JP2020506818A - 層システムおよびコンポーネント - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）と、少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）上に配置された複数の機能層（３、４、５、６）とを含む層システムに関し、各機能層（３、４、５、６）は、第一の金属成分を含む第一の金属窒化物からなる第一のナノ層（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）と、金属性の第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）とを含み、各機能層（３、４、５、６）は、１〜１００ｎｍの範囲の層厚さｄを有している。本発明はさらに、金属性の基材（１０）と、この基材（１０）の表面上に少なくとも部分的に配置された層システム（１）とを含むコンポーネント（１００）に関する。

Description

本発明は、少なくとも１つの接着促進剤層と、この少なくとも１つの接着促進剤層上に配置された複数の機能層とを含む層システムに関する。本発明はさらに、金属性の基材と、この基材上に配置されたそのような層システムとを含むコンポーネントに関する。この場合、層システムは、耐摩耗層として機能するべきである。

冒頭で挙げた種類の層システムおよびコンポーネントはよく知られている。例えば、独国特許出願公開１０２０１１００６２９４号明細書には、被覆された金属コンポーネントの製造方法が開示されている。金属コンポーネントに適用された層システムは、少なくとも１つの、とりわけ金属性の接着促進剤層と、機能層とを含む。機能層は、例えば、窒化物硬質材料層、または窒化物硬質材料と金属性成分とからなるナノコンポジット層であり、この金属性成分は、例えば、化学元素の周期表の第３〜第５主族または第１〜第８副族の元素で形成されている。

国際公開第２０１２／０７８１５１号からは、窒化物耐摩耗層およびこの層で被覆されたコンポーネントが知られている。耐摩耗層は、銅マトリックス中に分布した５〜１００ｎｍの範囲の粒径を有する窒化モリブデン粒子を有しており、銅マトリックスは、耐摩耗層中に０．１〜５０質量％で存在し、かつ個々の窒化モリブデン粒子を包含する。

金属マトリックスおよびその中に埋め込まれた窒化物硬質材料の粒子を含む先行技術に記載されたコンポジット層は、たしかに耐摩耗層を形成するとはいえ、特に潤滑剤使用下での摩擦相手に対する摩擦は、層システムと摩擦相手との間の接触面の領域では十分に低減されないことが分かった。ＤＬＣ層とも呼ばれるダイヤモンド状層は、耐摩耗層を形成するだけでなく、潤滑剤を使用した場合に摩擦相手に対して効率的な摩擦低減ももたらすが、このことは、金属マトリックスおよびその中に埋め込まれた窒化物硬質材料の粒子を含む記載されたコンポジット層の場合には、同じように観察することができない。

本発明の課題は、耐摩耗層として機能するだけでなく、潤滑剤使用下での摩擦摩耗時に摩擦相手に対して摩擦を低減させる少なくとも１つの窒化物硬質材料を含有する層システムを提供することである。本発明の課題はさらに、そのような層システムで少なくとも部分的に被覆されているコンポーネントを提供することである。

上記課題は、
少なくとも１つの接着促進剤層と、
この少なくとも１つの接着促進剤層上に配置された複数の機能層と、
を含み、各機能層は、第一の金属成分を含む第一の金属窒化物からなる第一のナノ層と、金属性の第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）とを含み、各機能層（３、４、５、６）は、１〜１００ｎｍの範囲の層厚さｄを有している、層システムによって解決される。

本発明の意味における「ナノ層」とは、０．１〜９９．９ｎｍの範囲の層厚さを有する単層を意味すると理解される。この場合、２つのナノ層が一緒になって層厚さｄを有する機能層を形成する。特に、ナノ層の層厚さは１〜２０ｎｍの範囲である。

驚くべきことに、本発明による層システムは、高い耐摩耗効果を提供し、さらに潤滑剤使用下での摩擦相手に対して、冒頭で挙げたコンポジット層を使用したときよりも効率的な摩擦低減をもたらすことが分かった。

本明細書では、潤滑剤とは、潤滑油、グリース、ワックス、固体潤滑剤など、およびそれらの組合せ、および従来のエンジン添加剤を含有する潤滑油も意味すると理解される。

金属性の第二のナノ層が、化学元素の周期表の第３〜第７亜族の少なくとも１つの金属から形成されている場合に好ましい。金属性の第二のナノ層が、銅、パラジウム、銀、白金、イリジウム、金を含む群からの少なくとも１つの金属から形成されている場合に特に好ましい。この場合、銅で形成された第二のナノ層が特に好ましい。

少なくとも１つの接着促進剤層は、更に別のまたは第二の金属成分を含む第二の金属窒化物からなる第一の接着促進剤層を含むことが好ましい。この場合、更に別のまたは第二の金属成分は、第一のナノ層の第一の金属窒化物の第一の金属成分と同じでも異なって選択されていてもよい。特に、第一の接着促進剤層は、クロム、クロム−アルミニウム合金、チタン、モリブデンまたはジルコニウムから形成されている。代替的に、第一の接着促進剤層が、窒化クロムＣｒＮ、窒化チタンＴｉＮ、ＣｒＡｌＮまたは窒化モリブデンＭｏＮから形成されている場合に有用であることが証明された。

第一の接着促進剤層は、０．０１〜２μｍの範囲の好ましい層厚さを有している。

さらに、少なくとも１つの接着促進剤層が第二の接着促進剤層を含み、第二の接着促進剤層が、機能層中に設けられた第一の金属窒化物の第一の金属成分と、さらに第一の接着促進剤中に含まれる更に別のまたは第二の金属成分とを含む場合に好ましい。この場合、第二の接着促進剤層は、特に勾配プロファイル（Gradientenverlauf）を有しており、第一の接着促進剤層中に含まれている更に別のまたは第二の金属成分の割合は、複数の機能層の方向に減少し、かつ機能層中に設けられた第一の金属窒化物の第一の金属成分はそれに応じて増加する。したがって、第二の接着促進剤層は、第一の接着促進剤層と第二の接着促進剤層に隣接する機能層との間に、移行部を形成する。

第二の接着促進剤層は、０．０１〜２μｍの範囲の好ましい層厚さを有している。

この場合、第一の接着促進剤層と、この第一の接着促進剤層上の第二の接着促進剤層と、この第二の接着促進剤層上の複数の機能層とが順番に配置されていることが好ましい。

特に、１０〜１００００の範囲、特に好ましくは１００〜１０００の範囲の数ｎの機能層が存在する。

本発明の特に好ましい実施形態では、少なくとも１つの接着促進剤層と複数の機能層とを含む層システムは、０．１μｍ〜１０μｍの範囲の総層厚さＤを有している。そのような総層厚さの場合、一方では層システムの基材への優れた接着性と、同時に短い製造時間および低い加工コストとを達成することができ、他方では効率的な耐摩耗性および潤滑剤使用時の摩擦低減を達成することができる。

第一のナノ層の第一の金属窒化物は、窒化モリブデンＭｏＮで形成されていることが好ましい。代替的に、第一の金属窒化物は、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ_２Ｎ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＡｌＮなどの他の窒化物硬質材料で形成されていてもよい。

各機能層の第一のナノ層が、機能層に含まれる第二のナノ層よりも厚く形成されている場合に有用であることが証明された。その結果、層システムの摩擦低減特性を最適化することができる。

層システムの機能層の合計は、０．１〜２０原子％の範囲の第二のナノ層の平均金属含有量を有することが有利である。

本発明による層システムは、３５０℃未満の温度でＰＶＤ法（ＰＶＤ＝物理気相成長法）によって形成される／されていることが好ましい。

特に、層システムは、１０００〜４０００の範囲のビッカース硬度を有している。その結果、高い耐摩耗性が保証される。

上記課題はさらに、金属性の基材と、この基材の表面上に少なくとも部分的に配置された本発明による層システムとを含み、少なくとも１つの接着促進剤層、特に第一の接着促進剤層が基材に隣接して配置されている、コンポーネントによって解決される。

金属性の基材は、鋼から形成されていることが好ましい。この場合、特に１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２、４２ＣｒＭｏ４などの鋼種が好ましい。

コンポーネントは、特に機械コンポーネントとして、特にバケットタペット、チェーン部品、転がり軸受部品、制御ピストン、ベアリングブッシュ、カム従動節、ローラータペット部品、滑り軸受部品などの形態で形成されている。

層システムをＰＶＤ法（ＰＶＤ＝物理気相成長法）によって形成するために、カソードスパッタリングのための装置を使用することが好ましい。

第一の工程では、少なくとも１つの接着促進剤層が少なくとも部分的に少なくとも１つの基材に適用される。特に、例えばクロムからなる金属性の第一の接着促進剤層が少なくとも１つの基材の表面に堆積される。この場合、基材上への第一の接着促進剤層の全面的または部分的な堆積が起こり得る。

それに続いて、特にクロムおよびモリブデンからなる第二の接着促進剤層が第一の接着促進剤層上に堆積される。この場合、クロムの含有量は、第一の接着促進剤層から始まって機能層の方向に減少することが好ましい。

機能層を形成するために、基材は、例えば、カソードスパッタリング装置の真空チャンバ内で垂直軸を中心に回転可能である基材ホルダ上に配置される。真空チャンバの対向する側壁には、異なるスパッタリング材料で形成されているターゲットが配置される。ここでは、例示的に、窒化モリブデンＭｏＮからなる第一のナノ層と、銅からなる第二のナノ層とをそれぞれ含む機能層を用いて手順を説明する。少なくとも１つの銅ターゲットが真空チャンバの第一の側壁に配置され、かつ少なくとも１つのモリブデンターゲットが対向する側壁に配置される。１つ以上の基材を、基材ホルダ上および真空チャンバ内に垂直軸を中心に回転可能に取り付けるに当たり、それぞれが少なくとも１つの銅ターゲットの影響領域と少なくとも１つのモリブデンターゲットの影響領域とに交互に入るように行われる。真空チャンバ内に反応ガスとして窒素が導入され、これは少なくとも１つのモリブデンターゲットの領域において、窒化物形成剤であるスパッタリングされたモリブデンと反応し、窒化モリブデンＭｏＮからなる第一のナノ層として基材上に堆積される。基材は、それから基材ホルダによって少なくとも１つの銅ターゲットの方向に回転され、形成されたＭｏＮからなる第一のナノ層上に、銅Ｃｕからなる第二のナノ層が堆積され、その結果、第一の機能層が仕上げられる。更なる機能層を適用するために、基材は、基材ホルダによって、それからさらに少なくとも１つのモリブデンターゲットの方向に回転され、形成された銅からなる第二のナノ層上に、ＭｏＮからなる更なる第一のナノ層が形成される。基材は、基材ホルダによって少なくとも１つの銅ターゲットの方向に再び回転され、形成されたＭｏＮからなる更なる第一のナノ層上に、銅からなる更なる第二のナノ層が堆積され、その結果、第二の機能層が仕上げられる。それから有利には層システムの総層厚さＤが０．１〜１０μｍの範囲に達するまでの数の更なる機能層が適用される。この場合、基材ホルダの回転速度は、ナノ層の層厚さと数に直接影響する。堆積条件は同じままに回転速度がより高く選択されるほど、ナノ層の層厚さはより薄くなり、かつ層システムにおけるナノ層の数ｎはより多くなる。

しかしながら、層システムを製造するために、基材が送り方向に真空チャンバを通して搬送されるカソードスパッタリングのためのコンベア化装置を使用することも可能である。この場合、基材は、送り方向への移動に加えて、その長手方向軸を中心に回転または旋回されてもよい。

本発明によるいくつかの特に好ましい層システムを以下に記載する。

層システム１：
第一の接着促進剤層：クロム
第二の接着促進剤層：クロム、モリブデン
機能層：第一のナノ層：ＭｏＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム２：
第一の接着促進剤層：クロム
第二の接着促進剤層：クロム、ニオブ
機能層：第一のナノ層：ＮｂＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム３：
第一の接着促進剤層：クロム
第二の接着促進剤層：クロム、チタン
機能層：第一のナノ層：ＴｉＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム４：
第一の接着促進剤層：クロム
第二の接着促進剤層：クロム、タンタル
機能層：第一のナノ層：ＴａＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム５：
第一の接着促進剤層：クロム
第二の接着促進剤層：クロム、ジルコニウム
機能層：第一のナノ層：ＺｒＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム６：
第一の接着促進剤層：窒化クロム
第二の接着促進剤層：クロム、ジルコニウム
機能層：第一のナノ層：ＺｒＮ
第二のナノ層：Ｐｄ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム７：
第一の接着促進剤層：窒化クロム
第二の接着促進剤層：クロム、モリブデン
機能層：第一のナノ層：ＭｏＮ
第二のナノ層：Ａｇ
この場合、機能層は少なくとも１００回存在する。

層システム８：
第一の接着促進剤層：チタン
第二の接着促進剤層：チタン、モリブデン
機能層：第一のナノ層：ＭｏＮ
第二のナノ層：Ａｕ
この場合、機能層は少なくとも１００回存在する。

層システム９：
接着促進剤層：モリブデン
機能層：第一のナノ層：ＭｏＮ
第二のナノ層：Ｃｕ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

層システム１０：
第一の接着促進剤層：窒化チタン
第二の接着促進剤層：チタン、モリブデン
機能層：第一のナノ層：ＭｏＮ
第二のナノ層：Ｉｒ
この場合、機能層は少なくとも１０回存在する。

本発明による層システムおよびそれで少なくとも部分的に被覆された基材の形態のコンポーネントを、図１および２を用いて例示的に説明する。

層システムを有するコンポーネントを示す。 基材上に第一の層システムを形成するための装置の平面図の横断面図を示す。

図１は、基材１０の表面１０ａの一部に適用された層システム１を有するコンポーネント１００を示す。基材１０は、ここでは鋼から形成されている。層システム１は、基材１０の表面１０ａから始まって、クロムからなる第一の接着促進剤層２ａと、クロムとモリブデンとからなる第二の接着促進剤層２ｂとを含む接着促進剤層２を含む。第二の接着促進剤層２ｂのクロム含有量は勾配に従い、第一の接着促進剤層２ａから始まって機能層３、４、５、６の方向に減少する。明確にするために、ここでは、ｎ＝１５の機能層の意図した数のうち４つのみを示している。第二の接着促進剤層２ｂ上に、窒化モリブデンＭｏＮからなる第一のナノ層３ａと、その上に銅Ｃｕからなる第二のナノ層３ｂとを含む第一の機能層３が適用される。第一の機能層３上に、同様にＭｏＮからなる第一のナノ層４ａと、その上にＣｕからなる第二のナノ層４ｂとを含む第二の機能層４が適用される。第二の機能層４の上に、同様にＭｏＮからなる第一のナノ層５ａと、その上にＣｕからなる第二のナノ層５ｂとを含む第三の機能層５が適用される。第三の機能層５の上に、同様にＭｏＮからなる第一のナノ層６ａと、その上にＣｕからなる第二のナノ層６ｂとを含む第四の機能層６が適用される。層システム１の総層厚さＤは、ここでは０．５μｍである。各機能層３、４、５、６の層厚さは、ここでは１５ｎｍであり、各第一のナノ層３ａ、４ａ、５ａ、６ａは、約１０ｎｍの層厚さを有し、各第二のナノ層３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂは、約５ｎｍの層厚さを有している。

図２は、単なる一例として、図１による層システム１を基材１０上に形成するための装置を横断面図および平面図で概略的に示す。この装置は概略的にしか示されておらず、基材ホルダ２０２が配置された真空チャンバ２０１を有する真空容器２００を含む。基材ホルダ２０２は、垂直軸２０５を中心に回転可能な中空円筒（図２の回転方向を識別するための矢印を参照）の形態をとり、その外側に複数の基材１０が固定されている。ターゲット２０３、２０４が、真空チャンバ２０１内で対向する真空容器２００の側壁に配置されている。ターゲット２０３は、モリブデンをスパッタリングして第一のナノ層３ａ、４ａ、５ａ、６ａ（図１を参照）を形成するための少なくとも１つのモリブデンターゲットであり、更なるターゲット２０４は、銅をスパッタリングして第二のナノ層３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂを形成するための少なくとも１つの銅ターゲットである。真空チャンバ２０１内には負圧が設定されており、反応ガスとして窒素を含有する雰囲気が存在する。カソードスパッタリング中、ターゲット２０３のモリブデンがスパッタリングされ、真空チャンバ２０１内の窒素と反応する。基材ホルダ２０２の回転時にそれぞれターゲット２０３と基材ホルダ２０２との間に位置する基材１０上に、ＭｏＮからなる第一のナノ層３ａ、４ａ、５ａ、６ａが堆積される。基材ホルダ２０２の回転により、第一のナノ層３ａ、４ａ、５ａ、６ａで被覆された基材１０は、それに従って、これがターゲット２０４と基材ホルダ２０２との間に位置するようになるまでターゲット２０４の方向に搬送される。それから、第一のナノ層３ａ、４ａ、５ａ、６ａ上に第二のナノ層３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂが形成される。基材ホルダ２０２をさらに回転させることによって、所望の数ｎの機能層に達するまで、更なる機能層がさらに施与される。

１ 層システム
２ 接着促進剤層
２ａ 第一の接着促進剤層
２ｂ 第二の接着促進剤層
３、４、５、６ 機能層
３ａ、４ａ、５ａ、６ａ 第一のナノ層
３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ 第二のナノ層
１０ 基材
１０ａ 基材の表面
１００ コンポーネント
２００ 真空容器
２０１ 真空チャンバ
２０２ 基材ホルダ
２０３ ターゲット
２０４ ターゲット
２０５ 垂直軸
ｎ 機能層の数
ｄ 機能層の層厚さ
Ｄ 層システムの総層厚さ

Claims (16)

1. 層システム（１）であって、
   少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）と、
   前記少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）上に配置された複数の機能層（３、４、５、６）と、
   を含み、各機能層（３、４、５、６）は、第一の金属成分を含む第一の金属窒化物からなる第一のナノ層（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）と、金属性の第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）とを含み、各機能層（３、４、５、６）は、１〜１００ｎｍの範囲の層厚さｄを有している、層システム（１）。
2. 前記金属性の第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）が、銅、パラジウム、銀、白金、イリジウム、金を含む群からの少なくとも１つの金属から形成されていることを特徴とする、請求項１記載の層システム（１）。
3. 前記少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）が、更に別のまたは第二の金属成分を含む第二の金属窒化物からなる第一の接着促進剤層（２ａ）を含むことを特徴とする、請求項１または２記載の層システム（１）。
4. 前記少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）が、前記第一の金属成分を含む第二の接着促進剤層（２ｂ）と、さらに前記更に別のまたは前記第二の金属成分とを含むことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の層システム（１）。
5. 前記第一の接着促進剤層（２ａ）と、前記第一の接着促進剤層（２ａ）上に前記第二の接着促進剤層（２ｂ）と、前記第二の接着促進剤層（２ｂ）上に前記複数の機能層（３、４、５、６）とが順番に配置されていることを特徴とする、請求項４記載の層システム（１）。
6. 数ｎの機能層（３、４、５、６）が存在し、かつｎが１０〜１００００の範囲で選択されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の層システム（１）。
7. 前記層システム（１）が０．１μｍ〜１０μｍの範囲の総層厚さＤを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の層システム（１）。
8. 前記第一のナノ層（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）の前記第一の金属窒化物が窒化モリブデンＭｏＮで形成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の層システム（１）。
9. 各機能層（３、４、５、６）の前記第一のナノ層（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）が、前記機能層に含まれる前記第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）よりも厚く形成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の層システム（１）。
10. 各機能層（３、４、５、６）が、銅からなる第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の層システム（１）。
11. 前記機能層（３、４、５、６）の合計が、０．１〜２０原子％の範囲の前記第二のナノ層（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）の平均金属含有量を有していることを特徴とする、請求項１０記載の層システム（１）。
12. 前記層システム（１）が、３５０℃未満の温度でＰＶＤ法によって形成されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の層システム（１）。
13. 前記層システム（１）が、１０００〜４０００ＨＶの範囲のビッカース硬度を有していることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の層システム（１）。
14. 金属性の基材（１０）と、前記基材（１０）の表面上に少なくとも部分的に配置された請求項１から１３までのいずれか１項記載の層システム（１）とを含み、少なくとも１つの接着促進剤層（２ａ、２ｂ）が、前記基材（１０）に隣接して配置されている、コンポーネント（１００）。
15. 前記基材（１０）が鋼から形成されている、請求項１４記載のコンポーネント。
16. 前記コンポーネントが、機械コンポーネントとして、特にバケットタペット、チェーン部品、転がり軸受部品、制御ピストン、ベアリングブッシュ、カム従動節、ローラータペット部品または滑り軸受部品の形態で形成されている、請求項１４または１５記載のコンポーネント。

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