DE19630149A1

DE19630149A1 - Gleitbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE19630149A1
Application number: DE19630149A
Authority: DE
Inventors: Toshiro Komuro
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: GB2303640A; JPH0931628A; DE19630149C2; CN1068638C; GB9615539D0; CN1154420A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Gleitstruktur bzw. ein Gleitbauteil, welche bzw. welches eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Festfressen aufweist und einen Film aus Chromnitrid besitzt, in welchem CrN und Cr₂N die Haupt bestandteile sind, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitstruktur bzw. dieses Gleitbauteils.

Gleitbauteile auf welchen mittels einer Oberflächen behandlung ein Film ausgebildet wird, welcher ausgezeich nete Gleiteigenschaften aufweist, finden dort ihre Verwen dung, wo Teile gegeneinander reiben, wie in Teilen von Automobilmotoren und Teilen verschiedenartiger Maschinen. Die bisher verwendeten Verfahren zur Oberflächenbehandlung schließen Nitridieren, Verchromen und Molybdän-Flammsprit zen ein.

Die zunehmend härter werdenden Bedingungen, unter wel chen Gleitbauteile in den letzten Jahren verwendet wurden, wurden von der Nachfrage nach Teilen mit verbesserten Gleitcharakteristiken begleitet. Es sind Situationen aufge treten, in welchen diese Nachfrage durch herkömmliche Ober flächenbehandlungen nicht länger befriedigt werden kann, und aus diesem Grund besteht eine größere Notwendigkeit für Filme, welche eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Abrieb und Festfressen aufweisen.

Bei der Bemühung diese Anforderungen zu erfüllen, wurde kürzlich vorgeschlagen, die Gleitoberfläche eines Gleitbau teils mit einem Film aus einem Metallnitrid oder Metall carbid mittels PVD (physikalisches Aufdampfen) zu bedecken.

Ein PVD-Film wie Titannitrid (TiN), Titancarbid (TiC) und Chromnitrid (CrN) zeigt eine ausgezeichnete Beständig keit gegenüber Abrieb und Festfressen. Unter diesen haben insbesondere Titannitrid und Chromnitrid die Aufmerksamkeit für eine Verwendung als praktikable Filme auf sich gezogen, und solche Filme werden in einigen Maschinen und Maschinen teilen verwendet.

Jedoch werden die Bedingungen, unter welchen solche Teile verwendet werden, zunehmend rauher, und der Stand der Technik ist derart, daß sogar Titannitrid und Chromnitrid nicht mehr die notwendigen Gleitcharakteristiken aufweisen. Es treten besonders harte Gleitbedingungen auf, wenn eine Gleitbewegung von einer zur Gleitoberfläche senkrechten oszillierenden Bewegung begleitet ist, wodurch bewirkt wird, daß die kontaktierenden Oberflächen sich trennen, oder wenn sich während der Gleitbewegung die Belastung in der senkrechten Richtung ändert. Unter rauhen Bedingungen wie diesen, können harte Filme, wie typischerweise ein durch Ionenplattieren erhaltener Film aus Chromnitrid, abblättern und sich abschälen, wodurch die Nutzungsdauer des Gleitbauteils verkürzt wird. Ein ähnliches Abblättern und Abschälen von harten Filmen wird sogar unter harten Schmierbedingungen beobachtet, so wenn es für einen Schmierfilm schwierig ist, sich aufgrund erhöhter Tempera turen oder gesteigerter Kontaktlast auf Gleitbereichen aus zubilden. Es besteht folglich eine Nachfrage nach einem mit einem keramischen Beschichtungsfilm bedeckten Gleitbauteil, welches eine Beständigkeit gegenüber Abblättern und eine Beständigkeit gegenüber Abschälen aufweist, welche gegen über, durch herkömmliche Oberflächenbehandlungen erhaltene Filme verbessert sind.

Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein mit einem Chromnitridfilm beschichtetes Gleitbau teil zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine zufrie denstellende Beständigkeit gegenüber Festfressen als auch gegenüber Abrieb aufweist, wobei der Beschichtungsfilm sogar unter harten Einsatzbedingungen nicht abblättert oder sich abschält.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitbauteils zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 5 und 9.

Die Erfinder haben im Hinblick auf die Lösung der vor hergenannten Probleme ausgedehnte Untersuchungen durchge führt und haben die vorliegende Erfindung durch die Ent deckung vervollständigt, daß ein Gleitbauteil, welches eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Abrieb und Festfres sen besitzt und welches nicht leicht abblättert oder sich abschält, erhalten wird, indem eine Gasphase aus vermisch tem Chrom und Stickstoff mittels des PVD-Verfahrens in Kon takt mit einem Substrat gebracht wird, um einen Verbundfilm, dessen Hauptphasen CrN und Cr₂N sind, und in welchem die metallische Chromstruktur verteilt ist bzw. diesen durchsetzt, an der Oberfläche des Substrates aus zubilden, wobei zu diesem Zeitpunkt die Größe der verteilten, metallischen Chromstruktur auf 0,2 ∼ 5 µm und das Flächenverhältnis auf 1 ∼ 20% eingestellt ist, was den prozentualen Anteil der Gesamtfläche des Filmes angibt, der durch die metallische Chromstruktur besetzt ist bzw. von ihr beansprucht wird.

Insbesondere ist das Gleitbauteil der vorliegenden Erfindung durch die Bildung eines Chromnitridverbundfilms gekennzeichnet, dessen Hauptbestandteile CrN und Cr₂N sind, und in welchem die metallische Chromstruktur verteilt ist, wobei die Größe und das Flächenverhältnis der metallischen Chromstruktur zum Zeitpunkt der Filmbildung festgelegt ist.

Aufgrund der Tatsache, daß die weiche metallische Chromstruktur gleichmäßig im Film aus Chromnitrid verteilt ist, besitzt der Film des Gleitbauteils der vorliegenden Erfindung eine Zähigkeit, welche gegenüber der eines Films verbessert ist, welcher lediglich aus Chromnitrid mit einer hohen Härte besteht.

Zur Ausbildung des Filmes, in welchem die metallische Chromstruktur in der Chromnitridstruktur verteilt ist, wird zum Verdampfen des metallischen Chroms ein Ionenplattie rungsverfahren verwendet, welches mit einer Vielzahl an Quellen ausgestattet ist. Durch Anpassen des Partialdruckes des Reaktionsgases und Einstellen der Abstände zwischen dem zu behandelnden Werkstück und jeder der metallischen Chrom verdampfungsquellen wird die Reaktionsgeschwindigkeit zwi schen dem verdampften Chrom und dem Reaktionsgas gesteuert, um den eigentlichen Film auszubilden. Durch Anpassen des Partialdruckes des Reaktionsstickstoffgases, der Abstände zwischen den metallischen Chromverdampfungsquellen und dem behandelten Werkstück und des Lichtbogenstromverhältnisses, ist es möglich, sowohl die Menge und Größe der metallischen Chromstruktur im Film, als auch die Zusammensetzung des Chromnitrids einzustellen.

Die Größe der metallischen Chromstruktur ist auf 0,2 ∼ 5 µm begrenzt, und deren Flächenverhältnis ist auf 1 ∼ 20% begrenzt. Wenn die Größe der metallischen Chromstruktur weniger als 0,2 µm beträgt, oder das Flächenverhältnis weniger als 1% beträgt, sind die Auswirkungen der metalli schen Chromstruktur nicht besonders hervorragend, und es wird hinsichtlich der Beständigkeit gegen Abblättern oder der Beständigkeit gegen Abschälen keine Verbesserung beobachtet. Wenn ferner die Größe der metallischen Chrom struktur größer als 5 µm ist, liegt die metallische Chrom struktur teilweise an der Oberfläche offen, und die Scheu erfestigkeit verschlechtert sich gegenüber der Struktur, welche allein aus Chromnitrid besteht. Wenn das Flächenver hältnis größer als 20% ist, nimmt die Filmhärte ab, und die erhaltene Scheuerfestigkeit und Abriebfestigkeit ver schlechtert sich gegenüber der Struktur, welche allein aus Chromnitrid besteht.

Die Gesamtdicke des Films ist vorzugsweise 1 ∼ 80 µm, insbesondere 20 ∼ 60 µm. Wenn die Filmdicke weniger als 1 µm beträgt, wird die Lebensdauer des Films durch Abnut zung verkürzt. Wenn die Gesamtfilmdicke 60 µm übersteigt, löst sich andererseits der Film ab oder bricht, und die Haftung an dem Substrat nimmt ab. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es nicht wünschenswert, den Film dicker als notwendig zu machen.

Abhängig von der speziellen Anwendung wird das mit dem Film beschichtete Substrat aus Eisenmaterialien, Aluminium materialien oder Titanmaterialien ausgewählt. Das unten ausführlich beschriebene PVD-Verfahren ähnelt solchen, wie sie bei niedrigeren Temperaturen, als wie die in Verfahren wie CVD (chemisches Abscheiden aus der Gasphase) verwende ten, durchgeführt werden. Da jedoch die Wärmezufuhr auf grund des Phänomens des Verdampfens unvermeidbar ist, wird es bevorzugt, daß, falls möglich, wärmebeständige Eisen- oder Titanmaterialien als das Substrat verwendet werden.

Das Vorausgegangene betrifft ein Verfahren zur Ausbil dung eines Chromnitridfilms mit einer verteilten metalli schen Chromstruktur auf einem Substrat. Es ist jedoch gemäß der Erfindung ebenfalls zulässig, zwischen dem Film und dem Substrat eine Primärbeschichtung einzufügen. Wenn vor dem Einleiten des Stickstoffgases während des oben beschriebe nen Verfahrens zur Ausbildung des Filmes ein Ionenplattie ren durchgeführt wird, wird auf dem Substrat eine Primär beschichtung aus Chrommetall ausgebildet werden. Da die Primärbeschichtung aus Chrommetall einen Wärmeausdehnungs koeffizienten nahe dem des Substrates besitzt und gegenüber den Auswirkungen einer thermischen Beanspruchung nicht emp findlich ist, zeigt die Primärbeschichtung eine ausgezeich nete Haftung und Flexibilität. Es wird bevorzugt, daß die Primärbeschichtung aus Chrommetall in einer Dicke von 0,1 ∼ 2 µm ausgebildet wird. Eine Primärbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm wird kaum eine Verbesserung hinsichtlich der Haftung aufweisen. Eine Steigerung der Dicke auf mehr als 2 µm stellt keine angemessene Verbes serung der Haftung zur Verfügung und ist hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit nachteilig.

Das Ausbilden einer Primärbeschichtung mit hervorragen der Haftung und Flexibilität zwischen dem Film und dem Substrat in der oben beschriebenen Weise hat den Effekt, daß das Abschälen des Filmes verhindert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aufgrund der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in wel chen die Bezugszeichen durch alle Zeichnungen hindurch die selben oder ähnliche Teile bezeichnen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, welche den Aufbau einer Ionenplattierungsvorrichtung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Aufriß, welche ein Ultrahochdruck-Abnutzungsprüfgerät veranschaulicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 2; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung der wesentlichen Bauteile eines Wälz-Dauerfestigkeits prüfgeräts.

Es wird nun ausführlich eine spezifische Ausführungs form der Erfindung beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung aus Chrom und Stickstoff in der Gasphase mittels des PVD-Ver fahrens in Kontakt mit einem Substrat gebracht. Das PVD- Verfahren ist eine Methode zur Ausbildung eines Filmes und kann grundsätzlich in drei Verfahren unterteilt werden, nämlich Abscheiden aus der Gasphase, Sputtern und Ionen plattieren.

In der vorliegenden Erfindung ist das am meisten bevor zugte Verfahren das Reaktions-Ionenplattieren, in welchem Chromdampf mit Stickstoff umgesetzt wird, um auf dem Substrat einen Film aus Chromnitrid abzuscheiden.

Der Chromdampf wird erhalten, indem Chrom mit einem Hochenergiestrahl wie einem Elektronenstrahl aus einer HCD- Kanone bestrahlt wird, um das Chrom zu verdampfen. Chrom dampf kann ebenfalls durch Emittieren von Chromteilchen aus einer Kathode erhalten werden, wie es im Anodenlichtbogen plasma-Ionenplattieren oder Sputtern durchgeführt wird.

Wenn in einer Gasphase, in welcher Stickstoff mit Chromdampf vermischt ist, ein Plasma erzeugt wird, wird das Chrom ionisiert und bildet Bindungen mit den Nitridionen aus, um Chromnitrid zu bilden. Als ein Ergebnis wird auf der Oberfläche des Substrates ein Film aus Chromnitrid gebildet. Obwohl die Erfindung nachfolgend unter Verwendung des Ionenplattierungsverfahrens als ein Beispiel beschrie ben wird, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung des Ionenplattierungsverfahrens beschränkt.

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer in der vor liegenden Erfindung verwendeten Ionenplattierungsvorrich tung. Die Vorrichtung schließt ein Vakuumgefäß 24 mit einem Einlaß 22 für Stickstoffgas und einem Auslaß 23 ein. Inner halb des Vakuumgefäßes 24 sind ein mit der Kathode einer Lichtbogen-Stromversorgung 25 verbundenes erstes Target 26 und ein mit der Kathode einer Lichtbogen-Stromversorgung 27 verbundenes zweites Target 28 plaziert. Es wurde metallisches Chrom auf des erste und zweite Target gesetzt, welche so angeordnet sind, daß sie einen unterschiedlichen Abstand von einem zu behandelnden Werkstück 31 besitzen. In das Vakuumgefäß 24 wird ebenfalls ein mit einer Vorspan nungsversorgung 29 verbundener Rotationstisch 30 plaziert. Das Werkstück 31 wird auf dem Rotationstisch 30 plaziert.

Es wird nun ein Verfahren zur Ausbildung des Filmes der vorliegenden Erfindung auf dem Werkstück 31 unter Verwen dung dieser Ionenplattierungsvorrichtung beschrieben.

Als erstes wird das Werkstück 31 gereinigt, um an des sen Oberfläche anhaftende Verunreinigung zu entfernen, man läßt das Werkstück ausreichend trocknen und gibt es dann in das Vakuumgefäß 24 der Ionenplattierungsvorrichtung. Das Gefäß 24 wird dann über den Auslaß 23 evakuiert. Nachdem das Gefäß soweit evakuiert wurde, daß der Druck innerhalb des Gefäßes einen Wert von 1,3×10^-3 ∼ 5×10^-3 Pa erreicht, wird das Gefäß mittels einer in der Ionenplattie rungsvorrichtung enthaltenen Heizung erhitzt, wodurch das Substrat dazu gebracht wird, sein inhärentes Gas abzugeben. Es wird eine Heiztemperatur von 300 ∼ 500°C bevorzugt.

In dem Moment, indem der Druck innerhalb des Gefäßes unterhalb von 4×10^-3 Pa fällt, werden die Chromtargets als Kathoden verwendet und es wird an deren Oberfläche eine Bogenentladung erzeugt, um eine Emission von Chrom zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Vorspannung an dem Werkstück 31 angelegt, so daß die von den Kathoden emit tierten Metallionen die Substratoberfläche mit einer hohen Energie bombardieren. Diese Verfahren wird "Bombardierungs reinigen" genannt, wobei Oxide von der Substratoberfläche entfernt werden und die Oberfläche einer Aktivierungs behandlung unterzogen wird. Die zu diesem Zeitpunkt angelegte Vorspannung beträgt vorzugsweise -700 ∼ -900 V.

Anschließend wird die Vorspannung erniedrigt, und es werden Chromionen auf der Substratoberfläche abgeschieden, wobei während dieser Zeit Stickstoffgas in das Gefäß einge leitet und zur Ionisation von Stickstoff durch das Plasma geleitet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Partialdruck von Stickstoff auf 1,3×10^-1 ∼ 13,3 Pa eingestellt, und es wird eine Vorspannung von 0 ∼ -100 V angelegt, um auf der Oberfläche des Substrates einen Ionenplattierungsfilm aus zubilden.

Wenn der Film ausgebildet wird, kollidieren die ver dampften Chromteilchen des ersten Targets 26 mit den Stick stoffmolekülen des Reaktionsgases mit einer relativ gerin gen Wahrscheinlichkeit, da das Target 26 einen kurzen Abstand von dem Werkstück 31 besitzt. Aus demselben Grund haben die Stickstoffmoleküle eine kurze Durchgangszeit durch das Plasma. Als Folge davon tritt kaum eine Ionisie rung auf, und das Metall kann durch geeignete Auswahl des Gaspartialdruckes und des vorhergenannten Abstandes, auf dem Werkstück 31 abgeschieden werden. Da der Abstand zwi schen dem zweiten Target 28 und dem Werkstück 31 größer ist als der zwischen dem ersten Target 26 und dem Werkstück 31, sind die verdampften Chromteilchen des zweiten Targets 28 in der Lage eine Abscheidung von Cr₂N, eine Abscheidung eines Films, welcher eine Mischung aus Cr₂N und CrN dar stellt, oder eine Abscheidung aus CrN auszubilden, abhängig von der Wahl des Partialdruckes des Gases und des Abstandes vom Werkstück 31. Mit anderen Worten, durch geeignete Wahl des Partialdruckes des Gases, des Plazierens des ersten Targets 26 in einem solchen Abstand, daß metallisches Chrom abgeschieden wird, und das Plazieren des zweiten Targets in einem solchen Abstand, daß Chromnitrid abgeschieden wird, ist es möglich, einen Film mit einer Mischzusammensetzung, bestehend aus metallischem Chrom und Chromnitrid, auszubilden.

Ferner ist es durch geeignetes Einstellen der Werte der durch die einzelnen Targets laufenden Lichtbogenströme und der Abstände zwischen den Targets und dem Werkstück mög lich, das Verhältnis des Verbundstoffes aus der metalli schen Chromstruktur und Chromnitridstruktur zu verändern und die Größe und das Flächenverhältnis der verteilten metallischen Chromstruktur zu steuern.

Die Vorgänge und Auswirkungen der Erfindung werden nun unter Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrie ben.

Durch das oben beschriebene Verfahren werden auf der Oberfläche eines Probenkörpers aus SUS 440 verschiedene Verbundfilme aus Chromnitrid mit einer verteilten metal lischen Chromstruktur ausgebildet.

Der Abstand zwischen dem ersten Target und dem Werk stück wurde auf ungefähr 50 mm eingestellt, da die Ergeb nisse der vorangegangenen Experimente bestätigten, daß bei diesem Abstand metallisches Chrom abgeschieden wird. Es wurde ebenfalls verifiziert, daß die Größe der metallischen Chromstruktur proportional zum Lichtbogenstrom ist. Das Flächenverhältnis der metallischen Chromstruktur kann ange paßt werden, indem das Verhältnis zwischen den beiden Lichtbogenstromwerten eingestellt wird.

Ferner wurde der Abstand zwischen dem zweiten Target und dem Werkstück auf ungefähr 200 mm eingestellt. Die Zusammensetzung variiert abhängig vom Partialdruck des Stickstoffs. Insbesondere Cr₂N, der Film aus der Cr₂N+CrN- Mischung und CrN ändern sich, wenn der Partialdruck des Stickstoffs ansteigt.

Die Zusammensetzung eines jeden Films wurde mittels Röntgenbeugung gemessen, die Größe und das Flächenverhält nis der metallischen Chromstruktur wurden mittels EPMA ge messen, und die Härte des Films wurde mittels eines Mikro- Vickers-Härteprüfgerätes gemessen. Tabelle 1 veranschau licht die Bedingungen unter welchen die Proben gemäß der Erfindung hergestellt wurden, ebenso wie die Meßergebnisse.

Tabelle 1

Um Vergleichsbeispiele zu erhalten, wurden nach dem Stand der Technik gut bekannte Chromnitridfilme hergestellt und deren Eigenschaften auf die oben beschriebene Weise gemessen (Vergleichsbeispiele 1-3). Es wurden ebenfalls Vergleichsbeispiele gemessen, in welchen eine metallische Chromzusammensetzung im Chromnitridfilm verteilt ist, in welchen jedoch die Größe und das Flächenverhältnis der metallischen Chromzusammensetzung unpassend waren (Vergleichsbeispiele 4-6). Tabelle 2 veranschaulicht die Bedingungen, unter denen diese Kontrollproben hergestellt wurden, ebenso wie die Meßergebnisse.

Tabelle 2

Beständigkeit gegenüber Festfressen

Die Beständigkeit des Materials der vorliegenden Erfin dung gegenüber Festfressen wurde bestimmt.

Es wurde ein Probenkörper 5 hergestellt, welcher aus SKD 61, JIS (entsprechend ASTM, H-13, US-Standard) besteht. Wie in den Fig. 2 und 3 aufgeführt, wurde der Probenkör per 5 mit drei nadelförmigen Vorsprüngen 10 zur Verfügung gestellt, jede mit einer Länge von 5 mm, einer Breite von 5 mm und einer Höhe von 5 mm, gleich weit voneinander auf demselben Kreis angeordnet. Unter Verwendung dieses Proben körpers wurden Versuchsproben hergestellt, indem auf der quadratischen 5 mm Endfläche eines jeden Vorsprunges 10 der Film der Erfindung mit einer Dicke von 20 ∼ 30 µm ausgebil det wurde. Unter Verwendung eines Ultrahochdruck-Abnut zungsprüfgerätes wurde eine Beständigkeitsprüfung gegen Festfressen durchgeführt. Die Untersuchung wurde auf den Filmen dieser Ausführungsform und auf den Filmen der durch das oben beschriebene Verfahren gebildeten Vergleichs beispiele durchgeführt.

Es wurde ferner ein gleicher Test unter Verwendung einer Versuchsprobe durchgeführt, welche durch Ausbilden eines Verchromungsfilms (Vergleichsbeispiel 7) mit einer Dicke von 100 µm auf der quadratischen 5 mm Endfläche des Probenkörpers erhalten wurde.

Der Aufbau des Ultrahochdruck-Abnutzungsprüfgeräts und die bei der Untersuchung verwendeten Prüfbedingungen waren wie folgt:

Die Testvorrichtung ist schematisch in Fig. 2 und Fig. 3 veranschaulicht, welche eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 2 darstellt. Eine polierte Scheibe 2 (das zugehörige Teil wird in Reibungskontakt mit den Ver suchsproben gebracht) mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 10 mm wird abnehmbar auf einer Ständerhal terung 1 befestigt. Von der dem Probenkörper 5 gegenüber liegenden Seite wird durch eine Schmiermittelleitung 3 Schmieröl in die Mitte der Scheibe 2 geleitet. Die Anord nung ist derart, daß mittels einer nicht aufgeführten hydraulischen Vorrichtung bei einem vorherbestimmten Druck von der rechten Seite eine Druckkraft P auf die Ständerhal terung 1 angewendet wird. Ein der Scheibe 2 gegenüberlie gender Rotor 4 wird mittels einer nicht aufgeführten Antriebseinheit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Der Probenkörper 5 ist auf eine solche Weise am Rotor 4 befestigt, daß die quadratischen 5 mm Endflächen der Vorsprünge 10, auf welchen die Oberflächenbehandlungs schichten ausgebildet wurden, freiliegen, um gegen die Scheibe 2 als Gleitoberflächen zu gleiten.

Die vorherbestimmte Druckkraft P wird auf die Ständer halterung 1 angewendet, so daß die Scheibe 2 und die nadel förmigen Vorsprünge 10 auf dem Prüfkörper 5 mit einem vor herbestimmten Oberflächendruck in Kontakt gebracht werden, und während die Gleitoberflächen mit Öl geschmiert wurden, welches mit einer vorherbestimmten Schmiermittelrate über die Schmiermittelleitung 3 zugeführt wurde, wurde der Rotor 4 rotiert. Der auf die Ständerhalterung 1 ausgeübte Druck wird in festen Zeitintervallen stufenweise erhöht, und ein an der Ständerhalterung 1 entstandenes Drehmoment T, wel ches von der Reibung zwischen dem Prüfkörper 5 und der Scheibe 2 durch Rotieren des Rotors 4 herrührt, wird über eine Edelstahlfaser 6 auf eine Belastungsmeßzelle 7 ausge übt. Jede Änderung des Drehmomentes T wird mittels eines dynamischen Dehnungsmeßfühlers 8 gemessen und mittels eines Aufzeichnungsgerätes 9 aufgezeichnet. Eine plötzliche Zunahme des Drehmomentes T wird als Anzeichen ausgelegt, daß ein Festfressen stattfindet, und die Annehmbarkeit der Festfreßcharakteristik wird aufgrund des Kontaktflächen drucks zu einem solchen Zeitpunkt beurteilt. Das für die Scheibe 2 verwendete Material war Eisen, insbesondere FC 250, JIS (ASTM Klasse Nr. 4012, US-Standard). Die Prüf bedingungen waren wie folgt:

Reibungsgeschwindigkeit: 8 m/s
Scheibenmaterial: FC 250
Kontaktflächendruck: Nachdem ein Glätten bei einem Oberflächendruck von 20 kgf/cm² durchgeführt wurde, wurde der Druck um Stufen von 10 kgf/cm² bis zum Auftreten des Festfressens erhöht. Jedes Niveau des Oberflächendruckes wurde für 3 Minuten beibehalten.

Schmiermittel: Motoröl #30
Temperatur: 80°C
Zuführrate: 250 cm³/min.

Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 veranschaulicht.

Tabelle 3

Mit der aus FC 250 hergestellten Scheibe erfuhren die Artikel der vorliegenden Erfindung ein Festfressen bei Oberflächendrücken von 281 bis 290 kgf/cm². Dies ist höher als der Wert von 253 kgf/cm² für den verchromten Artikel des Vergleichsbeispiels und ist gleich dem Wert für den Film (Vergleichsbeispiel 3), welcher lediglich aus CrN besteht, welches eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen über Festfressen aufweist. Sogar wenn eine metallische Chromstruktur im Film aus Chromnitrid verteilt ist, sind die Auswirkungen minimal, wenn die metallische Chrom struktur groß ist und ihr Flächenverhältnis groß ist (Vergleichsbeispiel 6).

Verschleißfestigkeit

Das Material der Erfindung wurde einer Korrosions abriebprüfung mittels eines Abnutzungsprüfgerätes vom Kaken-Typ unterzogen. Es wurden Probenkörper aus einem aus SKD-6 bestehenden Substratmaterial hergestellt. Jeder Pro benkörper hatte eine Länge von 5 mm, eine Breite von 5 mm und eine Höhe von 20 mm, wobei ein Ende zu einer gebogenen Oberfläche mit einem Radius R von 6 mm abgerundet wurde. Diese Enden der Probenkörper wurden mit den Filmen der oben beschriebenen Ausführungsform und mit den Filmen der Ver gleichsbeispiele bei einer Dicke von 20 ∼ 35 µm beschich tet.

Es wurde ferner eine gleiche Prüfung unter Verwendung einer Versuchsprobe durchgeführt, welche durch Ausbilden eines Verchromungsfilmes (Vergleichsbeispiel 7) mit einer Dicke von 100 µm auf dem abgerundeten Ende des oben erwähn ten Probenkörpers erhalten wurde.

Bei der Prüfung wurde das oberflächenbehandelte abge rundete Ende der Versuchsprobe auf eine solche Weise gegen den äußeren Randbereich eines zugehörigen trommelförmigen Teiles gedrückt, daß die gebogene Oberfläche des zugehöri gen trommelförmigen Teiles und die gebogene Oberfläche der Versuchsprobe in einen linearen Kontakt gebracht wurden, es wurde eine vorherbestimmte Belastung aufgebracht, und das zugehörige trommelförmige Teil wurde mit einer vorherbe stimmten Geschwindigkeit rotiert. Es wurde eine Schmierung durchgeführt, in dem eine bestimmte Menge einer wäßrigen Lösung an Schwefelsäure, eingestellt auf einen pH von 2, auf die Kontaktbereiche getropft wurde, wodurch eine saure Atmosphäre erzeugt wurde. Die Prüfungsbedingungen waren wie folgt:

Trommelmaterial: FC 250
Reibungsgeschwindigkeit: 0,25 m/s
Reibungszeit: 6 h
Kontaktlast: 4 kg
Atmosphäre: eine wäßrige Lösung an Schwe felsäure, eingestellt auf einen pH von 2, aufgetropft auf die Gleitbereiche mit einer Rate von 1,5 cm³/min.

Die Meßergebnisse des Ausmaßes an Filmabrieb sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4

Die Ergebnisse werden als relative Werte angegeben, wobei das Ausmaß an Abnutzung des Verchromungsfilmes als 100 genommen wird.

Die Artikel gemäß der vorliegenden Erfindung reduzieren das Ausmaß des Abriebs auf 1/20 bis 1/25 des Abriebs von den verchromten Artikeln der Vergleichsbeispiele. Das von den Artikeln der vorliegenden Erfindung an den Tag gelegte Ausmaß an Abrieb ist gleich dem des Films (Vergleichsbeispiel 3), welcher lediglich aus CrN besteht, dessen Verschleißfestigkeit hervorragend ist. Sogar wenn eine metallische Chromstruktur im Film aus Chromnitrid ver teilt ist, sind die Auswirkungen minimal, wenn die metal lische Chromstruktur groß ist und deren Flächenverhältnis groß ist (Vergleichsbeispiel 6).

Haftfestigkeit

Die Haftfestigkeit von dem mit dem Film beschichteten Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mittels eines Wälz-Dauerfestigkeitsprüfgeräts (Walzen-Belastungs- Prüfgerätes (roller pitching tester)), welches einen Schlupf verwendet, bestimmt. Das Substratmaterial des Prüf körpers war ein Material, welches durch Karburieren von SCM 420, JIS (Chrommolybdänstahl) erhalten wird, und hatte die Form einer Walze mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Länge von 28 mm. Auf die äußere Umfangsfläche solcher Walzen wurden Filme gemäß der Erfindung und Filme gemäß den Vergleichsbeispielen in einer Dicke von ungefähr 50 µm auf gebracht. Durch Anpassen der Beschichtungszeit wurden die Dicken der verschiedenen Filme einheitlich gemacht.

Der Aufbau des Belastungs-Prüfgerätes (pitching testers) und die in der Untersuchung verwendeten Prüfbedingungen waren wie folgt:

Die Prüfvorrichtung ist schematisch in Fig. 4 veran schaulicht. Die Vorrichtung beinhaltet eine Prüfwalze 11 auf welcher ein Prüfkörper 13 mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Länge von 28 mm befestigt ist, und eine gegenüber der Prüfwalze 11 angeordnete Belastungswalze 12. Sie ist so angeordnet, daß eine Druckkraft mit einem vor herbestimmten Druck angewendet wird. Die Prüfwalze 11 wird mittels einer nicht aufgeführten Antriebseinheit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Auf der äußeren Umfangsfläche des Probenkörpers 13 ist eine Oberflächenbe handlungsschicht ausgebildet. Die Belastungswalze 12 hat einen Durchmesser von 130 mm und eine Länge von 18 mm, und deren äußerer Umfangsbereich ist auf einen Radius von 300 mm abgerundet, so daß die Belastungswalze 12 und der Prüfkörper 13 bei einer mikroskopischen Betrachtung in einem punktuellen Kontakt kommen. Die Anordnung ist derart, daß eine große Druckkraft angewendet wird. Ferner läuft die Belastungswalze 12 der Prüfwalze 11 über Zahnräder (nicht aufgeführt) nach und rotiert unter einem Schlupf relativ zu der Prüfwalze 11. Der Schlupf-Faktor wird durch (U13- U12)/U13 dargestellt, wobei U13 die Umfangsgeschwindigkeit des Prüfkörpers und U12 die Umfangsgeschwindigkeit der Belastungswalze bezeichnen. Der Schlupf-Faktor kann nach Belieben festgelegt werden. Durch eine Schmiermittel leitung, welche nicht aufgeführt ist, wird Schmieröl in die Kontaktbereiche der Belastungswalze 12 und des Prüfkör pers 13 eingeleitet.

Auf dem Prüfkörper 13 wird eine vorherbestimmte Druck kraft angewendet, so daß der Prüfkörper 13 und die Kontakt walze 12 bei einem vorherbestimmten Oberflächendruck in Kontakt miteinander gebracht werden, die Belastungswalze 12 wird rotiert, während die Kontaktbereiche mit Öl geschmiert werden, welches mit einer vorherbestimmten Schmierrate zugeführt wird, und die Belastungswalze 12 wird mit einem vorherbestimmten Schlupf-Faktor rotiert.

Die Oberfläche des Prüfkörpers wurde periodisch während der Prüfung sehr sorgfältig beobachtet, und die Annehmbar keit der Haftfestigkeit wurde aus der Gesamtsumme an Umdrehungen bis zum Auftreten von abplatzendem Ablösen an der Oberfläche des Prüfkörpers beurteilt. Die als das zuge hörige Teil dienende Belastungswalze 12 wurde aus FC 250 hergestellt. Die Prüfungsbedingungen waren wie folgt:

Oberflächendruck (Hertz′sche Belastung): 160 kgf/mm²
Umfangsgeschwindigkeit des Prüfkörpers: 82 m/s
Schlupf-Faktor: 20%
Verwendetes Öl: #30 (Grundöl)
Öldurchflußmenge: 1200 cm³/min
Öltemperatur: 80°C.

Die Meßergebnisse sind in Tabelle 5 veranschaulicht.

Tabelle 5

Die gemäß der Erfindung hergestellten Artikel zeigen eine Haftbeständigkeit, welche weit besser ist als die des harten Chromnitrids der Vergleichsbeispiele. Die Ver gleichsbeispiele 4 und 5 zeigen an, daß sogar wenn die metallische Chromstruktur im Film aus Chromnitrid verteilt ist, eine Neigung zum Ablösen auftritt, wenn die Struk turgröße zu gering ist oder das Oberflächenverhältnis zu gering ist.

Wie oben beschrieben stellt somit die vorliegende Erfindung ein Gleitbauteil zur Verfügung, welches in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber Abnutzung und Festfressen hochwertiger ist als die herkömmlichen verwendeten harten Filme, und bei welchen ein Abblättern und Ablösen nicht leicht stattfindet, durch Ausbildung eines Verbundfilmes mittels des PVD-Verfahrens auf der Oberfläche eines Substrates, wobei die Hauptphasen oder Zusammensetzungen des Films CrN und Cr₂N sind und eine verteilte metallische Chromstruktur beinhalten. Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung des Gleitbauteils zur Verfügung.

Das durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Gleit bauteil ist gut geeignet für die Verwendung in Gleitteilen, deren Beispiele Maschinenteile wie Kolbenringe und Nocken stößel, und Kompressorenteile wie Gleitschuhscheiben (shoe disks) sind. Das Gleitbauteil findet ebenfalls Verwendung in verschiedenartigen Schneidewerkzeugen.

Da viele, deutlich stark abweichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von deren Geist und Umfang abzuweichen, gilt es als selbstver ständlich, daß die Erfindung nicht auf deren spezifische Ausführungsformen beschränkt ist, außer wie in den anhän genden Ansprüchen festgelegt.

Claims

1. Gleitbauteil, welches einen Film mit einer Verbund struktur, dessen Hauptphasen oder Zusammensetzungen metallisches Chrom und Chromnitrid sind, und ein mit dem Film beschichtetes Substrat umfaßt, wobei das me tallische Chrom im Film verteilt ist und eine Struktur besitzt, welche eine Größe von 0,2 bis 5 µm aufweist.

2. Gleitbauteil gemäß Anspruch 1, wobei das Chromnitrid in dem Film eine Struktur besitzt, welche eine chemische Zusammensetzung umfaßt, welche aus CrN oder Cr₂N und einer Mischung daraus besteht.

3. Gleitbauteil gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Pri märschicht, welche Chrom umfaßt, zwischen dem Film und dem Substrat angeordnet ist.

4. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gleitbauteil ein Kolbenring ist.

5. Gleitbauteil, beschichtet mit einem Verbundfilm aus Chromnitrid, in welchem eine metallischen Chromstruktur verteilt ist, wobei die verteilte metallische Chromstruktur ein Flächenverhältnis von 1 bis 20% auf weist, welches den prozentualen Anteil der Gesamtfläche des Films angibt, der durch die metallische Chrom struktur beansprucht wird.

6. Gleitbauteil gemäß Anspruch 5, wobei das Chromnitrid in dem Film eine Struktur besitzt, welche eine chemische Zusammensetzung umfaßt, welche aus CrN oder Cr₂N und einer Mischung daraus besteht.

7. Gleitbauteil gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei eine Pri märschicht, welche Chrom umfaßt, zwischen dem Film und dem Substrat angeordnet ist.

8. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Gleitbauteil ein Kolbenring ist.

9. Verfahren zur Herstellung des in einem der Ansprüche 1 bis 8 beschriebenen Gleitbauteils, welches einen Schritt des In-Kontakt-Bringens einer Gasphase, welche aus einer Mischung aus Chrom und Stickstoff besteht, mit einem Substrat mittels eines physikalischen Verfahrens zum Abscheiden aus der Gasphase umfaßt, wodurch der Film auf dem Substrat ausgebildet wird.