EP4225972A1 - Mehrschichtsystem, bauteil sowie verfahren zur herstellung eines solchen mehrschichtsystems oder bauteils - Google Patents

Mehrschichtsystem, bauteil sowie verfahren zur herstellung eines solchen mehrschichtsystems oder bauteils

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Publication number
EP4225972A1
EP4225972A1 EP21786327.3A EP21786327A EP4225972A1 EP 4225972 A1 EP4225972 A1 EP 4225972A1 EP 21786327 A EP21786327 A EP 21786327A EP 4225972 A1 EP4225972 A1 EP 4225972A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
metal
corrosion
component
wear
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21786327.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ricardo Henrique Brugnara
Nazlim Bagcivan
Edgar Schulz
Markus Schmalwasser
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
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    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/347—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with layers adapted for cutting tools or wear applications
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a multi-layer system comprising at least one anti-corrosion layer and one anti-wear layer.
  • the invention further relates to a component comprising a metallic substrate with a surface and a multi-layer system. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a multi-layer system or component.
  • Hard chrome layers are currently used in the automotive industry as anti-corrosion and anti-wear layers, which protect the steels used from corrosion and mechanical wear.
  • Chromium(VI)-containing electrolytic baths are usually used to produce such hard chrome layers, which are now classified as questionable from an environmental point of view and the use of which is increasingly subject to legislative restrictions. Accordingly, there is a need to replace the hard chrome layer with a coating that can be produced in an environmentally friendly manner.
  • Multi-layer systems comprising at least one anti-corrosion layer and one anti-wear layer are also already known from DE 10 2013 209 030 A1.
  • Corrosion protection for a metal component is described here, which comprises at least one wear protection layer in the form of a layer formed chemically, galvanically or by means of PVD/PACVD processes, which is formed on the metal component.
  • ALD atomic layer deposition
  • DE 10 2004 044 919 A describes a decorative coating for protecting a clean substrate from corrosion, wear and tear and oxidation based on refractory metal magnesium nitrides and a method for producing it. It is the object of the invention to provide an alternative multi-layer system which offers even more reliable protection against corrosion and wear and which can be manufactured in large numbers. Furthermore, it is the object of the invention to provide a component with such a multi-layer system and to specify a method for producing such a multi-layer system or component.
  • the object is achieved for a multi-layer system, comprising at least one anti-corrosion layer and one anti-wear layer, in that the anti-corrosion layer is formed by a metal nitride or a metal carbonitride which contains at least titanium and magnesium as the metal, the metal nitride or the metal carbonitride also comprising at least one rare earth metal , and that the wear protection layer is formed by at least one diamond-like metal-free carbon layer.
  • the multi-layer system ensures effective corrosion and wear protection for metallic substrates. It can withstand both mechanical and corrosive attack due to the anti-corrosion layer directly or indirectly protecting the anti-corrosion layer and bearing the mechanical load.
  • the wear protection layer preferably has friction-reducing properties in relation to a contact partner in a tribological system that is in frictional contact with it.
  • the multi-layer system can also be produced in large quantities at low production costs and is therefore suitable for use in the automotive industry.
  • the anti-corrosion layer has in particular 10 to 40 at.% titanium and/or 15 to 50 at.% magnesium.
  • concentration of the at least one rare earth metal in the anti-corrosion layer is preferably in the range from 0.1 to 15 at %.
  • the metal nitride or the metal carbonitride for forming the anti-corrosion layer is preferably also formed to include at least one metal from the group consisting of aluminum, chromium, zirconium, hafnium. Their concentration in the anti-corrosion layer is preferably in the range from 10 to 40 at.
  • the metal nitride or the metal carbonitride particularly preferably comprises gadolinium or cerium or lanthanum or a mixture of two or three of the elements mentioned as the rare earth metal.
  • the anti-corrosion layer is formed in particular to include TiMgGdN or TiMgGdCN or TiMgCeN or TiMgCeCN or TiMgLaN or TiMgLaCN.
  • the anti-corrosion layer is adjacent to a metallic adhesion promoter layer on its side facing away from the wear-protection layer.
  • the metallic adhesion promoter layer is formed from chromium or titanium or zirconium or magnesium or gadolinium or a mixture of two or three of the metals mentioned.
  • the adhesion promoter layer serves to improve the mechanical connection of the multilayer system to a metallic substrate.
  • the anti-corrosion layer On its side facing the wear protection layer, the anti-corrosion layer preferably borders on an intermediate layer which is formed from a silicon-doped metal nitride or a metal carbonitride, in particular silicon-doped metal carbonitride.
  • the intermediate layer is used for better mechanical connection of the anti-corrosion layer and the wear-resistant layer.
  • the wear protection layer in the form of at least one diamond-like, metal-free carbon layer preferably comprises at least one aC or aC:H or ta-C or ta-C:Si or ta-C:H:O:Si or a-C:H:Si or aC:H:O:Si or aC:H:N type layer or a combination of at least two such carbon layers.
  • a plurality of carbon layers of the same composition can be formed one on top of the other, or carbon layers of different composition can alternate with one another or follow one another in order to form a wear protection layer.
  • the anti-corrosion layer preferably has a thickness in the range from 0.5 to 10 ⁇ m, in particular in the range from 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the wear protection layer preferably has a thickness in the range from 0.1 to 10 ⁇ m, in particular in the range from 0.1 to 5 ⁇ m.
  • a component comprising a metallic substrate with a surface and a multi-layer system according to the invention, the multi-layer system being formed at least partially on the surface of the substrate such that the wear protection layer forms a top layer facing away from the substrate.
  • the sequence would be:
  • the metallic substrate is formed in particular from steel. Steel grades 100Cr6, 42CrMo4 or 16MnCr5 are particularly preferred.
  • the wear protection layer preferably has friction-reducing properties in relation to a contact partner that is in frictional contact with it.
  • the following multi-layer systems on metallic substrates, in particular made of steel, are particularly preferred, which are only to be mentioned here as examples:
  • Anti-corrosion layer TiMgGdN
  • Anti-corrosion layer TiMgGdN
  • Adhesion layer TiMg
  • Anti-corrosion layer TiMgGdN
  • Adhesion layer Titanium
  • Anti-corrosion layer TiMgGdN
  • Adhesion layer Titanium
  • Corrosion protection layer TiMgCrGdN
  • Anti-corrosion layer TiMgGdCN
  • Adhesion layer TiMg
  • Anti-corrosion layer TiMgGdCN
  • Adhesion layer TiMg
  • Corrosion protection layer TiMgLaCN or TiMgCeCN or
  • Adhesion layer TiMgGd
  • Anti-corrosion layer TiMgGdN
  • Wear protection layer at least one layer of the a-C:H and/or a-C:H:Si type
  • Multi-layer system 10
  • Adhesion layer TiMgGd
  • Corrosion protection layer 1 TiMgGdN
  • Corrosion protection layer 2 TiMgGdCN
  • Wear protection layer at least one layer of the a-C:H and/or a-C:H:Si type
  • Multi-layer system 11
  • Adhesion layer TiMgGd
  • Anti-corrosion layer TiMgGdCN
  • Wear protection layer at least one aC:H and/or aC:H:Si type layer Multi-layer system 12:
  • Adhesion layer TiMgGd
  • Anti-corrosion layer TiMgGdCN
  • Wear protection layer at least one layer of the ta-C:Si and/or ta-C:H:O:Si type
  • Multi-layer system 13
  • Adhesion layer TiMgGd
  • Corrosion protection layer 1 TiMgGdN
  • Corrosion protection layer 2 TiMgGdCN
  • Wear protection layer at least one layer of the ta-C:Si and/or ta-C:H:O:Si type
  • the component according to the invention is in particular a roller bearing component or a plain bearing component or components that are used in tribological contact in connection with corrosive media.
  • corrosive media water-based lubricants, aqueous media and hydrocarbon-based lubricants that have aged during operation are considered to be corrosive media here.
  • the object is also achieved by a method for producing a multilayer system according to the invention or a component according to the invention, wherein the multilayer system is formed by means of a PVD process and/or a PACVD process. These methods can also be used cost-effectively for mass production in the automotive environment.
  • FIGS 1 to 6 are intended to explain the invention by way of example. So shows
  • FIG. 1 shows a first multi-layer system comprising an anti-corrosion layer and an anti-wear layer
  • FIG. 2 shows a second multi-layer system comprising an anti-corrosion layer, an intermediate layer and an anti-wear layer;
  • FIG. 3 shows a third multi-layer system comprising an adhesion promoter layer, an anti-corrosion layer, an intermediate layer and an anti-wear layer;
  • FIG. 4 shows a fourth multi-layer system comprising an adhesion promoter layer, an anti-corrosion layer and an anti-wear layer;
  • FIG. 5 shows a component with a multi-layer system according to FIG. 3.
  • FIG. 6 shows a component in the form of a roller bearing ring.
  • Figure 1 shows a first multi-layer system 1 in a sectional view perpendicular to the layer plane, comprising an anti-corrosion layer 2 and an anti-wear layer 3.
  • the anti-corrosion layer 2 is formed by a metal nitride or a metal carbonitride which contains at least titanium and magnesium as the metal, the metal nitride or the metal carbonitride also comprising at least one rare earth metal.
  • the wear protection layer 3 is formed by at least one diamond-like metal-free carbon layer (DLC).
  • Figure 2 shows a second multi-layer system 1' in a sectional view perpendicular to the layer plane, comprising an anti-corrosion layer 2, an intermediate layer 4 and a wear-protection layer 3.
  • the anti-corrosion layer 2 is formed by a metal nitride or a metal carbonitride, which contains at least titanium and magnesium as the metal, the metal nitride or the metal carbonitride further at least comprises a rare earth metal.
  • the wear protection layer 3 is formed by at least one diamond-like metal-free carbon layer (DLC).
  • the intermediate layer 4 is formed from a silicon-doped metal nitride or a metal carbonitride, in particular a silicon-doped metal carbonitride.
  • Figure 3 shows a third multi-layer system 1 "in a sectional view perpendicular to the layer plane, comprising an adhesion promoter layer 5, an anti-corrosion layer 2, an intermediate layer 4 and an anti-wear layer 3.
  • the anti-corrosion layer 2 is formed by a metal nitride or a metal carbonitride, which as the metal at least titanium and magnesium contains, wherein the metal nitride or the metal carbonitride further comprises at least one rare earth metal.
  • the wear protection layer 3 is formed by at least one diamond-like metal-free carbon layer (DLC).
  • the intermediate layer 4 is formed from a silicon-doped metal nitride or a metal carbonitride, in particular a silicon-doped metal carbonitride .
  • the metallic adhesion promoter layer 5 is preferably formed from chromium or titanium or zirconium or magnesium or gadolinium or a mixture of two or three of the metals mentioned.
  • the adhesion promoter layer 5 is formed here from TiMg.
  • Figure 4 shows a fourth multi-layer system 1 in a sectional view perpendicular to the layer plane, comprising an adhesion promoter layer 5, an anti-corrosion layer 2 and an anti-wear layer 3.
  • the anti-corrosion layer 2 is formed by a metal nitride or a metal carbonitride which contains at least titanium and magnesium as the metal, the metal nitride or the metal carbonitride further comprises at least one rare earth metal.
  • the wear protection layer 3 is formed by at least one diamond-like metal-free carbon layer (DLC).
  • the metallic adhesion promoter layer 5 is preferably formed from chromium or titanium or zirconium or magnesium or gadolinium or a mixture of two or three of the metals mentioned.
  • Figure 5 shows a component 8 in a sectional view perpendicular to the layer plane of the multi-layer system comprising a metallic substrate 6 with a surface 6a and the third th multi-layer system 1" according to FIG. 3, the third multi-layer system 1" being formed partially on the surface 6a of the substrate 6 in such a way that the wear protection layer 3 forms a top layer 7 facing away from the substrate 6.
  • FIG. 6 shows a component 8 in the form of a roller bearing ring in a three-dimensional representation.
  • the component 8 comprises an annular metallic substrate 6, which is covered on its cylindrical lateral surface and its end faces with a multi-layer system 1 according to FIG.
  • other multilayer systems according to the invention can also be used.
  • the multi-layer system can cover a substrate completely or only superficially in certain areas, depending on the corrosive attack present and the specific wear conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtsystem (1, 1', 1", 1''') umfassend zumindest eine Korrosionsschutzschicht (2) und eine Verschleißschutzschicht (3), wobei die Korrosionsschutzschicht (2) durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst, und die Verschleißschutzschicht (3) durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil (8) mit einem solchen Mehrschichtsystem (1, 1', 1", 1"') sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtsystems (1, 1', 1", 1"') oder des Bauteils (8).

Description

Mehrschichtsystem, Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtsystems oder Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtsystem, umfassend zumindest eine Korrosionsschutzschicht und eine Verschleißschutzschicht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil umfassend ein metallisches Substrat mit einer Oberfläche und ein Mehrschichtsystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtsystems oder Bauteils.
Als Korrosions- und Verschleißschutzschichten sind in der Automobilindustrie derzeit Hartchromschichten im Einsatz, die die verwendeten Stähle vor Korrosion und mechanischem Verschleiß schützen. Zur Herstellung solcher Hartchromschichten sind üblicherweise Chrom(VI)-haltige Elektrolytbäder im Einsatz, die inzwischen unter Umweltgesichtspunkten als bedenklich eingestuft sind und deren Verwendung verstärkt legislativen Beschränkungen unterliegt. Es besteht demnach ein Bedürfnis, die Hartchromschicht durch eine umweltfreundlicher herstellbare Beschichtung zu ersetzen.
Es sind auch bereits Mehrschichtsysteme umfassend zumindest eine Korrosionsschutzschicht und eine Verschleißschutzschicht aus der DE 10 2013 209 030 A1 bekannt. Hier ist ein Korrosionsschutz für ein metallisches Bauteil beschrieben, welcher mindestens eine Verschleißschutzschicht in Form einer chemisch, galvanisch oder mittels PVD/PACVD-Verfahren gebildeten Schicht umfasst, die auf dem metallischen Bauteil gebildet ist. Auf der Verschleißschutzschicht ist mindestens eine Korrosionsschutzschicht, die mittels eines ALD-Verfahrens (ALD = atomic layer deposition) gebildet ist, angeordnet. Das ALD-Verfahren ist allerdings für ein Massengeschäft in der Automobilindustrie wenig geeignet.
Die DE 10 2004 044 919 A beschreibt eine dekorative Beschichtung zum Schutzreines Substrates vor Korrosion, Verschleiß und Oxidation auf Basis von Refraktärme- tall-Magnesium-Nitriden sowie Verfahren zu deren Herstellung. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Mehrschichtsystem bereitzustellen, das einen noch zuverlässigeren Korrosions- und Verschleißschutz bietet und in großen Stückzahlen gefertigt werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit einem derartigen Mehrschichtsystem bereitzustellen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtsystems oder Bauteils anzugeben.
Die Aufgabe wird für ein Mehrschichtsystem, umfassend zumindest eine Korrosionsschutzschicht und eine Verschleißschutzschicht, dadurch gelöst, dass die Korrosionsschutzschicht durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst, und dass die Verschleißschutzschicht durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht gebildet ist.
Das Mehrschichtsystem gewährleistet einen effektiven Korrosions- und Verschleißschutz für metallische Substrate. Es ist sowohl mechanischem als auch korrosivem Angriff aufgrund der die Korrosionsschutzschicht unmittelbar oder mittelbar schützenden und die mechanische Belastung tragenden Verschleißschutzschicht gewachsen. Die Verschleißschutzschicht weist dabei vorzugsweise reibmindernde Eigenschaften gegenüber einem in Reibkontakt dazu stehenden Kontaktpartner in einem tribologi- schen System auf.
Das Mehrschichtsystem ist zudem in hohen Stückzahlen bei geringen Herstellungskosten produzierbar und somit für eine Anwendung in der Automobilindustrie geeignet.
Die Korrosionsschutzschicht weist insbesondere 10 bis 40 at.-% Titan und/oder 15 bis 50 at.-% Magnesium auf. Die Konzentration des mindestens einen Seltenerdmetalls in der Korrosionsschutzschicht liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 15 at.-%.
Bevorzugt ist das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid zur Ausbildung der Korrosionsschutzschicht weiterhin umfassend mindestens ein Metall aus der Gruppe umfassend Aluminium, Chrom, Zirkon, Hafnium, ausgebildet. Deren Konzentration in der Korrosionsschutzschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 40 at.-%. Besonders bevorzugt umfasst das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid als Seltenerdmetall Gadolinium oder Cer oder Lanthan oder eine Mischung aus zwei oder drei der genannten Elemente.
Die Korrosionsschutzschicht ist insbesondere umfassend TiMgGdN oder TiMgGdCN oder TiMgCeN oder TiMgCeCN oder TiMgLaN oder TiMgLaCN ausgebildet.
Korrosionsschutzschichten und ihr Korrosionsverhalten auf Basis von Metallnitriden wie TiMgREN (RE = rare earth, Seltene Erden) sind in der Publikation
„Corrosion and wear protection of mild steel substrates by innovative PVD coatings“, Holger Hoche, Casper Pusch, Matthias Oechsner, Surface & Coatings Technology 391 (2020), beschrieben worden, siehe unter: https://doi.Org/10.1016/j.surfcoat.2020.125659
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Korrosionsschutzschicht auf ihrer der Verschleißschutzschicht abgewandten Seite an eine metallische Haftvermittlerschicht angrenzt. Insbesondere ist die metallische Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titan oder Zirkon oder Magnesium oder Gadolinium oder einer Mischung aus zwei oder drei der genannten Metalle gebildet. Die Haftvermittlerschicht dient der besseren mechanischen Anbindung des Mehrschichtsystems an ein metallisches Substrat.
Die Korrosionsschutzschicht grenzt auf ihrer der Verschleißschutzschicht zugewandten Seite vorzugsweise an eine Zwischenschicht an, die aus einem Silizium-dotierten Metallnitrid oder einem Metallkarbonitrid, insbesondere Silizium-dotierten Metallkarbonitrid, gebildet ist. Die Zwischenschicht dient der besseren mechanischen Anbindung der Korrosionsschutzschicht die Verschleißschutzschicht.
Die Verschleißschutzschicht in Form mindestens einer diamantähnlichen metallfreien Kohlenstoffschicht (= DLC - diamond like coating) umfasst bevorzugt mindestens eine Schicht vom Typ a-C oder a-C:H oder ta-C oder ta-C:Si oder ta-C:H:O:Si oder a- C:H:Si oder a-C:H:O:Si oder a-C:H:N oder eine Kombination mindestens zweier solcher Kohlenstoffschichten. Dabei können mehrere Kohlenstoffschichten gleicher Zusammensetzung aufeinander gebildet werden oder aber Kohlenstoffschichten unterschiedlicher Zusammensetzung einander abwechseln oder nacheinander folgen, um eine Verschleißschutzschicht auszubilden.
Die Korrosionsschutzschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 pm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 pm auf. Die Verschleißschutzschicht weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 pm, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 5 pm auf.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Bauteil gelöst umfassend ein metallisches Substrat mit einer Oberfläche und ein erfindungsgemäßes Mehrschichtsystem, wobei das Mehrschichtsystem zumindest partiell auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist derart, dass die Verschleißschutzschicht eine dem Substrat abgewandte Deckschicht ausbildet. Die Reihenfolge wäre damit ausgehen vom metallischen Substrat:
- optionale metallische Haftvermittlerschicht
- Korrosionsschutzschicht
- optionale Zwischenschicht
- Verschleißschutzschicht (= Deckschicht)
Das metallische Substrat ist insbesondere aus Stahl gebildet. Besonders bevorzugt sind dabei die Stahlsorten 100Cr6, 42CrMo4 oder 16MnCr5.
Die Verschleißschutzschicht weist dabei vorzugsweise reibmindernde Eigenschaften gegenüber einem in Reibkontakt dazu stehenden Kontaktpartner auf. Besonders bevorzugt sind folgende Mehrschichtsysteme auf metallischen Substraten, insbesondere aus Stahl, die hier lediglich beispielhaft genannt werden sollen:
Haftvermittlerschicht: keine
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H
Haftvermittlerschicht: keine
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si
Mehrschichtsvstem 3
Haftvermittlerschicht: TiMg
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H
Haftvermittlerschicht: Titanium
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdN
Zwischenschicht: TiSiN
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si
Haftvermittlerschicht: Titanium
Korrosionsschutzschicht: TiMgCrGdN
Zwischenschicht: CrSiN
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si
Haftvermittlerschicht: keine
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdCN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si
Haftvermittlerschicht: TiMg
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdCN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si
Haftvermittlerschicht: TiMg
Korrosionsschutzschicht: TiMgLaCN oder TiMgCeCN oder
TiMgLaN oder TiMgCeN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: a-C:H:Si Mehrschichtsystem 9:
Haftvermittlerschicht: TiMgGd
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: mindestens eine Schicht vom Typ a-C:H und/oder a-C:H:Si
Mehrschichtsystem 10:
Haftvermittlerschicht: TiMgGd
Korrosionsschutzschicht 1 : TiMgGdN
Korrosionsschutzschicht 2: TiMgGdCN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: mindestens eine Schicht vom Typ a-C:H und/oder a-C:H:Si
Mehrschichtsystem 11 :
Haftvermittlerschicht: TiMgGd
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdCN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: mindestens eine Schicht vom Typ a-C:H und/oder a-C:H:Si Mehrschichtsystem 12:
Haftvermittlerschicht: TiMgGd
Korrosionsschutzschicht: TiMgGdCN
Zwischenschicht: keine
Verschleißschutzschicht: mindestens eine Schicht vom Typ ta-C:Si und/oder ta-C:H:O:Si
Mehrschichtsystem 13:
Haftvermittlerschicht: TiMgGd
Korrosionsschutzschicht 1 : TiMgGdN
Korrosionsschutzschicht 2: TiMgGdCN
Zwischenschicht: TiCN oder TiSiCN
Verschleißschutzschicht: mindestens eine Schicht vom Typ ta-C:Si und/oder ta-C:H:O:Si
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Wälzlagerbauteil oder ein Gleitlagerbauteil oder Bauteile, die in tribologischem Kontakt in Zusammenhang mit korrosiven Medien eingesetzt werden. Als korrosive Medien werden hier insbesondere wasserbasierte Schmiermittel, wässrige Medien und im Betrieb gealterte Schmiermittel auf Kohlenwasserstoffbasis angesehen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrschichtsystems oder eines erfindungsgemäßen Bauteils gelöst, wobei das Mehrschichtsystem mittels eines PVD-Verfahrens und/oder eines PACVD- Verfahrens ausgebildet wird. Diese Verfahren sind zum Einsatz für eine Massenproduktion auch im automobilen Umfeld kostengünstig einsetzbar.
Die Figuren 1 bis 6 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt
Figur 1 ein erstes Mehrschichtsystem umfassend eine Korrosionsschutzschicht und eine Verschleißschutzschicht;
Figur 2 ein zweites Mehrschichtsystem umfassend eine Korrosionsschutzschicht, eine Zwischenschicht und eine Verschleißschutzschicht;
Figur 3 ein drittes Mehrschichtsystem umfassend eine Haftvermittlerschicht, eine Korrosionsschutzschicht, eine Zwischenschicht und eine Verschleißschutzschicht;
Figur 4 ein viertes Mehrschichtsystem umfassend eine Haftvermittlerschicht, eine Korrosionsschutzschicht und eine Verschleißschutzschicht;
Figur 5 ein Bauteil mit einem Mehrschichtsystem gemäß Figur 3; und
Figur 6 ein Bauteil in Form eines Wälzlagerringes.
Figur 1 zeigt ein erstes Mehrschichtsystem 1 im Schnittbild senkrecht zur Schichtebene umfassend eine Korrosionsschutzschicht 2 und eine Verschleißschutzschicht 3.
Die Korrosionsschutzschicht 2 ist durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst. Die Verschleißschutzschicht 3 ist durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht (DLC) gebildet.
Figur 2 zeigt ein zweites Mehrschichtsystem 1 ' im Schnittbild senkrecht zur Schichtebene umfassend eine Korrosionsschutzschicht 2, eine Zwischenschicht 4 und eine Verschleißschutzschicht 3. Die Korrosionsschutzschicht 2 ist durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst. Die Verschleißschutzschicht 3 ist durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht (DLC) gebildet. Die Zwischenschicht 4 ist aus einem Silizium-dotierten Metallnitrid oder einem Metallkarbonitrid, insbesondere einem Silizium-dotierten Metallkarbonitrid, gebildet.
Figur 3 zeigt ein drittes Mehrschichtsystem 1 " im Schnittbild senkrecht zur Schichtebene umfassend eine Haftvermittlerschicht 5, eine Korrosionsschutzschicht 2, eine Zwischenschicht 4 und eine Verschleißschutzschicht 3. Die Korrosionsschutzschicht 2 ist durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst. Die Verschleißschutzschicht 3 ist durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht (DLC) gebildet. Die Zwischenschicht 4 ist aus einem Silizium-dotierten Metallnitrid oder einem Metallkarbonitrid, insbesondere einem Silizium-dotierten Metallkarbonitrid gebildet.
Die metallische Haftvermittlerschicht 5 ist bevorzugt aus Chrom oder Titan oder Zirkon oder Magnesium oder Gadolinium oder einer Mischung aus zwei oder drei der genannten Metalle gebildet. Insbesondere ist die Haftvermittlerschicht 5 hier aus TiMg gebildet.
Figur 4 zeigt ein viertes Mehrschichtsystem 1 im Schnittbild senkrecht zur Schichtebene umfassend eine Haftvermittlerschicht 5, eine Korrosionsschutzschicht 2 und eine Verschleißschutzschicht 3. Die Korrosionsschutzschicht 2 ist durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst. Die Verschleißschutzschicht 3 ist durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht (DLC) gebildet. Die metallische Haftvermittlerschicht 5 ist bevorzugt aus Chrom oder Titan oder Zirkon oder Magnesium oder Gadolinium oder einer Mischung aus zwei oder drei der genannten Metalle gebildet.
Figur 5 zeigt ein Bauteil 8 im Schnittbild senkrecht zur Schichtebene des Mehrschichtsystems umfassend ein metallisches Substrat 6 mit einer Oberfläche 6a und dem drit- ten Mehrschichtsystem 1 " gemäß Figur 3, wobei das dritte Mehrschichtsystem 1 " partiell auf der Oberfläche 6a des Substrats 6 ausgebildet ist derart, dass die Verschleißschutzschicht 3 eine dem Substrat 6 abgewandte Deckschicht 7 ausbildet. Figur 6 zeigt ein Bauteil 8 in Form eines Wälzlagerringes in einer dreidimensionalen Darstellung. Das Bauteil 8 umfasst ein ringförmiges metallisches Substrat 6, welches an seiner zylindrischen Mantelfläche und seinen Stirnflächen mit einem Mehrschichtsystem 1 gemäß Figur 1 bedeckt ist. Dabei können alternativ natürlich auch andere erfindungsgemäße Mehrschichtsysteme zum Einsatz kommen.
Weiterhin kann das Mehrschichtsystem ein Substrat vollständig bedecken oder nur in bestimmten Bereichen oberflächlich bedecken, je nach vorliegendem korrosivem Angriff und den konkreten Verschleißbedingungen.
Bezuqszeichenliste Mehrschichtsystem
Korrosionsschutzschicht
Verschleißschutzschicht
Zwischenschicht
Haftverm ittlerschicht
Substrat a Oberfläche
Deckschicht
Bauteil

Claims

Patentansprüche
1. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1", 1"'), umfassend zumindest eine Korrosionsschutzschicht (2) und eine Verschleißschutzschicht (3), wobei die Korrosionsschutzschicht (2) durch ein Metallnitrid oder ein Metallkarbonitrid gebildet ist, welches als Metall zumindest Titan und Magnesium enthält, wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Seltenerdmetall umfasst, und die Verschleißschutzschicht (3) durch mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht gebildet ist.
2. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') nach Anspruch 1 , wobei das Metallnitrid oder das Metallkarbonitrid weiterhin mindestens ein Metall aus der Gruppe umfassend Aluminium, Chrom, Zirkon, Hafnium, ausgebildet ist.
3. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1", 1"') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei als Seltenerdmetall Gadolinium oder Cer oder Lanthan oder eine Mischung aus zwei oder drei der genannten Elemente vorhanden ist.
4. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Korrosionsschutzschicht (2) umfassend TiMgGdN oder TiMgGdCN oder TiMgCeN oder TiMgCeCN oder TiMgLaN oder TiMgLaCN ausgebildet ist.
5. Mehrschichtsystem (1", 1"') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Korrosionsschutzschicht (2) auf ihrer der Verschleißschutzschicht (3) abgewandten Seite an eine metallische Haftvermittlerschicht (5) angrenzt.
6. Mehrschichtsystem (1 ", 1 "') nach Anspruch 5, wobei die metallische Haftvermittlerschicht (5) aus Chrom oder Titan oder Zirkon oder Magnesium oder Gadolinium oder einer Mischung aus zwei oder drei der genannten Metalle gebildet ist.
7. Mehrschichtsystem (1 1 ") nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Korrosionsschutzschicht (2) auf ihrer der Verschleißschutzschicht (3) zugewandten Seite an eine Zwischenschicht (4) angrenzt, die aus einem Silizium-dotierten Metallnitrid oder einem Silizium-dotierten Metallkarbonitrid gebildet ist.
8. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verschleißschutzschicht (3) mindestens eine diamantähnliche metallfreie Kohlenstoffschicht vom Typ a-C oder a-C:H oder ta-C oder ta-C:Si oder ta-C:H:O:Si oder a- C:H:Si oder a-C:H:O:Si oder a-C:H:N oder eine Kombination mindestens zweier solcher Kohlenstoffschichten umfasst.
9. Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Korrosionsschutzschicht (2) eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 pm aufweist und/oder wobei die Verschleißschutzschicht (3) eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 pm aufweist.
10. Bauteil (8) umfassend ein metallisches Substrat (6) mit einer Oberfläche (6a) und ein Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Mehrschichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 "') zumindest partiell auf der Oberfläche (6a) ausgebildet ist derart, dass die Verschleißschutzschicht (3) eine dem Substrat (6) abgewandte Deckschicht (7) ausbildet.
11 . Bauteil (8) nach Anspruch 10, wobei es sich um ein Wälzlagerbauteil oder ein Gleitlagerbauteil oder ein Bauteil, das in einem tribologischen Kontakt und weiterhin in Kontakt zu einem korrosiven Medium eingesetzt wird, handelt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtsystems (1 , 1 ', 1 ", 1 "') nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder eines Bauteils (8) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , - 15- wobei das Mehrschichtsystem (1, 1', 1 ", 1 "') mittels eines PVD-Verfahrens und/oder eines PACVD-Verfahrens ausgebildet wird.
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