JP5508006B2 - コーティング材料を適用する方法及び金属表面のためのコーティング - Google Patents

Description

本発明は、随意的に既にコーティングされた、金属の表面上に多層耐摩耗性コーティングを適用するための方法であって、しかも該コーティングが少なくとも２つの耐摩耗性層及び各々２つの耐摩耗性層間に配置されている中間層から構成される上記方法に関し、そして金属表面のためのコーティングに関する。

例えばコモン−レール（ｃｏｍｍｏｎ−ｒａｉｌ）射出システムにおいての射出器のサーボ弁又はノズルにおいて出会う、そのままで非常に荷重がかかっている構成部品部分に関して、硬さ及び耐摩耗性の両方を増大させるために特に硬い材料を用いることによりコーティングを達成させることが先行技術において通常のことであった。数層を含むコーティングがまた先行技術に属している。

そうするにあたって、必要とされる摩耗指数を達成させるためにできるだけ大きな層厚さを適用できることが望ましいが、しかしながら、それらにおいてコーティング材料として特に硬い材料の使用は、層内に起こり且つ層の厚さと共に上昇する残留応力の故、層厚さを制限するであろう。層においての残留応力は、概して、コーティングに亀裂を形成させ、そして／又は欠け落ちに導くであろう。これに関して、Ｃｒに基づく接着剤層をまず金属表面上に適用し、ＣｒＮ勾配層を該接着剤層上に適用し、そしてＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ又は該２相の混合物に基づく一定の組成を有する少なくとも１つのカバー層（ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を該ＣｒＮ勾配層上に適用する層順序がＷＯ ２００６／００５２８８Ａ１において提案された。該ＣｒＮ層は明らかにより大きな層厚さで複数のＣｒＮ層の適用を可能にするように、比較的低い残留応力により特徴づけられる。

ＤＥ １０２００４００２６７８Ｂ４から、層順序が少なくとも第１接着剤層、第１耐摩耗性層、第２接着剤層及び第２耐摩耗性層を含み、必要に応じて前記層順序を数回繰り返して適用できる、弁のバルブニードルのための多層コーテイングが採用されなければならない。そのような形状を用いて、小さな層厚さの複数の耐摩耗性層を、全体で十分に厚いコーティングに作り上げることができる。究極的に耐摩耗性層に欠け落ちを起こさせる過剰の残留応力を生じさせないことを確実にする厚さに、個々の耐摩耗性層を適用することができる。その場合において耐摩耗性層間に適用される接着剤層は、耐摩耗性層の材料よりも著しく柔らかい材料から形成される。

先行技術に依れば、高度に耐摩耗性の硬い材料から形成された個々の耐摩耗性層は、全体的なコーティング厚さを増大させるように耐摩耗性の材料より柔らかい材料から形成された隣接しているか又は介在している中間層、遷移層又は接着剤層と組み合わされ、それにおいて、より硬い材料が欠け落ちるのを防ぐために必要な弾力性が、より硬い材料間に配置されたいっそう柔らかい該材料により提供されることが、したがって提供される。しかしながら、全体的なコーティング厚さにおいての増大は、中間層のより柔らかい材料により起こされる耐摩耗性の局所的減少と相対立する。極度に荷重がかかっている状態下に、最上部に適用された耐摩耗性層の取り去られが不可避的に起こされ、したがってより低い耐摩耗性材料から形成された下にある中間層を露出させ、これは引き続いて、比較的に迅速に摩耗され、その結果はこのタイプの層構造が大部分が比較的に迅速に摩耗を起こしやすいだろう。

ＷＯ ２００６／００５２８８Ａ１ ＤＥ １０２００４００２６７８Ｂ４

それ故、本発明は、中間層が各々個々の耐摩耗性層間に配置されている多層コーティングの耐摩耗性を、上記欠け落ちや亀裂を起こさせることなしに増大させること、そしてそのような多層コーティングを製造するための方法を提供することを目標課題としている。

この目標課題を解決するために、第１遷移領域上で減少していく耐摩耗性層の材料の含有量、及び第２遷移領域上で増大していく耐摩耗性層の材料の含有量、を用いて中間層の適用が行われ、中間層においての耐摩耗性層の材料の含有量があらゆる点で少なくとも５重量％であるように選ばれる、中間層が耐摩耗性層の材料及び追加材料を含有する材料組成物から構成されることにより、本発明は本質的に特徴づけられる。そのような層構造において、それぞれ隣接する耐摩耗性層の材料の含有量が増大していくかまた減少していく遷移領域が、各々の中間層において形成され、耐摩耗性層の材料とは異なる材料がそれぞれ増大していくか又は減少していく含有量で混合される。しかしながら、中間層においての追加材料の全体的含有量は、本発明に従って、耐摩耗性層の材料の５重量％の最少含有量が、あらゆる点で中間層において含有されるように制限される。それにより摩耗性が中間層において維持されることが保護され、それにもかかわらず、その一方で同時にこれらの層の材料に生ずる残留応力により起こされる欠け落ち又は亀裂を防止するように２つの耐摩耗性層間に或る程度の弛緩帯域を生成するであろう。

各層間にできるだけ連続している遷移を達成させるために、もし傾斜関数（ｒａｍｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）にしたがって中間層中の耐摩耗性層の材料の含有量を減少させるか又は増大させるならば好ましい。高い荷重がかかっている状態下にでさえ、中間層が十分な摩耗抵抗性を示すことをさらに確実にするために、もし中間層においての耐摩耗性の層の材料の含有量を少なくとも３０重量％に、好ましくは少なくとも５０重量％に減少させるならば好ましい。このことは耐摩耗性層、即ちコーティング材料の１００重量％の含有量を有する層、の次に中間層の第１遷移領域が続き、その領域において、耐摩耗性層の材料の含有量を、１００重量％から、例えば５０重量％に減少し、そしてそれに応じて追加材料の含有量を増大させる層構造を好ましくは生ずる。純粋な材料の、次に積み重ねられている耐摩耗性層への遷移のために、中間層の追加の遷移領域が続いて設けられ、その領域において耐摩耗性層の材料の含有量が再び１００重量％に増大され、そして追加材料の含有量がそれに応じて減少される。第１遷移領域は、その下に配置された耐摩耗性層に直接に接するのが好ましく、そして第２遷移領域はその上に配置された耐摩耗性層に直接に合体する。耐摩耗性層の材料の含有量を低下させていく第１遷移領域と、耐摩耗性層の材料の含有量を再び上昇させていく第２遷移領域との間で、材料の含有量が変わらない状態であるように選ばれる追加の領域が所望に応じて配置されることができる。しかしながら、中間層はできるだけ薄く形成されるべきであるので、第２遷移領域が第１遷移領域に直接に接する形状が好ましく、材料遷移に役に立つ該２つの遷移領域の他には他の機能的準領域（ｓｕｂｒｅｇｉｏｎ）は必要ではないように思われる。

好ましい様式において、個々の材料の質量比を層の適用中に連続して変化させることができる、先行技術から方法が知られている、ＣＶＤ法により層を適用する。

できるだけ耐摩耗性である形状を達成させるために、もし耐摩耗性層がダイヤモンド−様炭素材料（ＤＬＣ）から構成されるならば好ましい。耐摩耗性層の材料に加えて、中間層は、好ましくは例えばＣｒＮのような追加の耐摩耗性材料を含有する。

以下に、図面に図式的に例示されている、例示態様の方法で本発明をいっそう詳細に説明する。

先行技術に従う多層コーティングを例示する。 本発明に従うコーティングを例示する。

図１に従う層順序において、柔らかい材料、例えばＣｒの接着剤層２はコーティングされるべき材料１上に、第１番目に適用される。この後に、例えばＣｒＮから構成されることができる第１耐摩耗性層３が適用される。遷移領域４において、第１耐摩耗性層の材料の濃度がゼロにまで減少され、同時に、例えばＤＬＣ（ダイヤモンド−様炭素）から形成された第２耐摩耗性層５の材料の濃度が増加される。引き続き、第２耐摩耗性層５が適用される。ダイアグラムは、コーティングされるべき構成部品部分１の表面からの距離７の関数として濃度６を描いており、実線８は第１耐摩耗性層の材料の濃度を示し、そして点−ダッシュ線９は第２耐摩耗性層の材料の濃度を表す。

図２は、本発明に従うコーティングを例示する。コーティングされるべき材料１、接着剤層２、第１耐摩耗性層３、保護遷移層４及び第２耐摩耗性層５を含む既に知られている層順序の上に、中間層１０が続き、中間層１０において隣接する耐摩耗性層の材料の濃度が第１遷移領域ａにて１００％から５０％に減少され、そして第２遷移領域ｂにて再び１００％に上昇し、それらにおいて、追加材料、即ち当該の場合において層３の材料が、対応して遷移領域ａにおいて５０％にまで上昇され、それにしたがって第２遷移領域ｂにおいて再びゼロにまで低下する追加材料の含有量で混合される。この中間層１０の次に第２耐摩耗性層５の追加の層が適用される。中間層１０及び第２耐摩耗性層５の適用を、続いて数回繰り返すことができる。

本発明の利点は、コーティングの故、或る層厚さからの耐摩耗性層３及び５において生ずる応力が、該コーティングがもはや安全に接着しないような程度にまで通常上昇する点にある。したがって、コーティングの厚さが上方に向かって制限される。特定の中間層１０を導入することにより、応力が減少し、そして同じ保護層の追加の層を、殆ど任意のコーティング厚さの実現化が実際にあたって実施可能であるように適用することができる。

耐摩耗性層５の材料のためにＤＬＣ（ダイヤモンド−様炭素）を選ぶことができる。また中間層１０に混合する、耐摩耗性層３の材料のために、例えばＣｒＮを選ぶことができる。しかしながら、中間層１０に混合する材料は、耐摩耗性層３の材料と必ずしも一致する必要がない。

層５及び１０の繰り返しての適用により形成された層構造は、層３、４及び随意的に２の介在を介して構成部品部分１上に必ずしも適用される必要がないことにさらに留意すべきであろう。それとは異なって、接着剤層の介在と共に又はその介在なしで、直接の適用をまた考慮することができる。耐摩耗性層５の材料と比較して、より柔らかい材料から形成される層３の配置は、構成部品部分１のより柔らかい材料から耐摩耗性層５の非常に硬い材料への連続的遷移を提供するために単に行われる。

Claims (25)

1. 随意的に既にコーティングされている金属表面上に多層耐摩耗性コーティングを適用するための方法であって、該コーティングが少なくとも第１及び第２の耐摩耗性層、及び該第１及び第２の耐摩耗性層間に配置され、耐摩耗性層(複数)の材料及び該耐摩耗性層(複数)の材料と比較してより柔らかい追加材料からなる中間層から構成される該方法において、該第１の耐摩耗性層が、随意的に既にコーティングされている金属表面上に配置されており、該中間層は、該中間層の下に配置された該第１の耐摩耗性層と直接接触している第１遷移領域、及び該中間層の上に配置された該第２の耐摩耗性層と直接接触している第２遷移領域を有し、
   該方法が、該第１遷移領域における該第１の耐摩耗性層の材料の濃度が該金属表面から増加する距離の関数として減少し、該第２遷移領域における該第２の耐摩耗性層の材料の濃度が該金属表面から増加する距離の関数として増加するように、組成を調節しながら該中間層を適用していく工程を含み、該中間層があらゆる点で少なくとも５重量％の該耐摩耗性層の材料を有することを特徴とする上記方法。
2. 中間層においての耐摩耗性層の材料の含有量が傾斜関数（ｒａｍｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）にしたがって減少されるか又は増大されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 中間層においての耐摩耗性層の材料の含有量が少なくとも３０重量％に減少されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 中間層においての耐摩耗性層の材料の含有量が少なくとも５０重量％に減少されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. 中間層の第１遷移領域の適用が１００重量％から減少していく耐摩耗性層の材料の含有量で行われ、そして第２遷移領域の適用が１００重量％の含有量にまで増大していく耐摩耗性層の材料の含有量で行われることを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の方法。
6. 第１遷移領域がその下に配置されている耐摩耗性層に直接に接しており、そして第２遷移領域がその上に配置されている耐摩耗性層に直接に合体していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 第１遷移領域が第２遷移領域に直接に接していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 層がＣＶＤ法により適用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. ダイヤモンド様炭素材料（ＤＬＣ）が耐摩耗性層のための材料として選ばれることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 耐摩耗性材料が中間層中に含有される追加材料として選ばれることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記耐摩耗性材料がＣｒＮである、請求項１０に記載の方法。
12. 少なくとも２つの耐摩耗性層（５）、及び各々２つの耐摩耗性層（５）間に配置されている中間層（１０）から構成される、金属表面のための多層コーティングであって、
    中間層（１０）が耐摩耗性層（５）の材料及び該耐摩耗性層の材料と比較してより柔らかい追加の材料を含有する材料組成物から構成され、該中間層の下に配置された該第１の耐摩耗性層と直接接触している第１遷移領域（ａ）、及び該中間層の上に配置された該第２の耐摩耗性層と直接接触している第２遷移領域（ｂ）を有し、
    該第１遷移領域（ａ）における該第１の耐摩耗性層（５）の材料の濃度が該金属表面から増加する距離の関数として減少し、該第２遷移領域（ｂ）における該第２の耐摩耗性層（５）の材料の濃度が該金属表面から増加する距離の関数として増加し、
    中間層（１０）においての耐摩耗性層（５）の材料の含有量があらゆる点で少なくとも５重量％であるように選ばれることを特徴とする、上記多層コーティング。
13. 中間層（１０）においての耐摩耗性層（５）の材料の含有量が傾斜関数に従って減少していくか又は増大していくことを特徴とする、請求項１２に記載のコーティング。
14. 中間層（１０）においての耐摩耗性層（５）の材料の含有量が少なくとも３０重量％に減少することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のコーティング。
15. 中間層（１０）においての耐摩耗性層（５）の材料の含有量が少なくとも５０重量％に減少することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のコーティング。
16. 中間層（１０）の第１遷移領域（ａ）が１００重量％から減少していく耐摩耗性層（５）の材料の含有量で適用され、そして第２遷移領域（ｂ）が１００重量％の含有量にまで増大していく耐摩耗性層（５）の材料の含有量で適用されることを特徴とする、請求項１２、１３、１４又は１５に記載のコーティング。
17. 第１遷移領域（ａ）がその下に配置されている耐摩耗性層（５）に直接に接しており、そして第２遷移領域（ｂ）がその上に配置されている耐摩耗性層に直接に合体していることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のコーティング。
18. 第２遷移領域（ｂ）が第１遷移領域（ａ）に直接に接していることを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載のコーティング。
19. ダイヤモンド様炭素材料（ＤＬＣ）が耐摩耗性層（５）の材料として選ばれることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載のコーティング。
20. 耐摩耗性材料が中間層（１０）中に含有される追加材料として選ばれることを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載のコーティング。
21. 前記耐摩耗性材料がＣｒＮである、請求項２０に記載のコーティング。
22. 追加材料の層（３）が、幾つかの耐摩耗性層（５）の下方に配置されていることを特徴とする、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載のコーティング。
23. 増大していく含有量の耐摩耗性層（５）の材料を有し、それに応じて減少していく含有量の追加材料を有する遷移層（４）が、追加材料の層（３）と、幾つかの耐摩耗性層（５）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１３〜２２のいずれか１項に記載のコーティング。
24. 追加材料の層（３）が、介在する接着剤層（２）を介して、コーティングされるべき表面（１）上に適用されることを特徴とする、請求項１３〜２３のいずれか１項に記載のコーティング。
25. 前記介在する接着剤層（２）がＣｒであることを特徴とする、請求項２４に記載のコーティング。

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