GDOES (GDOES = Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) konnte ein Tiefenprofil der Elemente gemessen werden, wodurch eine Diffusionsschicht zwischen der Zirkonium-Dünnschicht und dem Cronidur30-Substrat von ca. 0,8 μm nachgewiesen werden konnte, welche verantwortlich für die außerordentliche Haftfestigkeit ist.
Die Elementzusammensetzung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) unter Verwendung der Zr-L- und Zr-Mz-Linien gegenüber einem ZrN-Referenzstandard ergab 4,8±0,8 at.-% Kohlenstoff, 48,1±0,5 at.-% Zirkon neben 47,1±2 at.-% Stickstoff.
Die flüssiggeschmierten Wälzversuche unter 10% Schlupf bei 387 min^–1 erfolgten in einem Zweischeibenprüfstand der Bauart AMSLER. Dabei waren die zylindrischen Proben mit Zirkonkarbonitrid (Zr_X(CN)_Y) oder DLC beschichtet und die sphärische Probe blieb unbeschichtet und war geschliffen (R_a~0,6 μm). In Tab. 1 wird deutlich, dass die verschiedenen auf 100Cr6H-Stahl (Doppelt im Vakuum umgeschmolzen, tiefgekühlt, feinstpoliert auf Ra <= 0,007 μm bzw. R_PK <= 0,009 μm), meist bei T < 250°C abgeschiedenen DLC-Schichten in einem Erstbefüllungsöl SAE 0W30 (Castrol Erstbefüllungsöl (VP1), HTHS = 3,0 mPas) bei einer Öltemperatur von 120°C und einer mittleren Hertzschen Pressung von 1,5 GPa bei spätestens 2,1 Millionen Überrollungen versagen (ausgenommen BMW 03), obwohl diese bei Raumtemperatur vereinzelt auch bis mindestens zehn Millionen Zyklen überrollbeständig sind, während die Zirkonkarbonitrid Dünnschicht (Zr_X(CN)_Y – Dünnschicht) bis 10 Millionen Überrollungen und unter höheren, mittleren Hertzschen Pressungen von P_Mittel = 1,94 GPa (P_max = 2,95 GPa) das Versagenskriterium bei 120°C nicht erreichten, was insbesondere z. B. für motorische Anwendungen und Anwendungen im Antriebsstrang sehr relevant ist, da diese Belastbarkeit weit die der Schadenskraftstufe FZG 12 (P_max = 1.861 MPa) bzw. FZG 14 (P_max = 2.170 MPa), welche unbeschichtete Stähle mit Schmierstoffen aus dem Stand der Technik erzielen.
Vorteilhaft ist auch, dass die Misch-/Grenzreibungszahlen der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht (Zr_X(CN)_Y–Dünnschicht) in einem Erstbefüllungsöl und auch in unadditiviertem Paraffinöl mit denen der allgemein als reibungsarm geltenden DLC-Schichten verschiedener Beschichter identisch sind.
Vorteilhafterweise hat sich ferner herausgestellt, dass die Grenzfläche zwischen Zirkonium-Dünnschicht und der Oberfläche des Substrates nicht mehr Wasserstoff nach dem Beschichten mit Zirkonium, Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid enthält, als im Substrat vor der Beschichtung vorhanden war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 50323 [0002]
- EN DIN 1.4108 [0018]
- EN DIN 1.4452 [0018]
- EN DIN 1.4108 [0030]
- EN DIN 1.4452 [0030]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer überrollbeständigen Dünnschicht auf ein hochbeanspruchtes, flüssig-geschmiertes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Zirkonium und Zirkoniumnitrid und/oder Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert direkt auf das Substrat abgeschieden werden, wobei Zirkonium zuerst auf das Substrat abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid ungradiert und undotiert bei einer Substrattemperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere von 390°C bis 410°C, und ganz besonders bei 400°C, auf das Substrat abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonium und das Zirkoniumnitrid und/oder das Zirkonkarbonitrid durch ein PVD-Arc-Verfahren auf das Substrat abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat stickstofflegierte Stähle, Werkzeugstähle für Warmarbeit (DIN Werkstoffnummern 1.23xx bis 1.28xx), Ventilstähle (DIN Werkstoffnummern 1.47xx bis 1.48xx) oder martensitische, rostbeständige stickstofflegierte Stähle verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat, insbesondere die stickstofflegierten Stähle, 0,20 bis 1,1 Gew.-% Stickstoff enthält/enthalten.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus X40CrMoVN16-2 mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder X30CrMoN15-1 mit 0,3 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff oder X13CRMnMoN18-14-3 mit 0,75 bis 1,0 Gew.-% Stickstoff ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid auf ein Substrat mit einer Oberflächenrauhigkeit von kleiner als 0,10 μm, vorzugsweise kleiner als 0,02 μm, abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid 30–70 at.-% Zirkon, vorzugsweise 42–58 at.-% Zirkon, 30–70 at.-% Stickstoff, vorzugsweise 42–58 at.-% Stickstoff, sowie 0,2–7,0 at.-% Kohlenstoff, vorzugsweise 3,0–5,0 at.-% Kohlenstoff, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid mit einer Schichtdicke zwischen 0,2 und 6 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 3 μm, auf das Substrat aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden des Zirkonkarbonitrides auf das Substrat, die Oberfläche des Substrates durch eine Plasmareinigung, insbesondere mittels Argon- und Wasserstoffionen, gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt im Substrat durch die Plasmareinigung maximal um 10% abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in einer Beschichtungskammer zwischen 1,5 bis 2,5 Stunden, insbesondere 2 Stunden, lang in einem Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere auf 390°C bis 410°C, erhitzt wird, dass die Beschichtungskammer auf ein Vakuum von mehr als 1.10^–4 Torr entleert wird, dass das Zirkonium bei einem Druck von 3.5 mTorr in der Beschichtungskammer abgeschieden wird, wobei Argon in der Beschichtungskammer hinzugefügt wird, dass anschließend zwei bis vier Minuten lang eine Polarisation von 550 bis 650 V, insbesondere 600 V, auf das Substrat angelegt wird, wobei Zirkonium unter hohem Elektronenbeschuss auf das Substrat abgeschieden wird/werden, um eine flache Dünnschicht reines Zirkoniums zu erzeugen, dass nach zwei bis vier Minuten Polarisation mit 550 bis 650 V Stickstoff, bis zu einem Druck von 8 mTorr, in die Beschichtungskammer zugeführt wird und die Polarisation mit einer Geschwindigkeit von 200 V/min auf bis zu 30 V reduziert wird, dass Zirkoniumnitrid auf das Substrat abgeschieden wird, dass nach Ablauf einer bestimmbaren Zeitspanne Azetylen, insbesondere 15 sccm Azetylen, in die Beschichtungskammer hinzugegeben wird, wobei während des Abscheidens die Polarisation auf dem Substrat 30 V beträgt und dass anschließend Zirkonkarbonitrid auf das Substrat abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid 70 bis 110 Minuten, insbesondere 90 Minuten, auf das Substrat abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des Zirkonium, des Zirkoniumnitrids und/oder des Zirkonkarbonitrides durch einen rechteckigen kathodischen Arc-Verdampfer mit magnetisch gesteuertem Bogen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Bogens 120 bis 180 A, insbesondere 150 A, beträgt.
Beschichtetes Substrat, welches als Reibpartner in einem geschlossenen, flüssiggeschmierten Tribosystem dient, wobei das Substrat aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine, bei einer Substrattemperatur von 350°C bis 450°C, insbesondere von 390°C bis 410°C, durch ein PVD-Arc-Verfahren direkt auf das Substrat ungradiert und undotiert abgeschiedene Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht aufweist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht durch ein Verfahren zur Herstellung einer überrollbeständigen Dünnschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt ist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem stickstofflegierten Stahl, einem Werkzeugstahl für Warmarbeit gemäß der DIN Werkstoffnummern 1.23xx bis 1.28xx, einem Ventilstahl gemäß der DIN Werkstoffnummern 1.47xx bis 1.48xx oder einem martensitischen, rostbeständigen stickstofflegierten Stahl ausgebildet ist.
Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem stickstofflegierten Stahl, der 0,20 bis 1,1 Gew.-% Stickstoff enthält, ausgebildet ist.
Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus X40CTMoVN16-2 mit 0,2 Gew.-% Stickstoff oder X30CrMoN15-1 mit 0,3–0,5 Gew.-% Stickstoff oder X13CTMΠMoN18-14-3 mit 0,75–1,0 Gew.-% Stickstoff ausgebildet ist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit des Substrates kleiner als 0,10 μm, vorzugsweise kleiner als 0,02 μm, ist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht 30–70 at.-% Zirkon, und vorzugsweise 42–58 at.-% Zirkon, 30–70 at.-% Stickstoff, vorzugsweise 42–58 at.-% Stickstoff aufweist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonkarbonitrid der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht 0,2–7,0 at.-% Kohlenstoff, vorzugsweise 3,0–5,0 at.-% Kohlenstoff, aufweist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht eine Schichtdicke zwischen 0,2 und 6 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 3 μm, aufweist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrates auf der die Zirkonium- und Zirkoniumnitrid- und/oder Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht abgeschieden ist, durch eine Plasmareinigung, insbesondere mittels, Argon- und Wasserstoffionen, gereinigt ist.
Beschichtetes Substrat nach Anspruch 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen in der Zirkonkarbonitrid-Dünnschicht bei Raumtemperatur größer als 2 GPa sind.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten jeweils als Reibpartner ausgebildeten beschichteten Substrat, wobei die Substrate aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Substrat nach einem der Ansprüche 16 bis 26 ausgebildet sind.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere, anfängliche Hertzsche Kontaktspannung der Substrate mindestens 500 MPa beträgt.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Substrate in Wirkkontakt miteinander stehen.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupf des Tribosystems maximal 30% beträgt.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Tribosystem eingesetzten flüssigen Schmierstoffe bei 40°C eine kinematische Viskosität zwischen 15 mm²/s und 220 mm²/s aufweisen.
Geschlossenes, flüssig-geschmiertes Tribosystem nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat ein Nocken und das zweite Substrat ein Stößel ist, dass beide Substrate als Getriebezahnräder bzw. Getriebezahnradflanken oder Gleichlaufgelenke ausgebildet sind, dass das Tribosystem als ein Toroidal- oder CVT-Getriebe oder als Wälz- und Rollenlager ausgebildet ist.