JP6138174B2 - 摺動特性が向上した被膜 - Google Patents
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Description
自動車業界における現在の開発は大抵、車両のより高い燃料効率に対する市場の需要と、たとえば欧州共同体の条令第715/2007号といった車両の排出を規制する立法案とによって推進されている。新しい技術的アプローチは、より高いエンジン効率の達成だけでなく、パワートレインシステム全体のより良好な効率も提供する。これらの新技術は、将来の世代のための、特に要求されているC02削減を達成するための新しい概念の車両で使用されることになっている。
この発明の目的は、従来技術と比較すると、乾燥条件および潤滑条件の双方の下で摩擦および摩耗挙動に関してより良好な摺動性能を可能にする、摺動部品用の1つ以上の被膜システムを提供することである。
この発明は、乾燥条件下および潤滑条件下での用途についての摺動部品用の被膜システムを提供する。
− Meは、1−b、または該当する場合、1−b−cという原子パーセントでの濃度を有する1つの金属、または異なる金属の組合せであり、
− Oは、bという原子パーセントでの濃度を有する酸素であり、
− 該当する場合、Xは、cという原子パーセントでの濃度を有する、Oとは異なる非金属元素、またはOを含有していない非金属元素の混合物である。
− たとえば金属イオンエッチングによって基板表面上または基板表面内に形成された金属層または極薄金属層といった、被膜付着性を高めるための接着強度層3、および/または
− たとえば窒化クロム層または窒化モリブデン層といった、金属窒化物含有層5、および/または
− 元素組成Me1−bObまたはMe1−b−cXcObを有する酸化物含有層6。
被膜堆積および特徴付け方法
被膜の堆積を、OCエリコンバルザース(Oerlikon Balzers)AGのINNOVA生産システムで行なった。堆積前に、基板(硬化鋼の研磨された円板および研磨された炭化タングステン挿入物)を湿式化学洗浄した。プロセスチャンバを10−5mbar未満まで排気した後、基板への良好な層付着を確実にするために標準的な加熱ステップおよびエッチングステップを行なった。基本または複合金属ターゲットを、ガス流量調整器を介してチャンバに供給された適切な反応性ガスと組合せて利用した。クロムターゲットはGfEメタレ・ウント・マテリアリエン(Metalle und Materialien)GmbHによって生産され、グラファイトターゲットはスタインマン(Steinemann)AGによって生産され、Moターゲット、Al‐Moターゲット、およびMo‐Cuターゲットはプランゼー・コンポジット・マテリアルズ(PLANSEE Composite Materials)GmbHによって生産された。被膜は大抵、CrXN界面上に堆積された。この界面は、鋼への良好な付着層を形成するため、利用された。加えてCrXNは、他の合成された被膜との比較のための基準としても利用された。なぜなら、この材料について、多くの調査が過去に遂行されたためである。被膜の堆積を、他の場所に記載したものと類似した条件下で行なった。合成された層は、非常に硬いta‐C、柔らかいCrNおよびMo系被膜といった広範な材料を表わす。
被覆特性
表1は、陰極アーク堆積プロセスの最も関連性のあるパラメータ、すなわち陰極材料、利用されたプロセスガス、および堆積(基板)温度をまとめている。ta‐C合成を除き、不活性ガスが添加されない反応性ガスのみを利用した。大抵の場合、CrXN界面上に機能層を堆積させた。ta‐Cについてのみ、薄いCr界面を利用した。界面および機能層の厚さも、表1に示す。合成された被膜の組成を、RBSおよびERDによって測定した。金属組成については±3%の誤差が推測される一方、窒素含有量は、±10%の誤差でしか推測できない。EDXを利用して、層中の金属組成をダブルチェックし、RBS結果を確認した。Mo1.0N1.0(120nm)およびMo1.00N0.94O0.06(60nm)それぞれの二重層からなる多層構造について、Mo1.0Ν1−xΟx被膜用のRBSスペクトルが良好にシミュレートされ得る。複合ターゲットから生成される被膜における金属比は、利用されたターゲットの金属比を、すべての試料について反映するとは限らない。試料Cは、Al80Mo20のターゲット組成と比較すると、合成されたAl0.76Mo0.24N1.15におけるAlの目立った「損失」を示す。この表は、微小硬さ測定によって得られた被膜の機械的特性、すなわち押込係数EITおよび押込微小硬さHITも含む。
反応性陰極アーク蒸着は、複雑な薄膜材料を合成するための、用途の広いアプローチである。スパッタリング技術で必要とされるような、ターゲットの汚染を回避するための反応性ガスの精巧な制御の必要はない。加えて、複合ターゲットは、この方法によって得ることができるほぼ無制限の被膜設計を支援する。合成された材料中の金属成分の化学組成をターゲット材料と比較することは、試料F(Mo0.85Cu0.15N1.0)についてはターゲット組成を維持できたものの、試料C(Al0.76Mo0.24N1.15)についてはAlの著しい「損失」が測定されたという、双方の可能性を実証する。たった−40Vの低い基板バイアス、および窒素の独占的利用、ならびにアルゴンガスがないことにより、堆積中の基板部位からの再スパッタリングはあり得ない。
図7は、いくつかの被膜材料が対向物から被覆部品への材料移動を防止することを示している。これは、トライボロジーシステムの設計における重要な局面である。なぜなら、材料移動とは、トライボロジーシステムにおける構成要素の摩耗および減少した寿命を意味するためである。ta‐Cの他に、材料移動を防止する有利な被膜材料は、MoN系である。これに関与しているのは、摺動条件下の表面でこれらの材料について生じる固体潤滑、すなわち、ta‐Cについての黒鉛化、およびMoN系材料についての酸化である。これらの材料を硬質被膜に合体できる場合、固体潤滑は軟質材料からも実現または改良可能である。これは、MoNがCuによってドープされる場合にあてはまり、被覆部品への材料移動が防止されるだけでなく、乾燥および未研磨条件下での対向物の摩耗が減少するという効果を有する。この場合、明らかに2つの効果が、摺動条件を改良する役割を担う。第1の効果はここでも、液状化の形に基づいた、高い接触圧力下で銅によって生じる自己潤滑効果である。対向物の材料に依存して、対向物を銅で被覆すること、または部分的に被覆することが起こるであろう。加えて、別の効果がMo‐Cu‐N被膜で観察できる。これが、ターゲット材の蒸着中に液滴から生じる被膜の「谷」または穴の作成である。それはこの場合、複合ターゲットからのアーク蒸着の望ましい副産物である。これらの液滴は、(ta‐Cとは対照的に)被膜に緩く合体されているだけであり、研磨前にすでに、多くの穴を有する表面を形成している。液滴の銅含有量は、マトリックス被膜におけるCu含有量よりも多く、マトリックスにおける柔らかい液滴の機械的一体化は不十分なだけである。これは、少なくとも部分的にマトリックス被膜と液滴との硬さの差異によるものであり、また、Mr2に対する研磨のわずかな影響によって反映される。それは、すでに研磨前に、固体および/または液体の性質の潤滑剤のための貯蔵槽を有するマトリックス被膜が生成されたことを示す。これは、被覆された表面にとって重要な設計ツールであり、液体潤滑にとってかなり明らかである。しかしながら、それは、通常の潤滑剤がそれらの高い蒸気圧または不十分な化学的安定性に起因して好適ではない高温用途で利用される表面を設計するための本質的なツールになる。それらの用途のために、「谷」が固体潤滑剤被膜(Mo‐Cu‐N)に形成されてもよい。
Claims (4)
- 潤滑条件下で別の構成要素に対する相対運動にさらされる摺動面を有する摺動構成要素(10)であって、摺動構成要素(10)の摺動面は、最外層(7)を含む被膜システム(1)で少なくとも部分的に被覆されており、
最外層(7)は、高温で良好な機械的安定性を有し、かつ少なくとも大部分が金属酸化物を含む酸化物含有層であり、該層(7)は式Me1−b−cXcObによって定義される元素組成を有し、bはcの少なくとも2倍であり、およびc>0またはc=0であり、式中、 Meは、Moとは異なる金属、またはMoを含まない異なる金属の組合せであり、Meは1−b−cという原子パーセントでの濃度を有し、
Oは、bという原子パーセントでの濃度を有する酸素であり、
Xは、cという原子パーセントでの濃度を有する窒素および/または炭素であり、もしくは窒素および/または炭素を含みOを含有していない非金属元素の混合物であり、
Meは、ZrまたはAl−Crのいずれかであり、
被膜システム(1)は、被膜付着性を高めるための少なくとも1つの接着強度層(3)、および、窒化モリブデンからなる少なくとも1つの金属窒化物含有層(5)、および、最外層(7)の下に配置された少なくとも1つの追加の酸化物含有層(6)を含み、追加の酸化物含有層(6)は最外層(7)とは異なっていることを特徴とする、摺動構成要素(10)。 - 最外層(7)の表面は、直径が数マイクロメートル以下の本質的に円形のくぼみを複数含み、くぼみは表面にわたってランダムに分布していることを特徴とする、請求項1に記載の摺動構成要素(10)。
- 最外層(7)の表面は研磨面であることを特徴とする、請求項1または2に記載の摺動構成要素(10)。
- 酸化物含有層(7)は、層内に埋込まれた液滴を含むアークPVD堆積層であり、酸化ジルコン、アルミニウムクロム酸化炭素、またはアルミニウム酸化クロムからなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の摺動構成要素(10)。
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