DE112009001622T5

DE112009001622T5 - Lagenbeschichtung und Verfahren zu ihrer Ausbildung

Info

Publication number: DE112009001622T5
Application number: DE112009001622T
Authority: DE
Inventors: Leonid C. West Bloomfield Lev; Michael J. Marysville Lukitsch; Yang T. Troy Cheng; Anita M. West Bloomfield Weiner; Robert F. Allenton Paluch; Neil E. Novi Anderson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2011-04-21
Also published as: WO2010002572A3; WO2010002572A2; US20090324937A1; US8092922B2; CN102076495A

Abstract

Lagenbeschichtung, die umfasst:
eine Chromschicht;
eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Chromschicht hergestellt ist, wobei die Zwischenschicht eine sich allmählich ändernde Zusammensetzung aufweist, wobei eine Chromkonzentration von einem Bereich der Zwischenschicht benachbart zur Chromschicht in Richtung einer Oberfläche der Zwischenschicht abnimmt; und
eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Lagenbeschichtungen und ein Verfahren zu ihrer Ausbildung.
HINTERGRUND
Getriebezahnräder und andere im Wesentlichen stark belastete Mechanismen umfassen in einigen Fällen ein Substrat, das z. B. aus Stahl oder Aluminium ausgebildet ist, wobei das Substrat mit einem CrN_x-Beschichtungsmaterial beschichtet ist. Die CrN_x-Beschichtung, die ein Gemisch von CrN und Cr₂N umfassen kann, verbessert häufig vorteilhaft die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit des Substrats. In einigen Fällen haftet jedoch die CrN_x-Beschichtung unzureichend am Substrat und/oder die CrN_x-Beschichtung kann eine beträchtlich hohe Eigenspannung aufweisen, die zur Delaminierung der CrN_x-Beschichtung vom Substrat führen kann.
Eine Weise zum Verbessern der Haftung des Beschichtungsmaterials am Stahlsubstrat besteht darin, im Wesentlichen reines Cr als Beschichtungsmaterial zu verwenden. Es wurde jedoch festgestellt, dass im Wesentlichen reines Cr in der Härte mangelhaft sein kann und die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit des Stahlsubstrats nicht verbessern kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Hier wird eine Lagenbeschichtung offenbart. Die Lagenbeschichtung umfasst eine Chromschicht, eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Chromschicht hergestellt ist, und eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist. Die Zwischenschicht weist eine sich allmählich ändernde Zusammensetzung auf, wobei die Chromkonzentration von einem Bereich der Zwischenschicht benachbart zur Chromschicht in Richtung einer Oberfläche der Lagenbeschichtung abnimmt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnung ersichtlich.
1 ist eine halbschematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der auf einem Substrat hergestellten Lagenbeschichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der hier offenbarten Lagenbeschichtung verbessern vorteilhaft die Leistung von stark belasteten Mechanismen in Bezug auf die Verschleiß- und/oder Korrosionsbeständigkeit. Die Lagenbeschichtung umfasst eine im Wesentlichen reine Chromschicht, eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff mit einer sich allmählich ändernden Zusammensetzung, die auf der im Wesentlichen reinen Chromschicht hergestellt ist, und eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Haltbarkeit und die Drehmomenttragfähigkeit von Zahnrädern und anderen ähnlichen Objekten, die mit der Lagenbeschichtung überzogen sind, wesentlich erhöht werden können.
Mit Bezug auf 1 wird eine Ausführungsform der Lagenbeschichtung 10 auf einem Substrat 12 hergestellt. Im Allgemeinen wird die Lagenbeschichtung 10 auf zumindest einem Abschnitt der Substratoberfläche hergestellt und weist eine Gesamtdicke im Bereich von etwa 1,02 μm bis etwa 5 μm auf.
Selbstverständlich kann irgendein geeignetes Substrat 12, auf dem die Lagenbeschichtung 10 hergestellt wird, ausgewählt werden. Nicht begrenzende Beispiele von geeigneten Materialien für solche Substrate umfassen Stahl, verschiedene Zusammensetzungen von Stahl, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das Substrat 12 eine Stahlzusammensetzung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-%. Das Substrat 12 kann auch ein Werkzeug oder ein anderes Objekt mit irgendeiner gewünschten Form, Geometrie und/oder Konfiguration sein. In einem nicht begrenzenden Beispiel ist das Substrat 12 ein Getriebezahnrad, ein Hypoidrad eines Hinterachsen-Differentialmechanismus und/oder dergleichen.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die Lagenbeschichtung 10 drei Unterschichten 14, 16, 18. Obwohl die Unterschichten 14, 16, 18 als drei separate Schichten gezeigt sind, sind die Schichten 14, 16, 18 im Allgemeinen selbstverständlich an den jeweiligen Grenzflächen kompatibel und folglich kann eine klare visuelle Unterscheidung zwischen den Schichten 14, 16, 18 nicht erkennbar sein.
Die Unterschicht der Beschichtung 10, die direkt benachbart zum Substrat 12 hergestellt wird, ist eine Chromschicht 14. Im Allgemeinen weist die Chromschicht 14 eine Dicke T₁ im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm auf.
Eine Zwischenschicht 16 ist auf der Chromschicht 14 mit einer Dicke T₂ im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm hergestellt.
Die Zwischenschicht 16 weist eine sich allmählich ändernde Zusammensetzung von Chrom und Stickstoff über ihre ganze Dicke T₂ auf. Im Allgemeinen besteht die Zusammensetzung der Zwischenschicht 16 im Wesentlichen aus Chrom in einem Bereich der Zwischenschicht 16, der direkt zur Chromschicht 14 benachbart ist. Die Chromkonzentration in der Zwischenschicht 16 nimmt in Richtung einer Oberfläche 20 der Zwischenschicht 16 ab. In einer Ausführungsform ändert sich die Zusammensetzung der Zwischenschicht 16 von Chrom zu Cr₂N zu CrN über die ganze Dicke T₂.
1 stellt auch eine äußere Schicht 18 aus Chrom und Stickstoff dar, die auf der Zwischenschicht 16 hergestellt ist. Die äußere Schicht 18 ist aus Chrom und Stickstoff mit einem Atomverhältnis von etwa 1:1 ± 2% ausgebildet. Im Allgemeinen wird die äußere Schicht 18 so hergestellt, dass sie eine Dicke T₃ im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 4 μm aufweist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ausbilden der Lagenbeschichtung 10 wird das Substrat 12 einer Vakuumkammer zugeführt, die auf einen vorbestimmten Druck ausgepumpt ist. Im Allgemeinen ist der vorbestimmte Druck ein Basisdruck, der geringer ist als etwa 4 × 10^–6 Torr. In einem nicht begrenzenden Beispiel liegt der vorbestimmte Druck im Bereich von etwa 1 × 10^–6 Torr bis etwa 1 × 10^–5 Torr.
Vor dem Zuführen des Substrats 12 zur Vakuumkammer kann das Substrat 12 beispielsweise mit einem Waschmittel und Bürsten mechanisch gereinigt werden. Sobald es sich in der Vakuumkammer befindet, kann das Substrat 12 unter Verwendung von im Wesentlichen mildem Argonätzen bei einem gewünschten Druck (z. B. von etwa 1 × 10^–3 Torr bis etwa 5 × 10^–3 Torr) und für eine gewünschte Zeit (z. B. von etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten) weiter gereinigt werden. Selbstverständlich kann sich die Reinigungszeit über einen längeren Zeitraum erstrecken, solange die Temperatur des Substrats 12 im Wesentlichen derart gesteuert wird, dass sich das Substrat 12 nicht überhitzt. In einem nicht begrenzenden Beispiel kann sich die Reinigungszeit über einen Zeitraum erstrecken, bis die Temperatur des Substrats 12 etwa 150°C und höchstens etwa 180°C erreicht. Im Fall, dass sich das Substrat 12 überhitzt (d. h. 180°C überschreitet) und das gewünschte Reinigungsniveau nicht erreicht ist, kann der Reinigungsprozess gestoppt werden und das Substrat 12 kann abkühlen lassen werden (z. B. auf eine Temperatur unter 180°C und in einigen Fällen unter 150°C). Sobald das Substrat 12 abgekühlt ist, kann der Reinigungsprozess dann fortfahren. Während des Argonätzreinigungsprozesses kann das Substrat 12 selbstverständlich auch auf etwa –400 V unter Vorspannung gesetzt werden.
Das Verfahren umfasst ferner das Erregen eines Chromtargets innerhalb der Kammer. Dies führt zum Sputtern von Chrompartikeln. Zumindest einige der Partikel haften sich an die Oberfläche des Substrats 12 an, wodurch die Chromschicht 14 ausgebildet wird. Das Sputtern der Chrompartikel auf die Oberfläche des Substrats 12 kann für eine vorbestimmte Zeit stattfinden. Die Zeit wird zumindest teilweise anhand der gewünschten Dicke T₁ für die Chromschicht 14 bestimmt. In einer Ausführungsform werden die Chrompartikel für eine Zeit im Bereich von etwa 3 Minuten bis etwa 5 Minuten auf das Substrat 12 gesputtert.
Nachdem die vorbestimmte Zeit vergangen ist, wird ein vorbestimmtes Niveau einer Stickstoffgasströmung in die Kammer eingeführt. Die Stickstoffgasströmung kann über ein piezobetätigtes Ventil oder einen anderen ähnlichen Ventilmechanismus gesteuert werden. Zumindest einige der Chrompartikel auf dem Substrat 12 reagieren mit der Stickstoffgasströmung unter Bildung einer Chromstickstoffschicht (d. h. der Zwischenschicht 16) auf der Chromschicht 14. Die Stickstoffgasströmung wird allmählich verstärkt, wodurch der Chromgehalt nahe der Oberfläche 20 der Chromstickstoffschicht 16 verringert wird. In einem nicht begrenzenden Beispiel wird der Stickstoffgehalt allmählich von 0 SCCM auf etwa 10 SCCM über einen Zeitrahmen im Bereich von etwa 3 Minuten bis etwa 10 Minuten erhöht und wird danach im Wesentlichen auf etwa 10 SCCM gehalten.
Die Stickstoffgasströmung wird schließlich auf etwa 40% des vorbestimmten Niveaus gehalten. Es wird angenommen, dass dies die äußere Schicht 18 mit einem Atomverhältnis von Chrom zu Stickstoff von 1:1 ± 2% auf der Chromstickstoffschicht 16 ausbildet.
Vor dem Einführen der Stickstoffgasströmung in die Kammer erzeugen die Chrompartikel eine Lichtemission. Bei der Einführung der Stickstoffgasströmung nimmt die Lichtemission der Chromatome ungefähr linear mit einer Verstärkung der Stickstoffgasströmung ab.
In einer nicht begrenzenden Beispielausführungsform des Verfahrens werden die Beschichtungsunterschichten 14, 16, 18 unter Verwendung eines unausgeglichenen Magnetron-Sputterverfahrens, wie z. B. jenes, das in einer Maschine Teer 550 UDM verwendet wird, die von Teer Coatings Ltd., Droitwich, Worcestershire, England, hergestellt wird, auf dem Substrat 12 abgeschieden oder anderweitig hergestellt.
Um die Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung weiter zu erläutern, wird hier ein Beispiel gegeben. Selbstverständlich wird dieses Beispiel für Erläuterungszwecke bereitgestellt und soll nicht als Begrenzung des Schutzbereichs der offenbarten Ausführungsform(en) aufgefasst werden.
BEISPIEL
Mehrere Fahrzeuggetriebezahnräder wurden über maschinelle Bearbeitung von Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2% vorbereitet. Die verwendeten maschinellen Bearbeitungsprozesse umfassten einen Wälzfräsprozess und einen Abschälprozess. Nach der maschinellen Bearbeitung wurden die Zahnräder aufgekohlt, einsatzgehärtet und wärmebehandelt, bis die Zahnräder eine Oberflächenhärte im Bereich von etwa 58 bis etwa 62, gemessen bezüglich Rockwell-Härte (HRc), hatten. Insbesondere wurden die Zahnräder mit einem Aufkohlungsgas bei einer Temperatur von etwa 1700°F (950°C) in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffatome in die Oberfläche der Zahnräder zu diffundieren. Selbstverständlich ermöglicht diese Temperatur, dass sich die Stahlstruktur in Austenit umwandelt, der für die Kohlenstoffdiffusion geeignet ist. Die Zahnräder wurden durch Ausbilden von Carbidausscheidungsprodukten darin (häufig als ”Carbide” bezeichnet) gehärtet. Die Zahnräder wurden dann über Waschen gereinigt und wurden in eine Vakuumkammer gelegt.
Innerhalb der Vakuumkammer wurden die Zahnräder dann mit einer Schicht aus Cr mit einer Dicke von etwa 1 μm beschichtet. Eine Zwischenschicht mit einer Dicke von etwa 1 μm wurde dann auf die Cr-Schicht aufgetragen. Die Zwischenschicht wurde aus einer Zusammensetzung von Cr₂N und CrN ausgebildet. Eine äußere Schicht mit einer Dicke von etwa 1 μm wurde dann auf die Zwischenschicht aufgetragen. Die äußere Schicht wurde aus CrN mit einem Cr:N-Verhältnis von 1:1 (± 2%) ausgebildet.
Mehrere unbeschichtete Getriebezahnräder wurden auch über maschinelle Bearbeitung von Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2% vorbereitet. Die maschinellen Bearbeitungsprozesse umfassten auch einen Wälzfräsprozess und einen Abschälprozess. Anschließend wurden die Zahnräder aufgekohlt und wärmebehandelt, bis sie jeweils eine Oberflächenhärte im Bereich von etwa 58 bis etwa 62 hatten, gemessen hinsichtlich Rockwelt-Härte (HRc). Die Zahnräder wurden dann über Waschen gereinigt. Diese Zahnräder bleiben unbeschichtet.
Die Kontaktermüdungsbeständigkeit der beschichteten und der unbeschichteten Fahrzeuggetriebezahnräder wurde getestet. Das Testprotokoll ist in N. Anderson und L. Lev, "Coatings for Automotive Planetary Gearsets", Proceedings of DETC'03, ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois, 2.–6. September 2003, beschrieben, das durch den Hinweis in seiner Gesamtheit hier aufgenommen wird.
Die Ergebnisse des Kotaktermüdungsbeständigkeitstests zeigten, dass die beschichteten Zahnräder (gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen formuliert) einem Testdrehmomentplan entsprechend der Leistung eines Verbrennungsmotors mit 350 PS standhalten konnten. Die unter denselben Bedingungen getesteten unbeschichteten Zahnräder konnten jedoch einem Testdrehmomentplan entsprechend der Leistung von nicht mehr als einem Motor mit 200 PS standhalten.
Obwohl mehrere Ausführungsformen im Einzelnen beschrieben wurden, ist für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass die offenbarten Ausführungsformen modifiziert werden können. Daher soll die vorangehende Beschreibung eher als beispielhaft als begrenzend angesehen werden.
Zusammenfassung
Hier wird eine Lagenbeschichtung offenbart. Die Lagenbeschichtung umfasst eine Chromschicht, eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Chromschicht hergestellt ist, und eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist. Die Zwischenschicht weist eine sich allmählich ändernde Zusammensetzung auf, wobei die Chromkonzentration von einem Bereich der Zwischenschicht benachbart zur Chromschicht in Richtung einer Oberfläche der Lagenbeschichtung abnimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

N. Anderson und L. Lev, ”Coatings for Automotive Planetary Gearsets”, Proceedings of DETC'03, ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois, 2.–6. September 2003 [0026]

Claims

Lagenbeschichtung, die umfasst: eine Chromschicht; eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Chromschicht hergestellt ist, wobei die Zwischenschicht eine sich allmählich ändernde Zusammensetzung aufweist, wobei eine Chromkonzentration von einem Bereich der Zwischenschicht benachbart zur Chromschicht in Richtung einer Oberfläche der Zwischenschicht abnimmt; und eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist.
Lagenbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die äußere Schicht ein Atomverhältnis von Chrom zu Stickstoff von 1:1 ± 2% aufweist.
Lagenbeschichtung nach Anspruch 1, wobei sich die allmählich sich ändernde Zusammensetzung der Zwischenschicht von Cr zu Cr₂N zu CrN ändert.
Lagenbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Chromschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm aufweist.
Lagenbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm aufweist.
Lagenbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die äußere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 4 μm aufweist.
Vorrichtung, die umfasst: ein Substrat; und eine Lagenbeschichtung, die auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche des Substrats hergestellt ist, wobei die Lagenbeschichtung umfasst: eine Chromschicht, die auf der Substratoberfläche hergestellt ist; eine Zwischenschicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Chromschicht hergestellt ist, wobei die Zwischenschicht eine allmählich sich ändernde Zusammensetzung aufweist, wobei eine Chromkonzentration von einem Bereich der Zwischenschicht benachbart zur Chromschicht in Richtung einer Oberfläche der Lagenbeschichtung abnimmt; und eine äußere Schicht aus Chrom und Stickstoff, die auf der Zwischenschicht hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die äußere Schicht ein Atomverhältnis von Chrom zu Stickstoff von 1:1 ± 2% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich die allmählich ändernde Zusammensetzung der Zwischenschicht von Cr zu Cr₂N zu CrN ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Chromschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm aufweist; die Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 0,5 μm aufweist; und die äußere Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 4 μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Substrat aus Stahl, Stahlzusammensetzungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Verfahren zum Ausbilden einer Lagenbeschichtung, das umfasst: Vorsehen eines Substrats in einer Vakuumkammer bei einem vorbestimmten Druck; Erregen eines Chromtargets, wodurch Chrompartikel auf das Substrat gesputtert werden und eine Chromschicht ausgebildet wird; Einführen eines vorbestimmten Niveaus einer Stickstoffgasströmung in die Kammer, wodurch eine Chromstickstoffschicht auf der Chromschicht ausgebildet wird; allmähliches Verstärken der Stickstoffgasströmung, um den Chromgehalt in der Chromstickstoffschicht allmählich zu verringern; und Halten der Stickstoffgasströmung auf etwa 40% des vorbestimmten Niveaus, wodurch eine äußere Schicht mit einem Atomverhältnis von Chrom zu Stickstoff von 1:1 ± 2% auf der Chromstickstoffschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor dem Vorsehen des Substrats in der Vakuumkammer das Verfahren ferner das mechanische Reinigen des Substrats umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor dem Erregen eines Chromtargets das Verfahren ferner das Reinigen des Substrats mit Argonätzen bei etwa 1 × 10^–3 Torr bis etwa 5 × 10^–3 Torr umfasst, wobei das Substrat während des Ätzens auf etwa –400 V unter Vorspannung gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der vorbestimmte Druck im Bereich von etwa 1 × 10^–6 Torr bis etwa 1 × 10^–5 Torr liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erregen des Chromtargets für eine Zeit im Bereich von etwa 3 Minuten bis etwa 5 Minuten vor der Einführung der Stickstoffgasströmung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor dem Einführen der Stickstoffgasströmung die Chrompartikel eine Lichtemission erzeugen und wobei im Anschluss an das Einführen der Stickstoffgasströmung die Lichtemission im Wesentlichen linear mit einer Verstärkung der Stickstoffgasströmung abnimmt.