JP6741690B2 - 窒化モリブデン系コーティングを用いることによる摩耗および/または摩擦低減 - Google Patents

窒化モリブデン系コーティングを用いることによる摩耗および/または摩擦低減 Download PDF

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Description

本発明は、構成要素の表面上の摩耗の低減または摩擦の低減を達成するためのコーティングに関する。このような構成要素は、たとえば自動車部門または精密構成要素(すなわち、高度に工学的な構成要素)部門において用いられ得る。この観点では、構成要素は、たとえばピストンピン、カムフォロワーまたはピストンリングまたはノズル針であり得る。
モリブデンコーティングまたはモリブデンを含むコーティングの使用がよく知られる。構成要素の表面上の摩耗低減コーティングとしての窒化モリブデンの使用が特によく知られる。
しかしながら、構成要素の基板表面と窒化モリブデンコーティングとの間の接触面の作用は、そのようにコーティングされた構成要素の利用の間、現在の工業的な要求を満たすためには今日でも不満足および不十分である。
これは、コーティングされるべき基板材料が十分に硬くないとき、特に観察される。この文脈において、基板材料は、たとえば50〜65HRCの間、いかなる場合でも65HRC未満の硬度を有することを意味する。
図1は、ロックウェル押し込み(Rockwell indentation1)HRC後のコーティングされた表面の画像を示す。基板の硬度は、50〜65HRCの間であり、基板はMoNでコーティングされる。MoNコーティングのリング形状の破断が、HRCロックウェル押し込みの周囲にはっきりと観察され得る。
観察されたリング形状の破断は、MoNコーティングの硬度およびヤング率と基板材料の硬度およびヤング率との間の大きな差異の結果として生み出された可能性がある。実際に窒化モリブデンコーティングの硬度およびヤング率は基板と比較して非常に高いため、結果として基板が押し込み負荷の印加の間に大きく変形し、一方でMoNコーティングはより小さく変形し、したがってMoNコーティングが割れた可能性があると考えられる。
この理由のために、これは変化可能な負荷(中断された負荷)が構成要素のコーティングされた基板上に印加されたとき、特に大きな問題になり得る。
本質的には、この問題は、たとえば超硬合金からなる基板などの、より高い硬度を有する基板を用いることによって回避され得る。しかしながら、多くの自動車用途で用いられる構成要素は、65HRC未満のロックウェル硬度を有する材料からなる。
本発明の目的は、窒化モリブデンコーティングおよび/またはコーティングされるべき基板表面を修正することであり、基板が65HRCまたはそれ以下の硬度を示し、コーティングされた基板が負荷または特に中断された負荷を受けるときの、基板表面とMoNコーティングとの間の接触を改善する。
特に、本発明の解決策は、基板硬度が65HRC未満またはそれと等しいときに、MoN系コーティングでコーティングされた基板におけるHRCロックウェルテストの実行によって、リング形状の破断線がロックウェル押し込みの間に生み出されないことを可能にすることが意図される。
本発明の目的は、基板表面と請求項1に従う少なくとも1つのMoN層を備えるコーティングとの間に、層または層系を有する構成要素を提供することによって、達成される。
発明者らは、驚くべきことに、MoNコーティングでコーティングされるべき基板に窒化プロセスを受けさせることによって、リング形状の破断線を回避することが可能であることを発見した。基板表面硬度は、MoNコーティングを堆積する前に増加される。その後、MoNコーティングが、上記に述べたような窒化によって予め硬化された構成要素表面上に施される。
本発明の文脈におけるMoNコーティングは、反応性PVDプロセスを用いることによって堆積された。
特に、反応性アークPVDプロセスは、上記で示唆されたように硬化される構成要素表面上のMoNコーティングを堆積するために好適であるように実施される。
基板の窒化プロセスおよびコーティングプロセスは、コーティング機の同様の真空室においてなされ得ることは、用いられた方法の特別な利点である。
この方法では、窒化層と、白層の形成のないコーティングとの間の良好な接着が保障された。
MoNコーティングは、六方晶相または立方晶相または六方晶相と立方晶相との混合物を示して堆積され得る。
図2は、標準的なHRCロックウェルテストに従ってその後テストされた上記に述べられた発明の解決策に従ってコーティングされた表面の画像を示す。この画像では、ロックウェル押し込みの周囲のリング形状の破断線が観察され得ないことがはっきり分かるはずである。
発明者らは、驚くべきことに、修正されたMoNコーティングで構成要素の基板表面をコーティングさせることによって、リング形状の破断線を回避することが可能であることも発見した。この場合、コーティングされるべき構成要素表面を予め修正する必要はなかった。これは、先行する窒化ステップは必要とされないことを意味する。
具体的には、発明者らは、多層構造のMoN/CrNコーティングを施すことを提案する。多層構造のMoN/CrNコーティングは、交互に堆積されたMoNの個別の層およびCrNの個別の層を備える。特に良好な結果、すなわち、リング形状の破断線またはさらなる接着不良のないロックウェル押し込みが、多層コーティングの厚さが約4〜5μmであったとき、この第2の発明の解決策を用いることによって特に観察された。
この場合、MoN層はまた、六方晶相または立方晶相または六角形と立方晶相との混合物を示して堆積され得る。
上記に述べられたように、この第2の発明の解決策を用いて、約4〜5μmの多層構造のMoN/CrNコーティングの厚さが、HRCロックウェルテスト後の画像を得るために要求された。HRCロックウェルテスト後の画像は、リング形状の破断線を示さず、さらなる接着不良の兆候も示さなかった。しかしながら、このような種類のMoN/CrN多層コーティングであるが4μm未満の厚さを有するものが、特定の用途のために好適であり得る。なぜなら、実際の用途における負荷は、おそらくHRCロックウェルテストにおける負荷ほど高くはないためである。この場合、たとえば2μmの厚さは、実際の自動車用途において用いられる構成要素上に施されるMoN/CrN多層コーティングのために十分であり得る。
MoNおよびCrNの個別の層は、たとえば反応性PVDプロセスを用いることによって堆積され得る。第2の本発明の解決策の好ましい実施形態に従えば、反応性アークPVDプロセスは、多層コーティングのMoNおよびCrNの個別の層を堆積するために用いられる。
説明されたように、第1の発明の解決策では、MoNコーティングでコーティングされるべき構成要素表面は、予め窒化されなければならず、標準的な窒化プロセスは450℃以上の温度で実行されるため、このような温度に耐えることができる材料からなる構成要素のみがこの方法で処理されることができる。
この観点では、第2の発明の解決策(MoN/CrN多層コーティングを用いること)は、コーティングプロセスが450℃未満の温度、たとえば200℃の温度で実施されることができるという利点を含む。既に述べられたように、窒化ステップは必要でないため、温度に敏感な材料からなる構成要素は、たとえばピストンピンのように、処理されることができる。
いくつかの場合において、本発明の文脈におけるさらなる改良された接触が、CrNからなる接着層を設けることによって達成されたことが観察された。この接着層は、たとえば、第1の発明の解決策に従うMoNコーティングを堆積する前、または第2の発明の解決策に従う修正されたMoNコーティングを堆積する前に、それぞれ堆積された。CrN接着層は、好ましくは、少なくとも30nmの層厚さを有して設けられる。CrN接着層の厚さは、好ましくは0.05μm〜1μmの間である。
特に、ピストンピン、カムフォロワー、ピストンリングおよびノズル針のタイプの構成要素は、本発明に関する実験の文脈における、第1の発明の解決策および第2の発明の解決策で処理された。
第1の発明の解決策に従って処理されたカムフォロワーが窒化ステップ後にダメージを示さなかったことは、特に非常に驚くべきことであった。しかしながら、本発明に従って処理され得る構成要素は、この記載に限定されない。
さらに、本発明に従って(第1の発明の解決策および第2の発明の解決策に従って)処理される構成要素の表面は、特に耐摩耗性の増加に関して、非常に優れた摩擦学的性質を示す。
実施例:異なる自動構成要素および精密構成要素は、本発明に従って処理され、耐摩耗性の増加に関する素晴らしい改善が達成された。
以下、本発明はカムフォロワーの実施例を用いてより詳細に説明される。いくつかのカムフォロワーは従来技術に従って処理され、他のものは本発明のいくつかの好ましい実施形態に従って処理された。その後、全ての処理されたカムフォロワーが、異なる分析およびテストを受けた。
鋼鉄表面を有するテスト片である、コーティング前に硬度64HRCを有する1.2842 19MnCrV8からなる適格な参照サンプル(qualified reference sample)(以下、QRSと呼ばれる)および少なくとも1つのカムフォロワーが、以下の処理を受けた。
処理A(従来技術):テストされるべきQRSおよびカムフォロワーの表面が、QRS上に約2.5μmの厚さを有するMoN層でコーティングされ、カムフォロワー上に4.5μmの厚さを有するMoN層でコーティングされた。MoN層とカムフォロワーの表面との間に、約50nmの厚さを有する薄いCrN層が接着層として堆積された。MoN層は、反応性アークPVD技術を用いることによって堆積された。MoN層の堆積によって、Moターゲットは反応性ガスとして窒素を含む真空雰囲気でアーク蒸着された。窒素の分圧は3Paで維持され、基板温度(すなわち、処理されているカムフォロワーの表面の温度)は約200℃であった。MoN層は、基本的に窒化モリブデンの六方晶相のみを備えて形成された。
処理B(発明):テストされるべきQRSおよびカムフォロワーの表面は、処理Aで説明されたものと同様のコーティングでコーティングされたが、カムフォロワー表面は、予め窒素を含む真空室で実施されたプラズマ窒化プロセスからなる硬化ステップを受けた。基板温度(処理を受けている表面において測定された構成要素の温度)は、約480℃であった。この方法では、約50μmの厚さを有する、硬化された窒素を含む表面層が形成された。その後、MoN層が反応性アークPVD技術を用いることによって堆積された。MoN層の堆積によって、Moターゲットは反応性ガスとして窒素を含む真空雰囲気でアーク蒸着された。窒素の分圧は3Paで維持され、基板温度(すなわち、処理されているカムフォロワーの表面の温度)は、約480℃であった。MoN層は、窒化モリブデンの六方晶相と少なくとも1つの立方晶相との混合物を備えて形成された。いくつかの実験のために、約50nmの厚さを有する薄いCrN層が、接着層として、MoN層と硬化された窒素を含む表面層との間に堆積された。
処理C(発明):テストされるべきQRSおよびカムフォロワーの表面は処理Bで説明されたものと同様に処理されたが、硬化ステップの後に、コーティングされるべき基板が約200℃の温度に達するまで、コーティング室は冷却された。その後、MoN層が、3Paの窒素分圧だが約200℃の基板温度を用いることによって堆積された。この方法では、MoN層は、基本的に窒化モリブデンの六方晶相のみを備えて形成された。硬化された窒素を含む表面層の厚さは約50μmであった。MoN層の厚さは、QRS上で約2.5μm、カムフォロワー上で4.5μmであった。いくつかの実験のために、約50nmの厚さを有する薄いCrN層が、接着層として、MoN層と硬化された窒素を含む表面層との間に堆積された。
処理D(発明):テストされるべきQRSおよびカムフォロワーの表面は、QRSおよびカムフォロワーの両方の上に約4μmの厚さを有する多層MoN/CrNコーティング膜でコーティングされた。多層MoN/CrNコーティング膜は、反応性アークPVD技術を用いることによって堆積された。多層MoN/CrNコーティング膜の堆積によって、1つのMoターゲットおよび1つのCrターゲットが、反応性ガスとして窒素を含む真空雰囲気でアーク蒸着された。窒素の分圧は3Paで維持され、基板温度は約200℃であった。MoNの個別の層およびCrNの個別の層は、図3に示されるように互いに交互に堆積された。いくつかの実験のために、約50nmの厚さを有する薄いCrN層が、接着層として多層MoN/CrNコーティング膜とコーティングされるべき表面との間に堆積された。この場合では、QRSおよびカムフォロワー表面は、処理Bおよび処理Cにおいて説明されたような硬化ステップを受けることによって修正されなかった。
図3は、本発明に従うカムフォロワー上に堆積される多層MoN/CrNコーティング膜の一部に対応する断面図の画像を示す。
多層およびMoNの個別の層の堆積の間、Moターゲットのみがアーク蒸着され、同様にCrNの個別の層の堆積の間、Crターゲットのみがアーク蒸着された。MoNの個別の層とCrNの個別の層との間には、中間層が堆積された。中間層の堆積の間、MoターゲットおよびCrNターゲットの両方が同時にアーク蒸着された。この方法では、MoCrNの中間層(すなわち、Cr、MoおよびNを含む中間層)が形成された。
この方法で堆積された多層MoN/CrNコーティング膜に含まれる個別のMoN層は、窒化モリブデンの六方晶相と少なくとも1つの立方晶相との混合物を備えた。
処理されたQRSはHRCロックウェルテストを用いることによってテストされ、カムフォロワーは200時間までの間、異なる回転速度でエンジンバルブテストを用いることによってテストされた。
発明者らは、従来技術に従う処理Aで処理されたカムフォロワーの全ての表面が、不連続な機械的負荷テストの後、強い摩耗を提示し、実際に全ての場合において、コーティングは2時間後に完全に除去され、カムフォロワー自体は深い摩耗溝を示したことを観察した。
これに反して、本発明に従う処理B,CおよびDで処理されたカムフォロワーの全ての表面は、驚くべきことに、実際上、エンジンテストの200時間後に摩耗は示さなかった。これらの場合において観察された最も高い摩耗は、0.35μmであった。これは、最悪の場合でも、コーティング厚さ全体からわずか0.35μmが除去されたことを意味する。
QRSの処理された表面は、上記に述べられたようなHRCロックウェルテストを用いることによってテストされた。従来技術に従う処理Aで処理されたQRSの全ての表面は、HRCロックウェルテスト後、リング形状の破断を提示した。これに反して、本発明に従う処理B、CおよびDで処理されたQRSの全ての表面は、驚くべきことに、HRCロックウェルテスト後、リング形状の破断は提示しなかった。
具体的に、本発明は以下に関する。
−40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層を備えるコーティングでコーティングされる基板表面を備える構成要素であって、基板表面と少なくとも1つのMoN層との間に、基板表面の硬化層が備えられ、基板表面の硬化層は硬化された窒素を含む基板表面層であり、基板表面層は基板表面で実施される窒化処理の結果であり、10μm以上、好ましくは20μm以上150μm以下の厚さを有する。
または、
−40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層を含むコーティングでコーティングされる基板表面を備える構成要素であって、基板表面と少なくとも1つのMoN層との間に、
基板表面の硬化層が備えられ、基板表面の硬化層は硬化された窒素を含む基板表面層であり、基板表面層は基板表面で実施される窒化処理の結果であり、10μm以上、好ましくは20μm以上150μm以下の厚さを有し、
および
2以上のMoN層および2以上のCrN層からなる層系が備えられ、層系を形成するMoN層およびCrN層は、互いに交互に堆積されて多層MoN/CrNコーティング膜を形成する個別の層である。
または
−40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層を含むコーティングでコーティングされる基板表面を備える構成要素であって、基板表面と少なくとも1つのMoN層との間に、2以上のMoN層および2以上のCrN層からなる層系が備えられ、層系を形成するMoN層およびCrN層は、互いに交互に堆積されて多層MoN/CrNコーティング膜を形成する個別の層である。
本発明の好ましい実施形態に従えば、多層MoN/CrNコーティング層が基板表面と少なくとも1つのMoN層との間に備えられない場合、前記少なくとも1つのMoN層は、500nm以上の厚さを有する。この場合、少なくとも1つのMoN層は、少なくとも大部分で六方晶相δ−MoNを含む、または六方晶相δ−MoNのみを含む窒化モリブデンからなるように堆積され得る。しかしながら、構成要素の使用のために有利である場合、このような場合において、窒化モリブデンからなる少なくとも1つのMoN層を堆積することも可能になる。ここでは、相の混合物を含み、混合物は、
−六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo2N、または
−六方晶相δ−MoNおよび過飽和立方晶相ζ−MoN、または
−六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo2Nおよび過飽和立方晶相ζ−MoN
を含む。
好ましくは、前記少なくとも1つのMoN層の全体の厚さは、1μm以上15μm以下、より好ましくは1.5μm以上10μm以下である。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、硬化された窒素を含む基板表面層が基板表面と少なくとも1つのMoN層との間に備えられない場合、前記多層MoN/CrNコーティング膜は460nm以上の厚さを有する。この場合、上記に述べられた、40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層は、2つの多層MoN/CrNコーティング膜間に備えられ得る。ここでは、それぞれの多層MoN/CrNコーティング膜は、好ましくは、460nm以上の厚さの膜を有する。
好ましくは、多層MoN/CrNコーティング膜および前記少なくとも1つのMoN層の両方の厚さの合計は、1μm以上15μm以下、好ましくは1.5μm以上10μ以下である。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、少なくとも、1つの個別のMoN層と1つの個別のCrN層との間に、Mo、CおよびNを含む個別の中間層が備えられる。
本発明のさらに好ましい実施形態に従えば、個別の中間層は、10nm以上、かつ、前記個別の中間層の隣にある個別のCrN層の厚さまたは個別のMoN層の厚さ以下の厚さを有する。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、個別のMoN層の少なくとも大部分は、40nm以上、好ましくは500nm以下の厚さを有する。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、個別のCrN層の少なくとも大部分は、20nm以上、かつ好ましくは500nm以下の厚さを有する。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、前記多層MoN/CrNコーティング膜の全体の厚さは、1μm以上15μm以下、好ましくは1.5μm以上10μm以下である。
本発明のさらなる好ましい実施形態に従えば、個別のMoN層は、相の混合物を含む窒化モリブデンからなり、混合物は、
−六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo2N、または
−六方晶相δ−MoNおよび過飽和立方晶相ζ−MoN、または
−六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo2Nおよび過飽和立方晶相ζ−MoN
を含む。
本発明に従う処理は、構成要素が自動車用途または精密構成要素であるとき、さらに特に構成要素の基板表面が65HRC以下の硬度を有する場合、特に有利である。
本発明の実施形態のうち少なくとも1つに従う構成要素を製造するための好ましい方法は、反応性PVDプロセスによる、前記少なくとも1つのMoN層の堆積または個別のMoN層のうちの少なくとも1つの堆積を含む。
好ましくは、本方法は、反応性PVDプロセスとして反応性アークPVDプロセスの使用を含む。MoN層またはMoNの個別の層の堆積の間、Moの少なくとも1つのターゲットはカソードとして作動され、この方法では反応性ガスとして窒素を含む雰囲気でアークPVD技術を用いることによって蒸着される。

Claims (13)

  1. 40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層を備えるコーティングでコーティングされる基板表面を備える構成要素であって、
    前記基板表面と前記少なくとも1つのMoN層との間に、
    i)基板表面の硬化層が備えられ、前記基板表面の硬化層は硬化された窒素を含む基板表面層であり、前記基板表面層は前記基板表面で実施される窒化処理の結果であり、10μm以上、好ましくは20μm以上150μm以下の厚さを有し、
    および/または
    ii)2以上のMoN層および2以上のCrN層からなる層系が備えられ、前記層系を形成する前記MoN層および前記CrN層は、互いに交互に堆積されて多層MoN/CrNコーティング膜を形成する個別の層であり、
    前記少なくとも1つのMoN層は、相の混合物を含む窒化モリブデンからなり、前記混合物は、
    −六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo 2 N、または
    −六方晶相δ−MoNおよび過飽和立方晶相ζ−MoN、または
    −六方晶相δ−MoNおよび立方晶相γ−Mo 2 Nおよび過飽和立方晶相ζ−MoN
    を含む、構成要素。
  2. 多層MoN/CrNコーティング膜が前記基板表面と前記少なくとも1つのMoN層との間に備えられず、前記少なくとも1つのMoN層は500nm以上の厚さを有する、請求項1に記載の構成要素。
  3. 硬化された窒素を含む基板表面が前記基板表面と前記少なくとも1つのMoN層との間に備えられず、前記多層MoN/CrNコーティング膜は460nm以上の厚さを有する、請求項1に記載の構成要素。
  4. 少なくとも、1つの個別のMoN層と1つの個別のCrN層との間に、Mo、CrおよびNを含む個別の中間層が備えられる、請求項3に記載の構成要素。
  5. 前記個別の中間層は、10nm以上、かつ、前記個別の中間層の隣にある前記個別のCrN層の厚さまたは前記個別のMoN層の厚さ以下の厚さを有する、請求項4に記載の構成要素。
  6. 前記個別のMoN層の少なくとも大部分は、40nm以上、好ましくは500nm以下の個別の層の厚さを有する、請求項5に記載の構成要素。
  7. 前記個別のCrN層の少なくとも大部分は、20nm以上、好ましくは500nm以下の個別の層の厚さを有する、請求項5または6に記載の構成要素。
  8. 40nm以上の厚さを有する少なくとも1つのMoN層の表面上に、第2の多層MoN/CrNコーティング層が堆積され、好ましくは多層MoN/CrNコーティング膜および前記少なくとも1つのMoN層の両方の厚さの合計が、1μm以上15μm以下、好ましくは1.5μm以上10μm以下である、先行する請求項3〜7の少なくとも1つに記載の構成要素。
  9. 前記少なくとも1つのMoN層の厚さは、1μm以上15μm以下、好ましくは1.5μm以上10μm以下である、請求項2に記載の構成要素。
  10. 前記少なくとも1つのMoN層は、少なくとも大部分で六方晶相δ−MoNを含む、または六方晶相δ−MoNのみを含む窒化モリブデンからなる、請求項2または9に記載の構成要素。
  11. 前記構成要素は自転車構成要素または精密構成要素であり、前記構成要素の前記基板表面は好ましくは65HRC以下の硬度を有する、先行する請求項1〜10の少なくとも1つに記載の構成要素。
  12. 前記少なくとも1つのMoN層または前記個別のMoN層の少なくとも1つは、反応性PVDプロセスによって堆積される、先行する請求項1〜11の少なくとも1つに記載の構成要素を製造する方法。
  13. 前記反応性PVDプロセスは、反応性アークPVDプロセスであり、前記MoN層または前記MoNの個別の層の堆積の間に、Moの少なくとも1つのターゲットがカソードとして作動され、この方法では反応性ガスとして窒素を含む雰囲気でアークPVD技術を用いることによって蒸着されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109399582B (zh) * 2019-01-02 2022-05-31 吉林化工学院 块体材料氮化钼的高温高压制备
CN109988994B (zh) * 2019-05-21 2024-01-30 仪征亚新科双环活塞环有限公司 一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环
US11286558B2 (en) 2019-08-23 2022-03-29 Asm Ip Holding B.V. Methods for depositing a molybdenum nitride film on a surface of a substrate by a cyclical deposition process and related semiconductor device structures including a molybdenum nitride film
EP4031690A1 (de) 2019-09-19 2022-07-27 Oerlikon Surface Solutions AG, Pfäffikon Substrat mit einem molydännitrid schichtsystem, sowie beschichtungsverfahren zur herstellung eines schichtsystems
WO2022112605A1 (en) 2020-11-30 2022-06-02 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Molybdenum nitride based multilayer coating for wear and friction reduction

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2664852A (en) * 1950-04-27 1954-01-05 Nat Res Corp Vapor coating apparatus
JPH02118064A (ja) * 1988-10-27 1990-05-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 真空蒸着装置
US5492724A (en) * 1994-02-22 1996-02-20 Osram Sylvania Inc. Method for the controlled delivery of vaporized chemical precursor to an LPCVD reactor
DE102004028487B4 (de) 2004-06-11 2018-11-15 Mahle Gmbh Verfahren zur Herstellung verschleissfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren
DE102006046917C5 (de) * 2006-10-04 2014-03-20 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen
WO2009099776A1 (en) * 2008-01-31 2009-08-13 Applied Materials, Inc. Closed loop mocvd deposition control
US8926722B2 (en) * 2010-02-04 2015-01-06 Oerlikon Trading Ag, Truebbach Cutting tools with Al—Cr—B—N/Ti—Al—N multilayer coatings
JP5668262B2 (ja) * 2011-02-01 2015-02-12 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具
CN102588175A (zh) * 2012-01-19 2012-07-18 浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司 一种新型喷油泵控制阀套及其表面处理方法
CN104395495B (zh) * 2012-03-30 2016-08-24 塔塔钢铁荷兰科技有限责任公司 用于将液态金属供给到蒸发器装置的方法和设备
DE102012207814A1 (de) 2012-05-10 2013-11-14 Mahle International Gmbh Bauelement, insbesondere ein Gleitelement
DE102012020757A1 (de) 2012-10-23 2014-05-08 Mahle International Gmbh Bauteil mit einer Beschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung
CN103741101B (zh) * 2014-01-19 2016-01-13 宜昌后皇真空科技有限公司 一种MoN/CrN纳米复合涂层及其沉积方法
CN104388899A (zh) * 2014-12-10 2015-03-04 武汉大学 一种具有MoN/Cr/CrN/Cr纳米复合超厚涂层的活塞环及其制备方法

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