EP3752658A1 - Hartstoffschicht auf metallsubstrat - Google Patents

Hartstoffschicht auf metallsubstrat

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EP3752658A1
EP3752658A1 EP19706475.1A EP19706475A EP3752658A1 EP 3752658 A1 EP3752658 A1 EP 3752658A1 EP 19706475 A EP19706475 A EP 19706475A EP 3752658 A1 EP3752658 A1 EP 3752658A1
Authority
EP
European Patent Office
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material layer
hard material
chain
mass concentration
transmitting
Prior art date
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Pending
Application number
EP19706475.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Watzinger
Matija Burger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Iwis Mobility Systems & Co Kg GmbH
Original Assignee
Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Application filed by Iwis Motorsystem GmbH and Co KG filed Critical Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Publication of EP3752658A1 publication Critical patent/EP3752658A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16G—BELTS, CABLES, OR ROPES, PREDOMINANTLY USED FOR DRIVING PURPOSES; CHAINS; FITTINGS PREDOMINANTLY USED THEREFOR
    • F16G13/00—Chains
    • F16G13/02—Driving-chains
    • F16G13/06—Driving-chains with links connected by parallel driving-pins with or without rollers so called open links
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16G—BELTS, CABLES, OR ROPES, PREDOMINANTLY USED FOR DRIVING PURPOSES; CHAINS; FITTINGS PREDOMINANTLY USED THEREFOR
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    • F16G13/18—Chains having special overall characteristics
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    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder

Definitions

  • the invention relates to a chain component of a chain for transmitting a force coated with a hard material layer comprising a steel-based substrate and a hard material layer on an outside of the steel-based substrate, the hard material layer containing metal nitrides, and the metal carbide content in the hard material layer in the direction decreases to the outside of the component.
  • Link chains each with a chain link interconnected chain links are in various forms in use.
  • the area of the chain links is stressed so much that there is a need for a wear-resistant bearing surface.
  • it is useful, in particular with regard to high volumes, to replace expensive solutions with cost-effective coating methods and processes.
  • DE 10 2005 047 449 A1 presents a wear-improved link chain whose chain pins or chain sleeves are provided with hard material coatings. These coatings are applied by PVD (PVD: Physical Vapor Deposition).
  • the hard material layer has a thickness of 1 to 10 ⁇ m and may further be coated with a sliding layer, e.g. PTFE, be surrounded.
  • the document DE 10 2006 052 869 A1 describes a link chain whose joint surface of the bolt and the sleeve is provided with a PVD hard material layer.
  • bolt and sleeve made of a high-carbon steel with a carbon content between 0.4 wt .-% and 1, 2 wt .-%.
  • DE 10 2011 006 294 A1 presents a method for producing a hardened coated metal component.
  • the metal component is heat treated to enrich carbon and / or nitrogen in the surface layer and then quenched to a temperature below that of martensite formation. Then, the metal component is tempered to a higher temperature than the temperature at which the subsequent coating process takes place.
  • the coating itself is carried out by CVD or PVD (CVD: Chemical Vapor Deposition).
  • DE 10 2016 215 709 A1 shows chain components such as sleeves, lugs, bolts and rollers made of steel, which are provided with a wear-reducing CrN layer.
  • the CrN layer is produced by a CVD method.
  • the nitrogen is obtained from the optionally nitrided steel before the treatment.
  • a joint for a roller or sleeve chain is presented in WO 2014019699 A1.
  • a nitridic or carbide hard coating is applied to the joint by PVD or CVD techniques.
  • PVD processes require a working pressure of 10-4 to 10 Pa and are operated at operating temperatures of several hundred ° C, depending on the type of coating. PVD processes thus place high demands on the coating chamber. In addition, they are not suitable for bulk goods.
  • Substrate and material to be deposited (target) are spatially separated in the coating chamber. PVD methods are so-called visual line processes, ie only those visible from the target Surfaces are coated. Internal surfaces or holes are thinner coated. In the case of the powder processes, on the other hand, there is the problem that the diffusion of carbon into the hard material layer leads to the formation of carbides.
  • nitrides and in particular chromium nitride, promises significantly better service life of the component during operation in terms of wear, it is necessary to avoid the formation of nitrides, especially in the near-surface regions. This achieves the solutions presented in the prior art in any way.
  • the object of the invention is achieved by a device according to claim 1.
  • the chain component according to the invention of a chain for transmitting a force is coated with a hard material layer.
  • the chain component comprises a steel-based substrate and a hard material layer on an outside of the substrate.
  • the hard material layer has an interface with the substrate and an outer surface opposite the interface. It is designed to have metal nitrides.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the hard material layer also increases the corrosion resistance.
  • carbon-containing steels may be suitable as a substrate, since these steels have sufficient strength and tempering resistance.
  • the hard material layer can be made of both metallic and non-metallic Hard materials exist. Suitable metallic hard materials are all carbides, nitrides, carbonitrides, borides and silicides of the transition metals, for example chromium, tungsten, zirconium, titanium.
  • Diamond and DLC Diamond Like Carbon
  • boron carbide cubic boron nitride, silicon carbide or aluminum nitride are suitable as non-metallic hard materials.
  • metallic nitride formers in particular chromium nitride (CrN)
  • CrN chromium nitride
  • Chromium nitride is available and inexpensive compared to other metallic and non-metallic hard materials.
  • chromium nitride can be easily produced in a CVD coating system and, with good adhesion to the substrate, produces a thin layer of hard material with a layer thickness of at least 1 to 5 ⁇ m with high wear resistance.
  • the CVD method offers advantages over the PVD method known from the prior art for producing a hard material layer.
  • the CVD process is bulk material-compatible with respect to the PVD process and offers economic advantages in terms of plant engineering, operation and process technology: the substrate to be coated is mixed with the nitrogen-containing powder in a rotary drum, for example. The coating process takes several hours at a given
  • the coated substrate is cooled.
  • the substrate and the material to be deposited are disadvantageously spatially separated.
  • the coating is carried out by evaporating the material to be deposited
  • the hard material layer is designed so that it consists essentially of CrN. It has on the surface of the component an outer side (outer side) and an inner side in contact with the substrate.
  • the carbon diffuses out of the steel into the hard material layer at the high process temperatures, where it forms compounds of metals and carbon, so-called metal carbides.
  • metals lie in the hard material layer essentially chromium (Cr), which comes from the nitrogen-containing powder, and iron (Fe) from the substrate or the nitrogen-containing powder.
  • the content of the metal carbides was determined by the Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) method.
  • the hard material layer is formed such that the metal carbide content on the outside of the hard material layer is lower than on the inside.
  • the wear resistance of the chain component according to the invention and thus the service life is significantly increased.
  • the hard material layer has on its outer side a significantly higher metal nitride content, which leads to an improvement in the wear resistance compared to a hard material layer of metal carbides.
  • the mass concentration of the nitrogen on the outer surface of the hard material layer is greater than the mass concentration of the carbon.
  • the ratio of the mass concentrations of nitrogen to carbon is greater than 3: 1, more preferably greater than 5: 1.
  • the metal carbide content increases in the hard material layer in a region close to the substrate in the direction of the outside of the hard material layer.
  • the metal carbide content has a maximum in the hard material layer.
  • the distance of the maximum of the metal carbide content in the hard material layer to the outside of the hard material layer is smaller than the distance of the maximum of the metal carbide content in the hard material layer to the boundary between the hard material layer and the substrate.
  • the amount of the slope of the metal carbide content in the hard material layer in a region close to the substrate is higher than the amount of the slope in a region of the decreasing metal carbide content.
  • the metal carbide content sharply increases in a region near the substrate. As a result, a large part of the carbon available in the hard material layer is bound in a large depth of the hard material layer.
  • the mass concentration of nitrogen (N) in the hard material layer increases in the direction of the outside of the hard material layer.
  • the outside of the hard material layer thus has a higher proportion of metal nitride than deeper regions.
  • the slope of the metal nitride content in the hard material layer in a region close to the substrate is higher than the slope of the metal nitride content in a region near the outside of the hard material layer.
  • the metal nitride content of the hard material layer therefore has a maximum value near the surface of the substrate.
  • the mean metal nitride content in the hard material layer is greater than the average metal carbide content in the hard material layer.
  • the mean metal nitride content in the hard material layer is greater than the mean metal carbide content in the hard material layer by a factor of 2, preferably by a factor of 3 and more preferably by a factor of 4. This design ensures that the hard material layer is built up to a large extent from metal nitride.
  • the average metal nitride content in the near-surface region of the hard material layer is greater in every depth than the average metal carbide content in the hard material layer.
  • carbon of the carbonaceous steel substrate accumulates. This carbon enrichment leads to the formation of metal carbides.
  • the near-surface region comprises a depth of up to 50% of the layer thickness, preferably 65% of the layer thickness and particularly preferably up to 80% of the layer thickness.
  • the average mass concentration of chromium (Cr) in the hard material layer is greater than the average mass concentration of iron (Fe) in the hard material layer.
  • Cr is predominantly incorporated into the hard material layer by the coating process, e.g. by a Cr, Fe-containing powder during the CVD process.
  • the average Cr mass concentration in the hard material layer is by a factor of 2, preferably by a factor of 4 and especially preferably by a factor of 6 greater than the average Fe mass concentration in the hard material layer.
  • small amounts of Fe are sufficient in the hard material layer.
  • the average Cr mass concentration in the near-surface region of the hard material layer at each depth is greater than the mean Fe mass concentration in the hard material layer.
  • the near-surface region comprises a depth of up to 50% of the layer thickness, preferably 65% of the layer thickness and particularly preferably up to 80% of the layer thickness.
  • Fig. 1 Structure of a chain for use in chain drives
  • Fig. 2 Cross-section of a hard material layer on a bolt
  • Fig. 3 Depth profile analysis of the sample 1 for the elements Fe, Cr, N and C.
  • Fig. 4 depth profile analysis of the sample 2 for the elements Fe, Cr, N and C.
  • Fig. 1 shows two chain links of a chain 10, which can be used for example in chain drives.
  • the chain 10 is designed as a sleeve chain, each connected via a chain link inner chain links and outer chain links.
  • the inner chain link in this case consists of two parallel inner flaps 13 and two sleeves 12 interconnecting the inner flaps 13, the sleeves 12 being perpendicular to the inner flaps 13.
  • the outer chain links 14 consist of two parallel outer plates 14, which are connected to each other with two bolts 11, wherein the bolts 11 are rotatably mounted in the sleeves 12 of the inner chain links 13.
  • the outer chain link 14 is rotatably attached to an adjacent inner chain link 13 by the bolt 11 and connects the inner link 13 to a second inner link 13 through the outer links 14, the outer links 14 being parallel to the inner links 13.
  • the bolts 1 1 of the outer chain link 14 are rotatably mounted in the sleeves 12 of the inner chain link 13, whereby the connection in each case forms a chain link of the chain 10.
  • the bolts 1 1 of the chain 10 are made entirely of a carbon-containing steel, wherein the joint surface of the bolt 11 is provided with a deposited in a CVD process CrN hard material layer.
  • the sleeve 12 may be made of a carbonaceous material and be provided on its articular surface or the bearing surface with a CVD hard material layer.
  • Fig. 2a shows schematically in cross section a hard material layer 6 on a steel-based pin 11.
  • the hard material layer 6 is designed to substantially comprise metal nitrides. By using carbon-containing steels as the substrate 11, at the high process temperatures, the carbon diffuses out of the steel into the hard material layer 6 and forms metal carbides there. Nitrides, in particular chromium nitride, however, have a significantly better wear resistance than carbides.
  • the hard material layer 6 is formed such that the metal carbide content on the outside of the hard material layer 6 is lower than on the inside.
  • the metals in the hard material layer 6 are essentially chromium (Cr) and iron (Fe).
  • the hard material layer 6 therefore comprises predominantly chromium nitride.
  • a hard material layer 6, which has an intermediate layer 7, is shown schematically in FIG. 2b.
  • the outer portion of the hard material layer 6 is formed to substantially comprise metal nitrides.
  • the metals, Cr and Fe are derived from the nitrogenous powder and are incorporated into the hard material layer 6 during the coating process.
  • the intermediate layer 7 essentially comprises metal carbides, CrC and FeC.
  • the concentration profiles of two different chain components according to the invention are presented, which were each coated with a hard material layer by CVD method.
  • the samples are bolts 1 1 made of a nitrided steel 40CrMoV13-9.
  • the layers essentially have chromium nitrides and carbides, the layer thicknesses are around 10 pm.
  • the concentration profiles of the two samples were determined by the Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) method.
  • the metallic samples are used as a cathode in a DC plasma. Starting from the surface, the sample is gradually removed by sputtering with argon ions, the sample layer by layer. The ablated atoms pass through diffusion into the plasma. Excited by collision processes, these photons emit characteristic wavelengths, which are recorded by means of a downstream spectrometer and then quantified.
  • FIG. 3 shows the concentration profile of sample 1.
  • the mixture was first heated from 0 to 960.degree. C. for about 1 hour.
  • the hold time was 6 hours and then it was cooled slowly (about 10 hours) to 200 ° C.
  • the reactor was purged with nitrogen.
  • the horizontal axis indicates the depth, for better intuition in logarithmic scaling.
  • the vertical axis also shows the mass concentration for relative clarity in terms of clarity. 100% on the vertical axis corresponds to a mass concentration of the elements Fe and Cr of 100%, of N 20% and of C 5%. While nitrogen is essentially in the form of metal nitrides, the carbon is essentially in the form of metal carbides.
  • the Fe mass concentration is in the range of 0 to 7.5 mhh constant near 0%. From 8 mhh the Fe mass concentration increases to 5%. In the lower 10 mhh range, the Fe mass concentration increases strongly to 90% to 27 mh ⁇ . From a depth greater than 27 mhh, the Fe mass concentration increases constantly with a slight slope to 92% at 50 mh ⁇ . As a result, hardly any Fe-containing carbides or nitrides are present in the hard material layer.
  • the Cr mass concentration increases constantly in the range of 0 to 7.5 mhh from 86% at 0 mhh to 88% at 7.5 mh ⁇ . From a depth of 7.5 mhh, the Cr mass concentration drops sharply to a value of 10% up to 25 mhh.
  • the course of the Cr mass concentration is the Fe mass concentration are opposite and confirm the layer thickness of the hard material layer 6 of 10 mh ⁇ . From a depth of 25 mhh, the Cr mass concentration drops to a value of 5% at a depth of 50 mh ⁇ .
  • the significantly higher values of the Cr mass concentration show that in the hard material layer essentially Cr-containing carbides and nitrides are present.
  • the N mass concentration has a value of 10.8% at 0 mhh and drops to a value of 6% at 7.5 mh ⁇ .
  • the decrease of the mass concentration is not constant, at a depth of 2.5 mhh an increase of the N mass concentration to 9.4% can be seen.
  • the N mass concentration rises sharply to a maximum value of 15.6% at 10 mh ⁇ .
  • the N mass concentration drops sharply to a value of 2% at 25 mh ⁇ .
  • the carbide content near the surface of the hard material layer at 0 mhh has a very small value and increases in one flat slope to double at 2.5 pm. From a depth of 2.5 ⁇ m, the C content then rises sharply to a maximum value of approximately 4 times the value at the surface of the hard material layer at 7.5 ⁇ m. In a third range from a depth of 7.5 pm, the carbide content then drops again very sharply and reaches a value below the value at the hard material layer surface at 25 ⁇ m.
  • the nitride content continuously decreases to a depth of 7.5 ⁇ m, while in the same range the carbide content continuously increases.
  • the hard material layer 6 therefore has essentially CrN on its surface, the CrC content is at a depth of 7.5 ⁇ m while the CrN content at the same position has a minimum.
  • FIG. 4 shows the concentration profile of the sample 2, in which an intermediate layer consisting essentially of CrC was incorporated into the hard material layer.
  • the mixture was heated from 0 to 950 ° C for approx. 45 min.
  • the holding time was 7 h and then was cooled slowly (about 10 h) to 200 ° C.
  • the reactor was purged with nitrogen.
  • the horizontal axis indicates the depth, also in logarithmic scale.
  • the vertical axis shows the mass concentration in relative scale. 100% on the vertical axis corresponds to a mass concentration of the elements Fe and Cr of 100%, of N 20% and of C 5%.
  • the Fe mass concentration is in the range of 0 to 3 pm constant near 0%. From 3 pm the Fe mass concentration increases to 5%. In the range below 8 pm the Fe Mass concentration strong at 88% to 27 mh ⁇ . From a depth greater than 27 mhi, the Fe mass concentration increases constantly with a slight slope to 90% at 50 mh ⁇ . Accordingly, neither the hard material layer nor the intermediate layer contains substantial amounts of Fe carbide or Fe nitride.
  • the Cr mass concentration is at a depth of 0 mhh at 81%, to drop slightly to a value of 78% at a depth of 2 mhh. From a depth of 2 mhh, the Cr mass concentration increases to the maximum value of 85% at a depth of 3 mh ⁇ . The Cr mass concentration decreases from a depth of 3 mhh to a value of 75% at a depth of 8 mh ⁇ . However, the fluctuations in this area of the hard material layer are within the range of the measurement tolerance, so that a nearly constant Cr mass concentration can be assumed here. From a depth of 8 mhh, the Cr mass concentration drops sharply to a value of 5% up to 25 mhh.
  • the hard material layer thus has a layer thickness of at least 8 mhh.
  • the N mass concentration has a value of 9.8% at 0 mhh, and at a depth of 2 mhh the N mass concentration of 9.4% is almost identical. From a depth of 2 mhh, the N mass concentration drops to a value of 4.4% at a depth of 4 mh ⁇ . Then the N mass concentration rises sharply to the maximum value of 17.6% at a depth of 8 mh ⁇ . At a depth of 12 mhh, the N mass concentration drops sharply to a value of 2% at 25 mh ⁇ .
  • the nitride content is therefore almost constant up to a depth of about 2 mhh and then drops to a depth of about 4 mhh to about half of the nitride content at the surface.
  • the nitride content rises to its maximum value in the hard material layer at a depth of approximately 8mhi and then drops to a value of nearly 0 at a depth of 25 mhh.
  • the thickness of the layer is therefore about 12 mh ⁇ .
  • the C mass concentration has a value of 2.5% at 0 mhh and rises to a value of 2.6% at 2 mh ⁇ . From a depth of 2 mhh, the C mass concentration rises sharply to a maximum value of 3.75% at 4 mh ⁇ . From a depth of 4 mhh, the C Mass concentration sharply to a value of 0.35% at 15 pm.
  • the carbide content is thus nearly constant up to a depth of about 2 pm and then increases to a depth of about 4 pm to about twice the carbide content at the surface. From there, the carbide content drops to a value of nearly 0 at a depth of 15 pm.
  • the N mass concentration decreases from 9.8% at the surface of the hard material layer 6 to 4.4% at a depth of 4 ⁇ m, in the same range the C mass concentration of 2.5% at the surface of the hard material layer 6 changes to its Maximum value of 3.75% at 4 pm.
  • the N mass concentration has a relative minimum, the C mass concentration has its maximum, while the Cr mass concentration at this depth of 4 pm is 85%.
  • metal nitrides and carbides, here CrN and CrC are present as intermediate layer 7 in approximately the same mass concentration.
  • the N mass concentration and C mass concentration or the nitride content and the carbide content have an opposite gradient, ie the mass concentration of CrN increases again at a greater depth of the hard material layer 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht, die ein Substrat auf Stahlbasis und eine Hartstoffschicht an einer Außenseite des Substrates auf Stahlbasis umfasst, wobei die Hartstoffschicht Metallnitride enthält, und der Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht in Richtung zur Außenseite der Hartstoffschicht abnimmt.

Description

H A RT S T O F F S C H I C H T A U F M E T A L L S U B S T R AT
Die Erfindung betrifft eine Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft, beschichtet mit einer Hartstoffschicht, die ein Substrat auf Stahlbasis und eine Hartstoffschicht an einer Außenseite des Substrates auf Stahlbasis umfasst, wobei die Hartstoffschicht Metallnitride enthält, und der Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht in Richtung zur Außenseite des Bauteils abnimmt.
Stand der Technik
Gelenkketten mit jeweils über ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern sind in vielfältiger Form im Einsatz. Im Betrieb als Antriebs- oder Förderketten wird insbesondere der Bereich der Kettengelenke so stark beansprucht, dass ein Bedarf an einer verschleißbeständigen Lagerfläche besteht. Auch ist es insbesondere im Hinblick auf hohe Stückzahlen sinnvoll, aufwändige Lösungen durch kostengünstige Beschichtungsverfahren und -prozesse zu ersetzen.
DE 10 2005 047 449 A1 stellt eine verschleissverbesserte Gliederkette vor, deren Kettenbolzen bzw. Kettenhülsen mit Hartstoffbeschichtungen versehen sind. Diese Beschichtungen sind mittels PVD-Verfahren (PVD: Physical Vapour Deposition) aufgebracht. Die Hartstoffschicht weist eine Dicke von 1 bis 10 pm auf und kann weiterhin mit einer Gleitstoffschicht, z.B. PTFE, umgeben sein.
In der Schrift DE 10 2006 052 869 A1 wird eine Gliederkette beschrieben, deren Gelenkfläche des Bolzens und der Hülse mit einer PVD-Hartstoffschicht versehen ist. Dabei bestehen Bolzen und Hülse aus einem hochkohlenstoffhaltigen Stahl mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,4 Gew.-% und 1 ,2 Gew.-%. DE 10 2011 006 294 A1 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten beschichteten Metallbauteils vor. Das Metallbauteil wird zur Anreicherung von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in der Randschicht wärmebehandelt und danach auf eine Temperatur unterhalb der Martensitbildung abgeschreckt. Dann wird das Metallbauteil auf eine höhere Temperatur angelassen als die Temperatur, bei der der nachfolgende Beschichtungsprozess stattfindet. Die Beschichtung selbst erfolgt durch CVD- oder PVD- Verfahren (CVD: Chemical Vapour Deposition).
In DE 10 2013 222 244 A1 wird eine Kettenlasche für eine Kette beschrieben, die mit einer reibungsmindernden tribologischen Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung wird durch PVD- oder PACVD-Verfahren aufgetragen.
DE 10 2016 215 709 A1 zeigt Kettenkomponenten wie Hülsen, Laschen, Bolzen und Rollen aus Stahl, die mit einer verschleissmindernden CrN-Schicht versehen sind. Die CrN-Schicht wird durch ein CVD-Verfahren hergestellt. Der Stickstoff wird dabei aus dem ggf. vor der Behandlung nitrierten Stahl bezogen.
Ein Gelenk für eine Rollen- oder Hülsenkette wird in WO 2014019699 A1 vorgestellt. Eine nitridische oder karbidische Hartstoffschicht wird mittels PVD- oder CVD-Verfahren auf das Gelenk aufgetragen.
Die genannten Lösungen zur Herstellung eines gehärteten beschichteten Metallbauteils weisen Nachteile auf. PVD-Verfahren benötigen einen Arbeitsdruck von 10-4 bis 10 Pa und werden bei Arbeitstemperaturen abhängig von der Art der Beschichtung bei mehreren hundert °C betrieben. PVD-Verfahren stellen also hohe Anforderungen an die Beschichtungskammer. Außerdem sind sie nicht schüttgut-tauglich. Substrat und abzuscheidendes Material (Target) sind räumlich in der Beschichtungskammer getrennt. PVD-Verfahren sind sog. Sichtlinienprozesse, d.h. nur die vom Target aus sichtbaren Flächen werden beschichtet. Innen liegende Flächen oder Bohrungen werden dünner beschichtet. Bei den Pulverfahren besteht demgegenüber das Problem, dass die Diffusion von Kohlenstoff in die Hartstoffschicht zur Bildung von Karbiden führt. Da aber Nitride und hier insbesondere Chromnitrid im Hinblick auf den Verschleiß deutlich bessere Lebensdauern des Bauteils im Betrieb verspricht, gilt es, die Bildung von Nitriden insbesondere in den oberflächennahen Bereichen zu vermeiden. Dies gelingt den im Stand der Technik vorgestellten Lösungen in keiner Weise.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gehärtetes nitrid-beschichtetes Metallbauteil bereitzustellen, dessen Hartstoffschicht eine hohe Qualität und Lebensdauer aufweist und das einfach anzuwenden ist, die Beschichtung von hohen Stückzahlen pro Zeiteinheit ermöglicht und kostengünstig zu betreiben ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft ist mit einer Hartstoffschicht beschichtet. Die Kettenkomponente weist ein Substrat auf Stahlbasis sowie eine Hartstoffschicht an einer Außenseite des Substrates auf. Die Hartstoffschicht weist eine Grenzfläche zum Substrat und der Grenzfläche gegenüberliegend eine Außenfläche auf. Sie ist so ausgebildet, dass sie Metallnitride aufweist.
Durch CVD-Beschichtung (Chemical Vapour Deposition) wird eine harte Schicht auf dem Substrat aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl abgeschieden, die eine große Abrieb- und Verschleißfestigkeit, eine große Härte und Temperaturbeständigkeit, eine geringe Reibung sowie gute chemische Eigenschaften und eine geringe Haftneigung aufweist. Neben der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erhöht die Hartstoffschicht auch die Korrosionsbeständigkeit. Dabei können kohlenstoffhaltige Stähle als Substrat geeignet sein, da diese Stähle eine ausreichende Festigkeit und Anlassbeständigkeit aufweisen. Die Hartstoffschicht kann sowohl aus metallischen als auch aus nichtmetallischen Hartstoffen bestehen. Als metallische Hartstoffe kommen alle Karbide, Nitride, Karbonitride, Boride und Silzide der Übergangsmetalle, z.B. Chrom, Wolfram, Zirkonium, Titan in Frage. Als nichtmetallische Hartstoffe sind z.B. Diamant und DLC (Diamond Like Carbon) sowie Korund, Borkabid, kubisches Bornitrid, Siliziumkarbid oder Aluminiumnitrid geeignet. Für die direkte Beschichtung der Oberflächen von Substraten aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl haben sich im Besonderen metallische Nitridbildner, insbesondere Chromnitrid (CrN), als geeignet herausgestellt. Im Vergleich zu anderen metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen ist Chromnitrid verfügbar und preiswert. Außerdem lässt sich Chromnitrid einfach in einer CVD-Beschichtungsanlage hersteilen und erzeugt bei einer guten Haftung auf dem Substrat eine dünne Hartstoffschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 1 bis 5 pm mit hoher Verschleißbeständigkeit. Das CVD-Verfahren bietet Vorteile gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten PVD-Verfahren zur Erzeugung einer Hartstoffschicht. Das CVD-Verfahren ist gegenüber dem PVD-Verfahren schüttgut-tauglich und bietet wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich Anlagentechnik, Bedienung und Prozesstechnik: Das zu beschichtende Substrat wird z.B. in einer Drehtrommel mit dem stickstoffhaltigen Pulver vermengt. Der Beschichtungsprozess erfolgt in mehreren Stunden bei einer bestimmten
Prozesstemperatur, ca. 700 bis 1200 °C. Alle erreichbaren Flächen des Substrates werden gleichmäßig beschichtet, auch enge Bohrungen. Am Ende des
Beschichtungsprozesses wird das beschichtete Substrat abgekühlt. Beim PVD-Verfahren sind Substrat und das abzuscheidende Material nachteilig räumlich getrennt. Die Beschichtung erfolgt durch Verdampfen des abzuscheidenden Materials bei
Arbeitsdrucken von 104 bis 10 Pa.
Die Hartstoffschicht ist so ausgeführt, dass sie im Wesentlichen aus CrN besteht. Sie weist an der Oberfläche des Bauteils eine außen liegende Seite (Außenseite) und eine innenliegende Seite die in Kontakt zum Substrat auf. Durch die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Stählen als Substrat diffundiert bei den hohen Prozesstemperaturen der Kohlenstoff aus dem Stahl in die Hartstoffschicht und bildet dort Verbindungen von Metallen und Kohlenstoff, sog. Metallkarbide. Als Metalle liegen in der Hartstoff-Schicht im Wesentlichen Chrom (Cr), das aus dem stickstoffhaltigen Pulver stammt, und Eisen (Fe) aus dem Substrat oder dem stickstoffhaltigen Pulver vor. Der Gehalt der Metallkarbide wurde durch die Methode der Glimmentladungsspektroskopie (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, GD-OES) ermittelt. Vorteilhafterweise ist die Hartstoffschicht derart ausgebildet, dass der Metallkarbid-Gehalt an der Außenseite der Hartstoffschicht geringer ist als an der Innenseite. Dadurch wird die Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kettenkomponente und damit die Lebensdauer deutlich erhöht. Weiterhin weist die Hartstoffschicht an ihrer Außenseite einen deutlich höheren Metallnitrid-Gehalt auf, was zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit gegenüber einer Hartstoffschicht aus Metallkarbiden führt.
Weiterführende Ausbildungen der Erfindung zur Kettenkomponente mit einer Hartstoffschicht sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 dargelegt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Massenkonzentration des Stickstoffs an der außenliegenden Oberfläche der Hartstoffschicht größer als die Massenkonzentration des Kohlenstoffs. In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Verhältnis der Massenkonzentrationen von Stickstoff zu Kohlenstoff größer als 3:1 , besonders bevorzugt größer als 5:1.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung steigt in der Hartstoffschicht der Metallkarbid- Gehalt in einem Bereich nahe zum Substrat in Richtung zur Außenseite der Hartstoffschicht an. Durch Diffusion des Kohlenstoffs an die Oberfläche des aus kohlenstoffhaltigem Stahl bestehenden Substrates reichert sich an der Oberfläche des Substrates Kohlenstoff an. Der Metallkarbid-Gehalt der Hartstoffschicht steigt daher nahe der Oberfläche des Substrates.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist in der Hartstoffschicht der Metallkarbid- Gehalt ein Maximum auf. Durch Diffusion des Kohlenstoffs an die Oberfläche des aus kohlenstoffhaltigem Stahl bestehenden Substrates reichert sich an der Oberfläche des Substrates Kohlenstoff an. Der Metallkarbid-Gehalt der Hartstoffschicht weist daher einen
Maximalwert nahe der Oberfläche des Substrates auf.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Abstand des Maximums des Metallkarbid-Gehaltes in der Hartstoffschicht zur Außenseite der Hartstoffschicht kleiner als der Abstand des Maximums des Metallkarbid-Gehaltes in der Hartstoffschicht zur Grenze zwischen Hartstoffschicht und Substrat. Durch Diffusion des Kohlenstoffs an die Oberfläche des aus kohlenstoffhaltigem Stahl bestehenden Substrates reichert sich an der Oberfläche des Substrates Kohlenstoff an. Der Maximalwert des Metallkarbid- Gehaltes in der Hartstoffschicht befindet sich daher nahe dem Substrat.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Betrag der Steigung des Metallkarbid-Gehaltes in der Hartstoffschicht in einem Bereich nahe zum Substrat höher als der Betrag der Steigung in einem Bereich des abnehmenden Metallkarbid-Gehaltes. Der Metallkarbid-Gehalt steigt in einem Bereich nahe des Substrates steil an. Dadurch wird ein Großteil des in der Hartstoffschicht verfügbaren Kohlenstoffs in einer großen Tiefe der Hartstoffschicht gebunden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung steigt die Massekonzentration von Stickstoff (N) in der Hartstoffschicht in Richtung der Außenseite der Hartstoffschicht an. Die Außenseite der Hartstoffschicht weist also einen höheren Anteil an Metallnitrid auf als tiefere Bereiche. Dadurch wird die Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kettenkomponente deutlich erhöht.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Steigung des Metallnitrid-Gehaltes in der Hartstoffschicht in einem Bereich nahe zum Substrat höher als die Steigung des Metallnitrid-Gehaltes in einem Bereich nahe der Außenseite der Hartstoffschicht. Der Metallnitrid-Gehalt der Hartstoffschicht weist daher einen Maximalwert nahe der Oberfläche des Substrates auf. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der mittlere Metallnitrid-Gehalt in der Hartstoffschicht größer als der mittlere Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht. Zur Ausbildung einer möglichst homogenen Hartstoffschicht kann der Metallnitrid-Gehalt vorteilhafterweise durch geeignete Prozessparameter erhöht werden, z.B. durch Nitrierung des Substrates oder/und durch Verwendung eines stickstoffhaltigen Pulvers.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der mittlere Metallnitrid-Gehalt in der Hartstoffschicht um Faktor 2, bevorzugt um Faktor 3 und besonders bevorzugt um Faktor 4 größer als der mittlere Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht. Diese Ausführung stellt sicher, dass die Hartstoffschicht zu einem großen Anteil aus Metallnitrid aufgebaut wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mittlere Metallnitrid-Gehalt im oberflächennahen Bereich der Hartstoffschicht in jeder Tiefe größer ist als der mittlere Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht. In größeren Tiefen der Hartstoffschicht nahe dem Substrat reichert sich Kohlenstoff des aus kohlenstoffhaltigem Stahl bestehenden Substrates an. Diese Kohlenstoffanreicherung führt zur Bildung von Metallkarbiden. Der oberflächennahe Bereich umfasst eine Tiefe bis 50% der Schichtdicke, bevorzugt 65% der Schichtdicke und besonders bevorzugt bis 80% der Schichtdicke.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die mittlere Massekonzentration von Chrom (Cr) in der Hartstoffschicht größer als die mittlere Massekonzentration von Eisen (Fe) in der Hartstoffschicht. Cr wird durch den Beschichtungsprozess in die Hartstoffschicht vorwiegend eingebaut, z.B. durch ein Cr, Fe- haltiges Pulver während des CVD- Prozesses.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die mittlere Cr- Massekonzentration in der Hartstoffschicht um einen Faktor von 2, bevorzugt um einen Faktor von 4 und besonders bevorzugt um einen Faktor von 6 größer als die mittlere Fe- Massekonzentration in der Hartstoffschicht. Um die Hafteigenschaften der Hartstoffschicht auf dem Substrat zu verbessern, genügen geringe Mengen Fe in der Hartstoffschicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mittlere Cr- Massekonzentration im oberflächennahen Bereich der Hartstoffschicht in jeder Tiefe größer ist als die mittlere Fe- Massekonzentration in der Hartstoffschicht. In größeren Tiefen der Hartstoffschicht nahe dem Substrat reichert sich Fe des aus Stahl bestehenden Substrates an. Der oberflächennahe Bereich umfasst eine Tiefe bis 50% der Schichtdicke, bevorzugt 65% der Schichtdicke und besonders bevorzugt bis 80% der Schichtdicke.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kettenkomponenten mit einer Hartstoffschicht und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Aufbau einer Kette zur Verwendung in Kettenantrieben Fig. 2 Querschnitt eine Hartstoffschicht auf einem Bolzen Fig. 3 Tiefenprofilanalyse der Probe 1 für die Elemente Fe, Cr, N und C
Fig. 4 Tiefenprofilanalyse der Probe 2 für die Elemente Fe, Cr, N und C
Fig. 1 zeigt zwei Kettenglieder einer Kette 10, die z.B. in Kettenantrieben eingesetzt werden kann. Die Kette 10 ist als Hülsenkette ausgeführt, mit jeweils über ein Kettengelenk verbundenen Innenkettengliedern und Außenkettengliedern. Das Innenkettenglied besteht hierbei aus jeweils zwei parallel verlaufenden Innenlaschen 13 und zwei die Innenlaschen 13 miteinander verbindenden Hülsen 12, wobei die Hülsen 12 senkrecht zu den Innenlaschen 13 stehen.
Die Außenkettenglieder 14 bestehen aus zwei parallel verlaufenden Außenlaschen 14, die mit zwei Bolzen 11 miteinander verbunden sind, wobei die Bolzen 11 drehbar in den Hülsen 12 der Innenkettenglieder 13 gelagert sind. Das Außenkettenglied 14 ist durch den Bolzen 11 drehbar an einem angrenzenden Innenkettenglied 13 befestigt und verbindet durch die Außenlaschen 14 das Innenkettenglied 13 mit einem zweiten Innenkettenglied 13, wobei die Außenlaschen 14 parallel zu den Innenlaschen 13 verlaufen. Die Bolzen 1 1 des Außenkettenglieds 14 sind in den Hülsen 12 des Innenkettenglieds 13 drehbar gelagert, wodurch die Verbindung jeweils ein Kettengelenk der Kette 10 bildet. Die Bolzen 1 1 der Kette 10 bestehen vollständig aus einem kohlenstoffhaltigen Stahl, wobei die Gelenkfläche des Bolzens 11 mit einer in einem CVD-Verfahren aufgetragenen CrN- Hartstoffschicht versehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Hülse 12 aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt sein und auf ihrer Gelenkfläche bzw. der Lagerfläche mit einer CVD-Hartstoffschicht versehen sein.
Fig. 2a zeigt schematisch im Querschnitt eine Hartstoffschicht 6 auf einem Bolzen 11 auf Stahlbasis. Die Hartstoffschicht 6 ist so ausgeführt, dass sie im Wesentlichen Metallnitride aufweist. Durch die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Stählen als Substrat 11 diffundiert bei den hohen Prozesstemperaturen der Kohlenstoff aus dem Stahl in die Hartstoffschicht 6 und bildet dort Metallkarbide. Nitride, insbesondere Chromnitrid, weisen jedoch eine deutlich bessere Verschleißfestigkeit als Karbide auf. Die Hartstoffschicht 6 ist derart ausgebildet, dass der Metallkarbid-Gehalt an der Außenseite der Hartstoffschicht 6 geringer ist als an der Innenseite. Als Metalle liegen in der Hartstoffschicht 6 im Wesentlichen Chrom (Cr) und Eisen (Fe) vor. Cr und N wird durch den Beschichtungsprozess in die Hartstoffschicht 6 bevorzugt eingebaut, die Hartstoffschicht 6 weist daher vorwiegend Chromnitrid auf. Eine Hartstoffschicht 6, die eine Zwischenschicht 7 aufweist, zeigt schematisch Fig. 2b. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Bolzens 11 ist der außen liegende Bereich der Hartstoffschicht 6 so ausgebildet, dass er im Wesentlichen Metallnitride aufweist. Die Metalle, Cr und Fe, stammen aus dem stickstoffhaltigen Pulver und werden während des Beschichtungsprozesses in die Hartstoffschicht 6 eingebaut. Die Zwischenschicht 7 weist im Wesentlichen Metallkarbide, CrC und FeC, auf.
Im Folgenden werden zwei Konzentrationsprofile von zwei unterschiedlichen erfindungsgemäßen Kettenkomponenten vorgestellt, die jeweils mit einer Hartstoffschicht durch CVD-Verfahren beschichtet wurden. Bei den Proben handelt es sich um Bolzen 1 1 aus einem nitridierten Stahl 40CrMoV13-9. Die Schichten weisen im Wesentlichen Chromnitride und -karbide auf, die Schichtdicken liegen um 10 pm. Die Konzentrationsprofile der beiden Proben wurden über die Methode der Glimmentladungsspektroskopie (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, GD- OES) ermittelt. Dabei werden in einem Gleichspannungsplasma die metallischen Proben als Kathode benutzt. Von der Oberfläche ausgehend, wird nach und nach durch Kathodenzerstäubung mit Argonionen die Probe schichtweise abgetragen. Die abgetragenen Atome gelangen durch Diffusion ins Plasma. Durch Stoßprozesse angeregt, emittieren diese Photonen mit charakteristischen Wellenlängen, welche mittels nachgeschaltetem Spektrometer aufgezeichnet und anschließend quantifiziert werden.
Fig. 3 zeigt das Konzentrationsprofil der Probe 1. Während des Abscheidungsprozesses wurde zunächst ca. 1 h von 0 auf 960 °C aufgeheizt. Die Haltezeit betrug 6h und anschließend wurde langsam (ca. 10 h) auf 200°C abgekühlt. Während des Prozesses wurde der Reaktor mit Stickstoff gespült. Die horizontale Achse gibt die Tiefe an, zur besseren Anschauung in logarithmischer Skalierung. Die vertikale Achse zeigt die Massekonzentration ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit in relativer Skalierung. 100 % auf der vertikalen Achse entsprechen einer Massekonzentration der Elemente Fe und Cr von 100 %, von N 20 % sowie von C 5 %. Während der Stickstoff im Wesentlichen in Form von Metallnitriden vorliegt, liegt der Kohlenstoff im Wesentlichen in Form von Metall-Karbiden vor. Die Fe- Massenkonzentration liegt im Bereich von 0 bis 7,5 mhh konstant nahe 0 %. Ab 8 mhh steigt die Fe- Massenkonzentration auf 5 %. Im Bereich tiefer 10 mhh steigt die Fe- Massenkonzentration stark auf 90 % an bis 27 mhΊ. Ab einer Tiefe größer 27 mhh steigt die Fe- Massenkonzentration konstant mit geringer Steigung auf 92 % bei 50 mhΊ. Demzufolge liegen in der Hartstoffschicht kaum Fe-haltige Karbide oder Nitride vor.
Die Cr- Massekonzentration steigt im Bereich von 0 bis 7,5 mhh konstant von 86 % bei 0 mhh auf 88 % bei 7,5 mhΊ. Ab einer Tiefe von 7,5 mhh sinkt die Cr- Massekonzentration bis 25 mhh stark auf einen Wert von 10 %. Die Verläufe der Cr- Massekonzentration ist der Fe- Massenkonzentration sind gegenläufig und bestätigen die Schichtdicke der Hartstoffschicht 6 von 10 mhΊ. Ab einer Tiefe von 25 mhh sinkt die Cr- Massekonzentration auf einen Wert von 5 % bei einer Tiefe von 50 mhΊ. Die deutlich höheren Werte der Cr- Massenkonzentration zeigen, dass in der Hartstoffschicht im Wesentlichen Cr-haltige Karbide und Nitride vorliegen.
Die N- Massekonzentration weist bei 0 mhh einen Wert von 10,8 % auf und sinkt auf einen Wert von 6 % bei 7,5 mhΊ. Die Abnahme der Massekonzentration ist nicht konstant, in einer Tiefe von 2,5 mhh ist eine Erhöhung der N- Massekonzentration auf 9,4 % zu erkennen. Ab einer Tiefe von 7,5 mhh steigt die N- Massekonzentration stark auf einen Maximalwert von 15,6 % bei 10 mhΊ. Ab einer Tiefe von 130 mhh sinkt die N- Massekonzentration stark auf einen Wert von 2 % bei 25 mhΊ. Dies zeigt, dass der Nitrid- Gehalt ausgehend vom Substrat in einem ersten Bereich zunächst steil ansteigt, in einem daran anschließenden zweiten Bereich wieder auf ein Niveau von ca. 30% des ersten Nitrid-Peaks abfällt. In einem dritten Bereich steigt der Nitrid-Gehalt dann bis zur Oberfläche der Hartstoffschicht kontinuierlich an. Die Dicke der Schicht beträgt demnach ca. 13 mhΊ.
Gemäß des Verlaufs der C- Massekonzentration weist der Karbid-Gehalt nahe der Oberfläche der Hartstoffschicht bei 0 mhh einen sehr kleinen Wert auf und steigt in einer flachen Steigung auf das Doppelte bei 2,5 pm an. Ab einer Tiefe von 2,5 pm steigt der C- Gehalt dann stark auf einen Maximalwert von ca. dem 4-fachen des Wertes an der Oberfläche der Hartstoffschicht bei 7,5 pm an. In einem dritten Bereich ab einer Tiefe von 7,5 pm sinkt der Karbid-Gehalt dann wieder sehr stark ab und erreicht bei 25 pm auf einen Wert von unterhalb des Wertes an der Hartstoffschichtoberfläche.
In einem Bereich in der Hartstoffschicht nahe der Oberfläche der Hartstoffschicht sinkt der Nitrid-Gehalt kontinuierlich bis zu einer Tiefe von 7,5 pm ab, während im gleichen Bereich der Karbid-Gehalt kontinuierlich ansteigt. Die Hartstoffschicht 6 weist also an ihrer Oberfläche im Wesentlichen CrN auf, in einer Tiefe von 7,5 pm ist der CrC-Gehalt während der CrN- Gehalt an gleicher Position ein Minimum aufweist.
Eine Analyse der Verläufe der Massenkonzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff zeigt, dass die Massenkonzentration des Stickstoffs an der Oberfläche der Hartstoffschicht größer ist, als die Massenkonzentration des Kohlenstoff. Das Verhältnis der Massenkonzentration der Metallnitride zu der Massenkonzentration der Metallkarbide beträgt ca. 14:1 und ist damit größer als 10:1.
Fig. 4 zeigt das Konzentrationsprofil der Probe 2, in der eine Zwischenschicht bestehend im Wesentlichen aus CrC in die Hartstoffschicht eingebaut wurde. Während des Abscheidungsprozesses wurde zunächst ca. 45 min von 0 auf 950 °C aufgeheizt. Die Haltezeit betrug 7h und anschließend wurde langsam (ca. 10 h) auf 200°C abgekühlt. Während des Prozesses wurde der Reaktor mit Stickstoff gespült. Wie in Fig. 3, gibt die horizontale Achse die Tiefe an, ebenfalls in logarithmischer Skalierung. Die vertikale Achse zeigt die Massekonzentration in relativer Skalierung. 100 % auf der vertikalen Achse entsprechen einer Massekonzentration der Elemente Fe und Cr von 100 %, von N 20 % sowie von C 5 %.
Die Fe- Massenkonzentration liegt im Bereich von 0 bis 3 pm konstant nahe 0 %. Ab 3 pm steigt die Fe- Massenkonzentration auf 5 %. Im Bereich tiefer 8 pm steigt die Fe- Massenkonzentration stark auf 88 % an bis 27 mhΊ. Ab einer Tiefe größer 27 mhi steigt die Fe- Massenkonzentration konstant mit geringer Steigung auf 90 % bei 50 mhΊ. Demnach enthält weder die Hartstoffschicht noch die Zwischenschicht wesentliche Anteile von Fe- Karbid oder Fe-Nitrid.
Die Cr- Massekonzentration liegt in einer Tiefe von 0 mhh bei 81%, um in einer Tiefe von 2 mhh auf einen Wert von 78 % leicht zu sinken. Ab einer Tiefe von 2 mhh steigt die Cr- Massekonzentration auf den Maximalwert von 85 % in einer Tiefe von 3 mhΊ. Die Cr- Massekonzentration sinkt ab einer Tiefe von 3 mhh auf einen Wert von 75 % in einer Tiefe von 8 mhΊ. Die Schwankungen in diesem Bereich der Hartstoffschicht liegen allerdings im Bereich der Messtoleranz, sodass hier von einer nahezu konstanten Cr- Massenkonzentration ausgegangen werden kann. Ab einer Tiefe von 8 mhh sinkt die Cr- Massekonzentration bis 25 mhh stark auf einen Wert von 5 %. Die Hartstoffschicht weist also eine Schichtdicke von mindestens 8 mhh auf.
Die N- Massekonzentration weist bei 0 mhh einen Wert von 9,8 % auf, in einer Tiefe von 2 mhh liegt die N- Massekonzentration mit 9,4 % bei einem nahezu identischen Wert. Ab einer Tiefe von 2 mhh sinkt die N- Massekonzentration auf einen Wert von 4,4 % in einer Tiefe von 4 mhΊ. Dann steigt die N- Massekonzentration stark auf den Maximalwert von 17,6 % in einer Tiefe von 8 mhΊ. Bei einer Tiefe von 12 mhh sinkt die N- Massekonzentration stark auf einen Wert von 2 % bei 25 mhΊ. Der Nitrid-Gehalt ist demnach bis zu einer Tiefe von ca. 2 mhh nahezu konstant und sinkt dann bis zu einer Tiefe von ca. 4 mhh auf etwa die Hälfte des Nitrid-Gehalts an der Oberfläche ab. Von dort steigt der Nitrid-Gehalt auf seinen Höchstwert in der Hartstoffschicht bei einer Tiefe von ca. 8mhi an und sinkt von dort auf einen Wert von nahezu 0 in einer Tiefe von 25 mhh ab. Die Dicke der Schicht beträgt demnach ca. 12 mhΊ.
Die C- Massekonzentration weist bei 0 mhh einen Wert von 2,5 % auf und steigt auf einen Wert von 2,6 % bei 2 mhΊ. Ab einer Tiefe von 2 mhh steigt die C- Massekonzentration stark auf einen Maximalwert von 3,75 % bei 4 mhΊ. Ab einer Tiefe von 4 mhh sinkt die C- Massekonzentration stark auf einen Wert von 0,35 % bei 15 pm. Der Karbid-Gehalt ist demnach bis zu einer Tiefe von ca. 2 pm nahezu konstant und steigt dann bis zu einer Tiefe von ca. 4 pm auf etwa das Doppelte des Karbid-Gehalts an der Oberfläche an. Von dort sinkt der Karbid-Gehalt auf einen Wert von nahezu 0 in einer Tiefe von 15 pm ab.
Die N- Massekonzentration sinkt von 9,8 % an der Oberfläche der Hartstoffschicht 6 auf 4,4 % in einer Tiefe von 4 pm, im gleichen Bereich ändert sich die C- Massekonzentration von 2,5 % an der Oberfläche der Hartstoffschicht 6 auf ihren Maximalwert von 3,75 % bei 4 pm. In der Tiefe der Hartstoffschicht 6 von 4 pm weist die N- Massekonzentration ein relatives Minimum, die C- Massekonzentration ihr Maximum auf, gleichzeitig liegt die Cr- Massenkonzentration in dieser Tiefe von 4 pm bei 85 %. In dieser Tiefe liegen also Metallnitride und -karbide, hier CrN und CrC, als Zwischenschicht 7 in etwa gleicher Massenkonzentration vor.
In einem Tiefenbereich von 4 bis 8 pm weisen die N- Massekonzentration und C- Massekonzentration bzw. der Nitrid-Gehalt und der Karbid-Gehalt einen gegenläufigen Gradienten auf, die Massenkonzentration von CrN steigt also wieder in größerer Tiefe der Hartstoffschicht 6.
Eine Analyse der Verläufe der Massenkonzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff zeigt, dass die Massenkonzentration des Stickstoffs an der Oberfläche der Hartstoffschicht größer ist, als die Massenkonzentration des Kohlenstoff. Das Verhältnis der Massenkonzentration der Metallnitride zu der Massenkonzentration der Metallkarbide beträgt ca. 4:1. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Trennmittel
2 Aktivator
3 Metall
4 Metallnitrid
5 Bulkmaterial
6 Hartstoffschicht 7 Zwischenschicht
10 Kette
11 Bolzen
12 Hülse
13 Innenlasche
14 Außenlasche M Metall
N Stickstoff

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E
1. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht, die aufweist:
• ein Substrat auf Stahlbasis
• eine Hartstoffschicht an einer Außenseite des Substrates auf Stahlbasis, wobei die Hartstoffschicht Metallnitride aufweist,
• Metallkarbide in der Hartstoffschicht
dadurch gekennzeichnet, dass
der Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht in Richtung zur Außenseite der Hartstoffschicht abnimmt.
2. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht in einem Bereich nahe zum Substrat in Richtung zur innen liegenden Seite der Hartstoffschicht ansteigt.
3. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
der Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht ein lokales Maximum in der Hartstoffschicht aufweist.
4. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Maximums des Metallkarbid-Gehalts in der Hartstoffschicht zur
Außenseite der Hartstoffschicht kleiner ist als der Abstand des Maximums des Metallkarbid-Gehalts in der Hartstoffschicht zur Grenze zwischen Hartstoffschicht und Substrat.
5. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
der Betrag der Steigung des Metallkarbid-Gehalts in der Hartstoffschicht in einem Bereich nahe zum Substrat höher ist als der Betrag der Steigung in einem Bereich des abnehmenden Metallkarbid-Gehalts.
6. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, dass
Metallnitrid-Gehalt in der Hartstoffschicht in Richtung der Außenseite der
Hartstoffschicht ansteigt.
7. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steigung des Metallnitrid-Gehalts in der Hartstoffschicht in einem Bereich nahe zum Substrat höher ist die Steigung in einem Bereich nahe der Außenseite der Hartstoffschicht.
8. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Metallnitrid-Gehalt in der Hartstoffschicht größer ist als der mittlere Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht.
9. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Metallnitrid-Gehalt in der Hartstoffschicht um Faktor 2, bevorzugt um Faktor 3 und besonders bevorzugt um Faktor 4 größer ist als der mittlere Metallkarbid-Gehalt n der Hartstoffschicht.
10. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Metallkarbid-Gehalt in jeder Schichtlage im oberflächennahen Bereich der Hartstoffschicht kleiner als 20 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 10Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 5 Gew.-% ist, wobei der oberflächennahe Bereich eine Dicke von 80% der Gesamtdicke der Hartstoffschicht, bevorzugt von 90% der
Gesamtdicke der Hartstoffschicht und besonders bevorzugt von 95% der Gesamtdicke der Hartstoffschicht aufweist.
1 1. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10
dadurch gekennzeichnet, dass
die mittlere Cr- Massekonzentration in der Hartstoffschicht größer ist als die mittlere Fe- Massekonzentration in der Hartstoffschicht.
12. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach Anspruch 11
dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Cr- Massekonzentration in der Hartstoffschicht um einen Faktor von 2, bevorzugt um einen Faktor von 4 und besonders bevorzugt um einen Faktor von 6 größer ist als die mittlere Fe- Massekonzentration in der Hartstoffschicht.
13. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Metallnitrid-Gehalt im oberflächennahen Bereich der Hartstoffschicht an jeder Stelle größer ist als der mittlere Metallkarbid-Gehalt in der Hartstoffschicht.
14. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13
dadurch gekennzeichnet, dass
die mittlere Cr- Massekonzentration im oberflächennahen Bereich der Hartstoffschicht an jeder Stelle größer ist als die mittlere Fe- Massekonzentration in der Hartstoffschicht.
15. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer
Hartstoffschicht nach Anspruch 13 und/oder 14
dadurch gekennzeichnet, dass
der oberflächennahe Bereich der Hartstoffschicht eine Dicke von 50% der Gesamtdicke der Hartstoffschicht, bevorzugt eine Dicke von 65% der Gesamtsicke der Hartstoffschicht und besonders bevorzugt eine Dicke von 80% der Gesamtdicke der Hartstoffschicht aufweist.
16. Kettenkomponente einer Kette zur Übertragung einer Kraft beschichtet mit einer Hartstoffschicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15
dadurch gekennzeichnet, dass die Massekonzentration Metallnitride an der Oberfläche der Hartstoffschicht größer ist als die Massekonzentration der Metallkarbide an der Außenseite der Hartstoffschicht.
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