DE102012022114A1

DE102012022114A1 - Beschichtung für Hochtemperaturanwendungen mit tribologischer Beanspruchung

Info

Publication number: DE102012022114A1
Application number: DE102012022114.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lukas Sobiech; Jürgen Ramm
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für Hochtemperaturanwendungen mit tribologischer Beanspruchung. Die Beschichtung umfasst ein Mehrlagenschichtsystem und eine Top-Schmierschicht, wobei die Top-Schmierschicht als Hauptkomponente Molybdän enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verschleissschutz-Beschichtungen für Komponenten, Bauteile und Werkzeuge welche in der Anwendung hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Komponenten, Bauteile und Werkzeuge werden im Folgenden gemeinsam als Substrate bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung
Applikationen bei „hohen” Temperaturen stellen extreme Anforderungen an die Oberflächenfunktionalität von Bauelementen, Komponenten und Werkzeugen im Hinblick auf mechanische, strukturelle und chemische Stabilität dar. Um die langzeitstabile Oberflächenfunktionalität zu gewährleisten und somit die industrielle Prozessproduktivität zu sichern, stellt die vorliegende Erfindung Hartstoffschichtsysteme für Bauelemente, bewegliche Komponenten und Form- und Schneidwerkzeuge zur Verfügung, die in zufriedenstellender Weise den Verschleiss der Komponenten und der Werkzeuge bei verschiedenen industriellen Applikationen mit deutlich erhöhten thermischen Belastungen (d. h. Temperaturen von mehr als 400°C, im folgenden Hochtemperaturapplikation genannt) verbessert. Die grundlegenden Eigenschaften dieses hochtemperaturstabilen Hartstoffschichtsystems sind wie folgt: i) Ausreichender Abrasiv-Verschleissschutz, ii) ausreichender Adhäsiv-Verschleissschutz, iii) ausreichende Schichthaftung und iv) ausreichende Temperaturstabilität (Phasenstabilität und Oxidationsbeständigkeit).
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäss wird ein Beschichtungssystem vorgeschlagen, welches im Wesentlichen als Basis ein Mehrlagenschichtsystem umfasst. Auf diesem Mehrlagenschichtsystem ist ein Top-Schmierschichtsystem mit mindestens einer Lage vorgesehen. Dieses Top-Schmierschichtsystem schliesst das Beschichtungssystem nach aussen hin ab. Das Top-Schmierschichtsystem enthält als Hauptbestandteil Molybdän und kann je nach vorherrschendem Hochtemperatur-Tribokontakt und der daraus resultierenden mechanischen und chemischen Beanspruchung der Oberfläche, eine angepasste Architektur/Mikrostruktur sowie eine angepasste Zusammensetzung aufweisen.
Im Folgenden werden nähere Ausführungen zur bevorzugten Architektur/Mikrostruktur und Zusammensetzung gegeben. Vereinfachend wird im Folgenden das Top-Schmierschichtsystem auch Top-Schmierschicht genannt.
Die Architektur dieser Top-Schmierschicht kann charakterisiert sein durch i) einen Monolayer Aufbau, ii) einen Bilayer Aufbau, iii) einen Multilayer Aufbau oder iv) einen nanolaminierten Aufbau, wobei im Fall ii)–iv) durch den Aufbau die Mikrostruktur oder der Chemismus verändert wird. Gradierungen der Mikrostruktur und/oder der Zusammensetzung sind jedoch in allen Fällen i)–iv) möglich und angebracht, um für die jeweilige Applikation das Schmierverhalten in Abstimmung mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Grundsätzlich sind in allen Fällen die Schichten von nanoskaliger Natur. Die chemische Zusammensetzung der Top-Schmierschicht ist im Allgemeinem wie folgt charakterisiert: Mo_a-X_b-Y_c wobei a, b und c die atomare Konzentration der jeweiligen Bestantteile angibt und a + b + c = 1 gilt und Molybdän als dominierendem Bestandteil realisiert ist, d. h. 0≤ b < a und 0 ≤ c < a gilt, mit X als variablem Metall-Bestandteil: B, Si, V, W, Zr, Cu und Ag oder eine Kombination daraus, mit Y als variablem Nichtmetall-Bestandteil: C, O und N oder eine Kombination daraus.
Besonders bevorzugt bei Hochtemperaturapplikationen oberhalb von 500°C sind Top-Schmierschichten mit folgenden Zusammensetzungen:

– Mo und/oder Mo-Cu
– Mo-N und/oder Mo-Cu-N
– Mo-O-N und/oder Mo-Cu-O-N
– Mo-Si-B und/oder Mo-Si-B-N
– Mo-Si-B-O-N

Bevorzugt enthält die Top-Schmierschicht mindesten 95at% Molybdän. Besonders bevorzugt enthält die Top-Schmierschicht kein Aluminium. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Top-Schmierschicht zwischen 0.25 und 1.5 μm, besonders bevorzugt zwischen 0.5 und 1.0 μm. Bevorzugter Weise wird für eine bestimmte Hochtemperaturapplikation (Temperatur, tribologischer Kontakt, Umgebungsatmosphäre und Dauer) ein passendes Paar aus Top-Schmierschicht und darunterliegendem Schichtsystem evaluiert.
Im Folgenden soll beispielweise das Zusammenspiel einer Mo-X-Y Top-Schmierschicht mit einem darunterliegenden Mehrlagenschichtsystem erläutert werden. Der Wirkungsmechanismus der Top-Schmierschicht in Kombination mit dem darunterliegenden Mehrlagenschichtsystem kann im Hinblick auf mechanische, strukturelle und chemische Stabilität bei diversen Hochtemperaturapplikationen vermutlich wie folgt beschrieben werden: Während die Top-Schmierschicht ausschliesslich im Initialstadium des tribologischen Kontakts zum Einsatz kommt, indem diese Schmierschicht bei erhöhten Temperaturen unter Bildung einer Festkörperschmierphase (v. a. Metalloxide) kontinuierlich aufgebraucht wird, und somit das tribologische Einlaufverhalten optimiert (d. h. also den initialen tribologischen Kontakt für den weiteren Verlauf optimal konditioniert), ist das darunterliegende Mehrlagenschichtsystem (nach erfolgter Oberflächenkonditionierung durch die Top-Schmierschicht) für eine langanhaltende und hochtemperaturstabile Aufrechterhaltung des (abrasiven und adhäsiven) Verschleissschutzes zuständig. Es ist anzunehmen, dass bei Temperaturen ab ca. 400°C die Oxidation der Top-Schmierschicht einsetzt (in Abhängigkeit von der genauen Mikrostruktur und Zusammensetzung). Die Oxidation der in der Top-Schmierschicht enthaltenden Metalle wie B, V, W, Zr, Cu, Ag und Mo kann zur Bildung von sogenannten „Magneli Phasen” führen. Es ist bekannt, dass solche Magneli Phasen exzellente Schmiereigenschaften (Festkörperschmierung) haben. Das darunter liegende Mehrlagenschichtsystem dagegen bietet durch seine Architektur in Abstimmung mit dem Schichtlagenchemismus nicht nur die erforderliche mechanische, strukturelle und chemische Hochtemperaturstabilität, sondern auch die wünschenswerte und im vorliegenden Fall kontrollierbare Bildung von Festkörperschmierphasen (v. a. Metalloxide; es kann zur Bildung von sogenannten „Magneli Phasen” kommen) im stabilen Langzeiteinsatz bei hohen Temperaturen bis zu 1000°C.
Erfindungsgemäss umfasst das Mehrlagenschichtsystem zumindest eine hochtemperaturstabilisierte Schicht (HT-Schicht). Eine solche kann beispielsweise eine Zusammensetzung entsprechend (Me1, Me2, Mo)N.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Mehrlagenschichtsystem zumindest zwei Schichtpakete in welchen mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine schmieraktive Schicht auf eine HT-Schicht folgt. Eine schmieraktive Schicht kann der HT-Schicht entsprechend, jedoch mit erhöhtem Molybdänanteil aufgebaut sein. Dementsprechend würden die molybdänarmen Schichten die HT-Schichten bilden während die molybdänreichen Schichten die schmieraktiven Schichten bilden können. Vorzugsweise liegt die maximale Molybdänkonzentration in den molybdänreichen Schichten bei mindestens 10 at.%, besonders bevorzugt mindestens 20 at.% über der minimalen Molybdänkonzentration der benachbarten molybdänarmen Schichten. Die molybdänreichen Schichten des Wechselschichtsystems können beispielsweise sowohl mittels PVD-Verfahren unter Verwendung von Einzelkomponenten Materialquellen (Targets) als auch mittels PVD-Verfahren unter Verwendung von Mehrkomponenten Materialquellen abgeschieden werden.
Die molybdänreichen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Schmierung weiter zu verbessern, ein oder mehrere weitere Elemente aus der Gruppe gebildet durch C, 0, B, Si, V, W, Zr, Cu, und Ag enthalten.
Die molybdänarmen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Hochtemperaturstabilität weiter zu verbessern, z. B. durch Verbesserung der mechanischen und chemischen Eigenschaften, ein oder mehrere weitere Elemente und deren Mischungen aus der Gruppe gebildet durch B, Si, W und Zr enthalten.
Auf dieses Mehrlagenschichtsystem wird erfindungsgemäss eine Top-Schmierschicht wie oben angegeben angeordnet.
Erfindungsgemässe Substrate, d. h. mit dem erfindungsgemässen Beschichtungssystem beschichtete Substrate können überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo es in der Anwendung zu hohen Temperaturen und zur tribologischen Beanspruchung kommt. Dies ist beispielsweise beim direkten Presshärten der Fall. Als Beispiele seien hier genannt:

– Direktes Presshärten von AlSi-beschichteten 22MnB5 USSH-Blechen
– Direktes Pressharten von unbeschichteten 22MnB5 USSH-Blechen

Weitere Anwendungsbeispiele sind

– Schmieden von hochfesten Metallblechen
– Zerspanung und Verformung insbesondere von hochfesten Titan- und Nickellegierungen
– Bauteile und bewegliche Komponenten in Verbrennungsmotoren und im Turboladerbereich
– Aluminium- und Magnesiumdruckguss
– Spritzgiessen und Extrusion insbesondere von hochfesten Kunststoffen oder Aluminium.

Gemäss einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte-Formwerkzeug eine 2 μm dicke (Ti_0.5Al_0.5)N Schicht aufgebracht. Anschliessend folgen 5 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5 μm dicke (Ti_0.3Al_0.3Mo_0.4)N Schicht enthält auf die eine 0.5 μm dicke (Ti_0.5Al_0.5)N Schicht folgt. Den Abschluss dieses Mehrlagenschichtsystems bildet eine 0.5 μm dicke (Ti_0.3Al_0.3Mo_0.4)N Schicht. Das Gesamtschichtsystem dagegen wird durch eine 0.5 μm dicke Mo_0,95Si_0.03B_0.02 als Top-Schmierschicht abgeschlossen. Als geeignete Top-Schmierschichten sind in diesem konkreten Fall sind auch MoN und Mo_0.95Cu_0.05N von besonderer Relevanz.
Gemäss einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte-Formwerkzeug eine 2 μm dicke (Al_0.65Cr_0.25Si_0.05)N Schicht aufgebracht wobei Si optional auch weggelassen werden kann. Anschliessend folgen 5 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5 μm dicke (Al_0.42Cr_0.18Mo_0.35Cu_0.05)N Schicht enthält auf die eine 0.5 μm dicke (Al_0.7Cr_0.3)N Schicht folgt. Den Abschluss dieses Mehrlangenschichtsystems bildet eine 0.5 μm dicke (Al_0.42Cr_0.18Mo_0.35Cu_0.05)N Schicht. Das Gesamtschichtsystem dagegen wird durch eine 0.5 μm dicke MoN Schicht als Top-Schmierschicht abgeschlossen.
Bevorzugt ist ausserdem eine Beschichtung mit Mehrlagenschichtsystem umfassend Verbindungen (C und/oder N und/oder O) von Al und B und den Elementen der IV und V Nebengruppe einerseits und Mo-Verbindungen (C und/oder B und/oder N und/oder O) andererseits, und mit Top-Schmierschicht die eine Mo-Verbindung mit Mo als Hauptkomponente enthält und deren Dicke gleich gross, bevorzugt dicker als die der Mohaltigen Schichten im Multilayer ist.
Besonders bevorzugt ist die Beschichtung mit Mehrlagenschichtsystem wie oben, bei dem der integrale Anteil von Mo am Gesamtanteil der Metalle kleiner 50 at.% ist.

Claims

Beschichtung mit Mehrlagenschichtsystem und Top-Schmierschicht wobei das Mehrlagenschichtsystem mindestens eine HT-Schicht enthält und die Top-Schmierschicht eine Zusammensetzung gemäss Mo_a-X_b-Y_c besitzt, wobei a, b und c die atomare Konzentration der jeweiligen Bestandteile angibt und a + b + c = 1 gilt und 0 ≤ b < a und 0 ≤ c < a gilt, mit X als variablem Metall-Bestandteil: B, Si, V, W, Zr, Cu und Ag oder eine Kombination daraus und mit Y als variablem Nichtmetall-Bestandteil: C, O und N oder eine Kombination daraus.
Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem mindestens zwei Schichtpakete umfasst wobei die Schichtpakete aus jeweils einer schmieraktiven Schicht und aus einer HT-Schicht gebildet sind und eine schmieraktive Schicht den Abschluss des Mehrlagenschichtsystems bildet.
Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schmieraktiven Schichten Molybdän enthalten und falls die HT-Schichten ebenfalls Molybdän enthalten, die Molybdänkonzentration in den schmieraktiven Schichten höher ist, vorzugsweise mindestens 20% höher ist als in den HT-Schichten.
Substrat beschichtet mit einer Beschichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche wobei das Substrat ein Bauteil, eine Komponente oder ein Werkzeug ist.
Verwendung eines Substrates nach Anspruch 4 als Bauteil oder bewegliche Komponente in Verbrennungsmotoren oder im Turboladerbereich.
Verwendung eines Substrates nach Anspruch 4 zum direkten Presshärten, Schmieden, Zerspanen, Giessen oder zur Extrusion