JP2016500752A - 高温応用のための摩擦応力を備えた被覆部 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦応力を備えた高温応用のための被覆部に関する。この被覆部は、多層層系と最上位潤滑層とを含み、最上位潤滑層は主要成分としてモリブデンを含有する。

Description

本発明は、応用時に高温にさらされる構成要素、構成部品および工具用の摩耗保護被覆部に関する。構成要素、構成部品および工具は、以下では共に基板と称する。

本発明の目的
「高」温での応用には、構成部材、構成要素および工具の表面機能性に、機械的、構造的および化学的安定性に関する極端な要件がかけられる。長期に渡って安定性を有する表面機能性を確保し、従って工業プロセスの生産性を保証するために、本発明は、構成部材、可動構成要素ならびに成型および切断工具用に硬質材料層系を利用するが、この硬質材料層系により、明らかにより高い熱負荷での様々な工業応用における（すなわち温度が４００℃を上回る場合で、以下では高温応用と称する）構成要素および工具の摩耗が、満足できる形で改善される。この高温安定性を有する硬質材料層系の基本的な特性は以下の通りである。すなわち、i）十分な研磨摩耗保護、ii）十分な接着摩耗保護、iii）十分な層固着、および、iv）十分な温度安定性（相安定性および酸化耐性）である。

発明の説明
本発明によれば、実質的にベースとして多層層系を含む被覆系が提案される。この多層層系上に、少なくとも１つの層を備えた最上位潤滑層系が設けられている。この最上位潤滑層系は、この被覆系の外側に向かった終端となる。この最上位潤滑層系は、主要構成成分としてモリブデンを含有し、表面で広く行われる高温摩擦接触およびこれから生じる機械応力および化学応力に応じて、適合されたアーキテクチャ／マイクロ構造および適合された組成を有する。

以下に、好適なアーキテクチャ／マイクロ構造および組成のより詳細な実施形態を記載する。以下では簡略化のために最上位潤滑層系を最上位潤滑層とも称する。

本発明による被覆部を示す図である。 本発明によるある被覆部の１部分（ナノ層）を示す図である。 本発明によるある被覆部の１部分（ナノ層）を示す図である。

この最上位潤滑層のアーキテクチャは、i）単一層構造、ii）２層構造、iii）多層構造、または、iv）ナノ積層構造を特徴としていることができるが、ii）〜iv）の場合には、その構造によって、マイクロ構造または化学作用が変化する。しかし、潤滑挙動を、各応用に対して、必要な機械的特性で調整して確保するために、i）〜iv）の全ての場合でマイクロ構造および／または組成の暫時的移行が可能である。基本的に全ての場合で、層は、ナノスケールでの性質を有する。最上位潤滑層の化学的組成は、一般的に以下のように特徴づけられる、すなわち、Ｍｏ_ａ−Ｘ_ｂ−Ｙ_ｃであり、ここで、ａ、ｂおよびｃは、各構成成分の原子濃度を示し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１が該当し、優勢な構成成分としてモリブデンが実現されていて、すなわち、０≦ｂ＜ａおよび０≦ｃ＜ａが該当し、Ｘは可変であり金属構成成分Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、ＣｕおよびＡｇまたはこれらの組み合わせであり、Ｙは可変であり非金属構成成分Ｃ、ＯおよびＮまたはこれらの組み合わせである。

特に好ましくは、５００℃を上回る高温応用の場合には、最上位潤滑層は、以下の組成を有する。
・Ｍｏおよび／またはＭｏ−Ｃｕ
・Ｍｏ−Ｎおよび／またはＭｏ−Ｃｕ−Ｎ
・Ｍｏ−Ｏ−Ｎおよび／またはＭｏ−Ｃｕ−Ｏ−Ｎ
・Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂおよび／またはＭｏ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎ
・Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ−Ｏ−Ｎ
好ましくは、最上位潤滑層は、少なくとも９５ａｔ％モリブデンを含有する。特に好ましくは、最上位潤滑層はアルミニウムを含有しない。好ましくは最上位潤滑層の層厚は、０．２５〜１．５μｍであり、特に好ましくは０．５〜１．０μｍである。

好ましくは、特定の高温応用（温度、摩擦接触、周囲雰囲気および期間）のために、最上位潤滑層とその下にある層系との適切な対が評価される。

以下では、例えば、Ｍｏ−Ｘ−Ｙ最上位潤滑層と、その下にある多層層系との相互作用について説明をする。最上位潤滑層をその下にある多層層系と組み合わせた作用機構は、様々な高温応用における機械的、構造的および化学的安定性に関して、おそらく以下のように説明可能である。潤滑層が、より高い温度で、固体潤滑相（とりわけ、金属酸化物）を形成しつつ継続的に塗布され、かつ、従って摩擦なじみ挙動を最適化し（すなわち初期の摩擦接触をさらなる経過のために最適に調整する）ことにより、最上位潤滑層が、摩擦接触の初期の段階でのみ採用される一方で、下にある多層層系は（最上位潤滑層による表面調整が行われた後に）、長期間持続性および高温安定性を有する（研磨および接着）摩耗保護の維持を担う。約４００℃以上の温度では、（厳密なマイクロ構造および組成に応じて）最上位潤滑層の酸化が用いられると推測されうる。最上位潤滑層中に含有される金属（Ｂ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｃｕ、ＡｇおよびＭｏなど）の酸化は、結果としていわゆる「マグネリ相」を形成しうる。この種のマグネリ相が優れた潤滑特性（固体潤滑性）を有することは公知である。下にある多層層系は、逆に、そのアーキテクチャにより層化学機構と調整して、必要な機械的、構造的および化学的高温安定性を提供するのみならず、望ましくかつ本願で制御可能な固体潤滑相の形成（とりわけ金属酸化物、これは、結果としていわゆる「マグネリ相」を形成する）を、１０００℃までの高温での安定した長期間使用で可能にする。

本発明によればこの多層層系は、少なくとも１つの高温安定化層（ＨＴ層）を含む。この種の層は、例えば、（Ｍｅｌ，Ｍｅ２，Ｍｏ）Ｎに対応する組成でありうる。

本発明の特に好適な実施形態では、この多層層系は、少なくとも２つの層パッケージを含有し、この中で、基板からの距離が長くなるに従い、潤滑活性を有する層がＨＴ層に続く。潤滑活性を有する層はＨＴ層に相応するが、しかし、モリブデンの割合がより多くなるよう構築されていることができる。これにしたがって、モリブデンが豊富な層が潤滑活性を有する層を形成可能である一方で、モリブデンが乏しい層がＨＴ層を形成するであろう。好ましくはモリブデンが豊富な層中のモリブデンの最大濃度は、隣接するモリブデンが乏しい層のモリブデンの最小濃度よりも、少なくとも１０ａｔ％、特に好ましくは少なくとも２０ａｔ％上回っている。交互層系のモリブデンが豊富な層は、例えば、単一成分の材料源（ターゲット）を用いたＰＶＤ法を用いても、また、複数成分の材料源を用いたＰＶＤ法を用いても析出することが可能である。

交互層系のモリブデンの豊富な層は、潤滑をさらに改善するために、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、ＣｕおよびＡｇから形成される群からの１つまたは複数のさらなる元素を含有しうる。

交互層系のモリブデンが乏しい層は、高温安定性をさらに改良するために、例えば機械的および化学的特性を改善することにより、Ｂ、Ｓｉ、ＷおよびＺｒから形成される群からの１つまたは複数のさらなる元素およびこれらの混合物を含有しうる。

本発明によれば、この多層層系上に、最上位潤滑層が上述のように配置される。
本発明による基板、すなわち本発明による被覆系が被覆された基板は、高温および摩擦応力が生じるいずれの応用分野においても採用されると有利である。これには、例えば直接プレス硬化が該当する。例としては、
・ＡｌＳｉ被覆された２２ＭｎＢ５のＵＳＳＨ金属薄板の直接プレス硬化
・被覆されない２２ＭｎＢ５のＵＳＳＨ金属薄板の直接プレス硬化
が挙げられる。

さらなる応用例は、
・高強度の金属薄板の鍛造
・とりわけ高強度のチタンとニッケルとの合金の切削加工および変形
・内燃機関中またはターボ負荷領域中における構成部品および可動構成要素
・アルミニウムおよびマグネシウムのダイカスト
・とりわけ高強度のプラスチックまたはアルミニウムの射出成型および押出成型
である。

本発明の第１実施例によれば、プレス硬化成型工具上に厚さ２μｍの（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｎ層を塗布する。続いて、５層パッケージが続くが、各層パッケージは、厚さ０．５μｍの（Ｔｉ_０．３Ａｌ_０．３Ｍｏ_０．４）Ｎ層を含有し、その上に厚さ０．５μｍの（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｎ層が続く。この多層層系の終端は、厚さ０．５μｍの（Ｔｉ_０．３Ａｌ_０．３Ｍｏ_０．４）Ｎ層により形成される。これに対して、全層系は、厚さ０．５μｍのＭｏ_０．９５Ｓｉ_０．０３Ｂ_０．０２が最上位潤滑層として終端を形成する。適切な最上位潤滑層としては、この具体的な場合では、ＭｏＮおよびＭｏ_０．９５Ｃｕ_０．０５Ｎも特に重要である。

本発明の第２実施例によれば、プレス硬化成型工具上に、２μｍの厚さの（Ａｌ_０．６５Ｃｒ_０．２５Ｓｉ_０．０５）Ｎ層を塗布し、ここで、Ｓｉは任意選択的に省略も可能である。続いて、５層パッケージが続き、ここで、各層パッケージは、厚さ０．５μｍの（Ａｌ_０．４２Ｃｒ_０．１８Ｍｏ_０．３５Ｃｕ_０．０５）Ｎ層を含有し、その上に厚さ０．５μｍの（Ａｌ_０．７Ｃｒ_０．３）Ｎ層が続く。この多層層系の終端は、厚さ０．５μｍの（Ａｌ_０．４２Ｃｒ_０．１８Ｍｏ_０．３５Ｃｕ_０．０５）Ｎ層により形成される。これに対して、この全層系の終端は、最上位潤滑層としての厚さ０．５μｍのＭｏＮ層である。

好ましい被覆部は、さらに、一方ではＡｌおよびＢならびにＩＶおよびＶ遷移族の元素の（Ｃおよび／またはＮおよび／またはＯ）化合物ならびに他方ではＭｏの（Ｃおよび／またはＢおよび／またはＮおよび／またはＯ）化合物を含む多層層系と、Ｍｏを主要成分とするＭｏ化合物を含有する、厚さが多層中のＭｏ含有層の厚さと等しいまたは好ましくはより厚い最上位潤滑層とを備えた被覆部である。

特に好ましくは、上述のような多層層系を備えた被覆部であって、この被覆部では、金属の全成分におけるＭｏの整数部が５０ａｔ％未満である被覆部である。

さらなる実験により、本発明の特に好適な実施形態の以下の特徴が導き出された。
・潤滑活性を有する層（ＴｉＡｌＭｏＮ）は、（１０ｋＶのＥＤＸ測定時の平均値で）Ｍｏ含有量が２０〜６０ａｔ％で、好ましくは２５〜３５ａｔ％である。特に好ましくは３０ａｔ％である場合に有利である。
・（平均）Ｍｏ含有量は、潤滑活性を有する層のアーキテクチャ（ナノ層構造）を介して制御することも可能である（以下の画像参照）。２ターゲットタイプ（ＭｏおよびＴｉＡｌ）の使用下で、この種のことは、技術的には、i）回転速度の変更、および／または、ii）同時に動く全てのターゲットのターゲットパラメータの変更を介して、実現可能である。
・ＴｉＡｌＭｏＮ中の、ＭｏＮが豊富な層の厚さ（ナノ層中の明るい層）は、１０〜６０ｎｍの間、好ましくは２０〜５０ｎｍの間、特に好ましくは３０〜４０ｎｍの間で可変である。ＴｉＡｌＭｏＮ中の、ＭｏＮが豊富な層の最適な厚さは、約４０ｎｍであるように思われる。
・潤滑活性を有する層（ＴｉＡｌＭｏＮ）中で、Ｍｏ含有量が約３０％である場合には、約８００〜９００℃の温度において（全層の組織に悪影響を与えることなく）表面酸化を非常に好都合に促進し、その結果、長期間使用においてＡｌＳｉの塗り付けを阻止するために、常に十分な（酸化物）潤滑剤を提供する。これは、応用に近いテスト（例えば、Ｕｓｉｂｏｒ（登録商標）金属薄板を継続的に交換し、常に同じ層をテストするＨＴ−ＳＲＶテスト）により示される。
・非常に有利であるのは、潤滑活性を有する層（ＴｉＡｌＭｏＮ）中で、Ｍｏの含有量を２０〜４０ａｔ％の範囲で変動させる際に、全層の機械特性（硬度、Ｅモジュール、固着）、構造特性（相の距離）および酸化特性（８００℃で１時間、周囲大気中での酸化層の成長）が、有意に変わらないという事実である。これにより、様々なＨＴ応用のためのアーキテクチャおよび組成を目的に応じて、研磨摩耗および接着摩耗に対する耐性に関して、最適化することができる。

Claims (10)

1. 多層層系と最上位潤滑層とを備えた被覆部であって、前記多層層系は少なくとも１つのＨＴ層を含有し、前記最上位潤滑層はＭｏ_ａ−Ｘ_ｂ−Ｙ_ｃの組成を有し、ここで、ａ、ｂおよびｃは各構成成分の原子濃度を表し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１が該当し、０≦ｂ＜ａおよび０≦ｃ＜ａが該当し、Ｘは可変であり金属構成成分Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、ＣｕおよびＡｇまたはこれらの組み合わせであり、Ｙは可変であり非金属構成成分Ｃ、ＯおよびＮまたはこれらの組み合わせである、被覆部。
2. 前記多層層系は、潤滑活性を有する層を少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１に記載の被覆部。
3. 前記多層層系は、少なくとも２つの層パッケージを含み、前記層パッケージは、それぞれ１つの潤滑活性を有する層と、ＨＴ層とから形成されていて、潤滑活性を有する層は、多層層系の終端を形成することを特徴とする請求項２に記載の被覆部。
4. 前記潤滑活性を有する層はモリブデンを含有し、前記ＨＴ層が同様にモリブデンを含有する場合には、前記潤滑活性を有する層中のモリブデン濃度は、前記ＨＴ層中のモリブデン濃度よりも高く、好ましくは少なくとも２０％高いことを特徴とする請求項３に記載の被覆部。
5. 上記請求項のいずれか１項に記載の被覆部で被覆された基板であって、前記基板は、構成部品、構成要素または工具である基板。
6. 内燃機関中またはターボ負荷領域中における構成部品または可動構成要素としての、請求項４に記載の基板の使用。
7. 直接プレス硬化、鍛造、切削加工、鋳造または押出成型のための、請求項５に記載の基板の使用。
8. 前記少なくとも１つの潤滑活性を有する層は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍｏ−Ｎ層であり、好ましくは１０ｋＶのＥＤＸ測定時の平均Ｍｏ含有量は２０〜６０ａｔ％であり、好ましくは２５〜３５ａｔ％であり、特に好ましくは３０ａｔ％であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の被覆部。
9. 前記少なくとも１つの潤滑活性を有する層は、ＭｏＮが豊富なナノ層と、ＭｏＮが乏しいナノ層とを備えたナノ層から構築されていることを特徴とする請求項８に記載の被覆部。
10. 前記ＭｏＮが豊富なナノ層は、１０〜６０ｎｍであり、好ましくは２０〜５０ｎｍであり、特に好ましくは３０〜４０ｎｍであり、最も好ましくは４０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の被覆部。