WO2019110039A1 - Layer system, component and method for layering - Google Patents

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WO2019110039A1
WO2019110039A1 PCT/DE2018/100926 DE2018100926W WO2019110039A1 WO 2019110039 A1 WO2019110039 A1 WO 2019110039A1 DE 2018100926 W DE2018100926 W DE 2018100926W WO 2019110039 A1 WO2019110039 A1 WO 2019110039A1
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WO
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layer
nanocomposite
wear protection
phase
layer system
Prior art date
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PCT/DE2018/100926
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French (fr)
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Ladislaus Dobrenizki
Yashar Musayev
Valery Mitin
Pāvels NAZAROVS
Ricardo Henrique Brugnara
Ralf Winter
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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Publication date
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16G13/02Driving-chains
    • F16G13/06Driving-chains with links connected by parallel driving-pins with or without rollers so called open links

Definitions

  • the invention relates to a layer system comprising at least one
  • Another object of the invention relates to a component having a metallic substrate and the at least partially disposed on a surface of the substrate layer system.
  • Layer system has a wear protection layer, which is formed as a nitridic or non-nitride hard material layer and directly on the
  • Wear protection layer is provided to reduce the friction, a sliding layer, made of a soft metal, M0S2, WS2 or from a
  • Polymer layer is formed. With such a layer system, the wear of the elements of the link chain can be reduced. However, it is desirable to further improve wear protection for highly stressed components.
  • US 5,108,813 A describes a sliding element with a ceramic or metallic substrate and a diamond film on the surface of the substrate, wherein the diamond film is patterned and the recesses are filled with a soft metal.
  • Wear protection coating at least partly nanocrystalline structure.
  • nano-sized hard material particles are dispersed in a matrix.
  • a metal matrix of copper and / or tungsten and / or zinc and / or tin is described, in which nanocrystals of zirconium nitride and / or
  • EP 3 053 968 B1 discloses a nanocomposite coating of solid lubricant, wherein layer layers of a carbon matrix with
  • Copper grains with other intermediate layers of metal here in the form of titanium, zirconium, hafnium or vanadium, alternate.
  • the task arises to improve the tribological behavior, in particular the wear protection.
  • a layer system comprising at least one
  • Wear protection layer and disposed on the wear protection layer cover layer in the form of a solid lubricant layer, wherein the
  • Wear protection layer is a nitridic hard material layer, wherein the cover layer is formed as a nanocomposite layer, wherein the nanocomposite layer is a multi-phase solid state layer in which at least one phase, called
  • Nanophase is structured so that they in at least one dimension a
  • Wear protection layer and the nanocomposite layer by means of a physical vapor deposition (PVD) process are formed.
  • PVD physical vapor deposition
  • the layer system according to the invention a reduced compared to the prior art wear of friction partners can be achieved, the friction between the friction partners is not increased.
  • the cover layer of copper-carbon nanocomposite reduces the friction.
  • the anti-wear layer in the form of the nitridic hard material layer, which is arranged underneath the nanocomposite layer, provides protection against abrasive wear.
  • a nanocomposite layer is understood to mean a multiphase solid state layer in which at least one phase is structured such that it has a dimension smaller than 100 nm in at least one dimension, in particular in the range from 10 nm to 99 nm, for example in the region of 10 nm to 70 nm.
  • this nanophase is structured such that in each dimension it has a dimension smaller than 100 nm, in particular in the range of 10 nm to 99 nm, for example in the range of 10 nm to 70 nm.
  • the nanocomposite layer according to the invention has at least two phases, wherein a first phase is copper and a second phase is carbon. The phases are formed in particular by copper particles or carbon particles.
  • the nanocomposite layer preferably has a content of copper and carbon which, in total, is greater than 70 atomic%, preferably greater than 80 atomic%, particularly preferably greater than 90 atomic%.
  • the wear protection layer is formed as a nitridic hard material layer, in particular as a stoichiometric chromium nitride layer or a non-stoichiometric chromium nitride layer (CrN or Cr2N) or a combination thereof.
  • the wear protection layer may be formed as a chromium nitride-based layer.
  • the wear protection layer has a nitrogen content which is less than or equal to 60 atomic%, preferably less than 60 atomic%.
  • the wear protection layer preferably has a layer thickness in the range from 2.0 ⁇ m to 5.0 ⁇ m.
  • the wear protection layer preferably directly adjoins the as
  • Nanocomposite layer formed on top layer This means that no further layers between the wear protection layer and the
  • Nanocomposite layer are present.
  • Copper particles as the first phase and nanophase has.
  • the carbon matrix can be present, for example, as a graphite matrix in which the copper particles are incorporated.
  • the nanocomposite layer has a copper matrix as the first phase and carbon particles embedded in the copper matrix as the second phase and nanophase.
  • the Carbon particles may exist as graphite particles embedded in the copper matrix.
  • the copper particles or the carbon particles have a particle size in the range of less than 100 nm, preferably in the range of 10 nm to 99 nm,
  • the nanocomposite layer has oxygen, wherein the content of oxygen is less than 30 atomic%, preferably less than 20 atomic%.
  • the nanocomposite layer may comprise nitrogen, wherein the content of nitrogen in the nanocomposite layer is less than 10 atom%, preferably less than 5 atom%.
  • a content of metals other than copper in the nanocomposite layer is less than 0.01 atom%, preferably less than 0.001%, more preferably the nanocomposite layer is free of metals other than copper.
  • the nanocomposite layer has one or more intermediate layers which are formed from a metal other than copper.
  • the other metal is titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), molybdenum (Mo), aluminum (Al), chromium (Cr), tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta) or Vanadium (V).
  • Layer thickness in the range of 1, 0 pm to 10.0 pm, preferably in the range of 0.5 pm to 2.5 pm.
  • the layer system preferably has a layer thickness in the range from 0.6 ⁇ m to 21.0 ⁇ m, preferably in the range from 2.5 ⁇ m to 8.5 ⁇ m, particularly preferably in the range from 3.0 ⁇ m to 5.0 ⁇ m.
  • the wear protection layer has a Vickers hardness in the range from 1000 to 4000 HV and the nanocomposite layer has a Vickers hardness of less have 1500 HV. As a result, high wear protection of the friction partners can be achieved.
  • the layer system further comprises a metallic adhesion promoter layer, which is arranged opposite to the cover layer adjacent to the wear protection layer.
  • adhesion promoter layer By adhesion promoter layer, the adhesion of the layer system to a substrate, in particular a
  • the adhesive layer has
  • the adhesion promoter layer particularly preferably consists of chromium and / or titanium.
  • Another object of the invention is a component comprising a metallic substrate and at least partially disposed on a surface of the substrate layer system, which is formed as described above, wherein the
  • Wear protection layer between the nanocomposite layer and the substrate is arranged.
  • the metallic substrate is preferably formed from steel.
  • the steel may be made of 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 steel,
  • 34CrAIMo5-10 or 42CrMo4 be formed.
  • the component is an engine element of an internal combustion engine
  • the component is a chain element of a sleeve chain or a toothed chain or a roller chain.
  • the layer system comprises a
  • Adhesive layer disposed adjacent to the wear protection layer and disposed adjacent to the substrate.
  • Adhesive layer can improve the adhesion of the layer system to the metallic substrate.
  • the adhesion promoter layer particularly preferably has chromium and / or titanium. According to the invention it is provided that the wear protection layer and the
  • Nanocomposite layer by physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the following physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are
  • Adhesive layer be applied by physical vapor deposition or alternatively by means of another application method, such as a chemical
  • the nanocomposite layer is produced by means of a mosaic target in a PVD process by sputtering.
  • a mosaic target has a combination of at least two materials in solid form, such as plate, pie, bar, etc., where the materials can be removed from the mosaic target and simultaneously deposited on a substrate.
  • a different one is possible to be used to form a mosaic target in a PVD process by sputtering.
  • Adjustable composition of the deposited layer which is not possible, for example, when using an alloy composition as a target material.
  • an alloy composition as a target material.
  • Nanolagen of carbon and copper are detectable in the nanocomposite layer, but a homogeneous mixture of copper and carbon as
  • Solid lubricant layer is present.
  • a wear protection layer in the form of nitridic
  • Hard material layer is deposited at least partially on a surface of the substrate by means of physical vapor deposition, and on the
  • Wear protection layer a cover layer by means of physical
  • Nanocomposite layer is formed, which has copper and carbon.
  • the same advantages can be achieved as they have already been described in connection with the layer system according to the invention.
  • an adhesion promoter layer may optionally be provided by means of physical adhesion
  • Gas phase deposition are deposited directly on the substrate.
  • Adhesion promoter layer may comprise, for example, chromium, titanium and / or aluminum and / or niobium and / or vanadium and / or molybdenum or a combination thereof.
  • the adhesion promoter layer particularly preferably consists of chromium and / or titanium.
  • the component can be arranged on a component holder which is rotated in a vacuum chamber about an in particular vertical axis (PVD batch system).
  • PVD batch system an in particular vertical axis
  • different targets can be arranged within the vacuum chamber. For example, a first target for forming the adhesion promoter layer, a second target for forming the
  • the target for forming the nanocomposite layer is preferably formed as a common carbon-copper target comprising both copper and carbon.
  • the common target may be a mosaic target or an alloy target.
  • a continuous flow system PVD in-line system
  • the component is transported in a transport direction through a vacuum chamber.
  • the component can be rotated in addition to the movement in the transport direction about a rotation axis, in particular a longitudinal axis of the component.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a component with a
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a component according to the invention in a perspective sectional view.
  • the substrate 11 of the component 10 is formed of a steel, for example of 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 or 42CrMo4 steel.
  • an adhesive layer 2 is formed on the substrate 11 on the substrate 11 on the substrate 11 to at least partially an adhesive layer 2 with the layer thickness di
  • the adhesion promoter layer 2 is preferably made of chromium and / or titanium.
  • the adhesion promoter layer 2 is preferably made of chromium and / or titanium.
  • a material connection to the, also adjacent to the adhesive layer 2 wear protection layer 3 is formed.
  • Adhesive layer 2 is in the range of 0.01 pm to 1, 0 pm.
  • the wear protection layer is 3 of stoichiometric or not
  • the layer thickness d2 of the wear protection layer 3 is in the range of 2.0 pm to 5.0 pm.
  • a nanocomposite layer 4 is deposited, which is formed as a copper-carbon nanocomposite.
  • the nanocomposite layer 4 is substantially biphasic. This means that the nanocomposite layer 4, apart from the main constituents copper and carbon, only small amounts of others
  • the nanocomposite layer 4 has a first phase 5 in the form of a carbon matrix and one in the carbon matrix
  • the second phase is therefore the nanophase.
  • the grain size of these copper particles is in the range of less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm.
  • the carbon matrix is formed of carbon.
  • the layer thickness d3 of the nanocomposite layer 4 is in the range from 0.1 ⁇ m to 10.0 ⁇ m, preferably in the range from 0.5 ⁇ m to 2.5 ⁇ m.
  • the nanocomposite layer 4 forms a covering layer cooperating with the respective friction partner of the component 10, which improves the tribological behavior, in particular reduces the wear.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a component 10 which has a layer system 1 according to the invention.
  • the layer system according to the second embodiment essentially has the features of
  • Layer system according to the first embodiment differs from the layer system of the first embodiment in the configuration of the nanocomposite layer 4.
  • the second embodiment the
  • Nanocomposite layer 4 has a second phase 7 in the form of a copper matrix and embedded in the copper matrix on a first phase 8 in the form of carbon particles.
  • the carbon particles have a particle size in the range of less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm, and form the nanophase.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a component 10 with a
  • Layer system 1 according to the invention In contrast to the layer system 1 according to the first embodiment, the layer system 1 according to the third embodiment, no adhesive layer on.
  • Wear protection layer 3 of this layer system 1 is deposited directly adjacent to the substrate 11.
  • the wear protection layer 3 adjoins both the substrate 11 and the nanocomposite layer 4 and is provided between them.
  • FIG. 4 is a perspective, partially sectioned view of a link chain 20 is shown with components according to the invention, as a chain link 21,
  • the link chain 20 can be used as part of a chain drive, for example an internal combustion engine.
  • the chain 20 has a plurality of chain links 21, 22 which are pivotally connected to each other via chain pins 22.
  • the chain links 21, 22 at least two recesses 24 through which a chain pin 26 is guided.
  • the chain 20 comprises inner chain links 22, in whose recesses 24 a sleeve
  • the chain pin 26 is disposed within the sleeve 23 and forms a friction pair with the sleeve 23 of the inner chain link 22.
  • the recesses 25 of the outer chain links 21 are formed with a smaller diameter than the
  • the chain pin 26 is also disposed within the recess 25 of an outer chain link 21 and connected to the outer chain link 25, in particular by means of interference fit.
  • Chain pin 26 of the link chain 20 with a layer system 1 according to the invention for example, a layer system as shown in Fig. 1, 2 or 3, coated.
  • the inner contour of the sleeves 23 of the inner chain links 22 and / or the inner contour of the recesses 25 of the outer chain links 21 may be coated with a layer system according to the invention.
  • Outer contour of the inner chain link 22 with the layer system 1 according to the invention Be provided, for example, the friction against a
  • the link chain 20 is formed as a sleeve chain or a toothed chain.
  • the components described above each have at least partially a layer system 1 comprising at least one wear protection layer 3 in the form of a nitridic hard material layer and a cover layer arranged on the wear protection layer 3, which is formed as a nanocomposite layer 4 of predominantly copper and carbon in the form of a solid lubricant layer.
  • a nanocomposite layer 4 is deposited by means of physical vapor deposition in a subsequent process step.
  • a nanocomposite layer 4 is deposited by means of physical vapor deposition in a subsequent process step.
  • an intermediate step by means of physical
  • Vapor deposition initially an adhesive layer are applied to the substrate 11, before the wear protection layer 3 is deposited.

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Abstract

The invention relates to a layer system (1) comprising at least one wear protection layer (3) and a cover layer arranged on the wear protection layer (3), wherein the wear protection layer (3) is a nitridic hard material, wherein the cover layer is designed as a nanocomposite layer (4), wherein the nanocomposite layer (4) is a multiphase solid body layer, in which at least one phase, called the nanophase, is structured such that it measures less than 100 nm in at least one dimension, wherein a first phase (6, 7) formed from copper and a second phase (5, 8) formed from carbon are contained, and wherein the wear protection layer (3) and the nanocomposite layer (4) are formed by means of a physical vapor deposition method (PVD method). The invention furthermore relates to a component (10, 21, 22), particularly a chain link or chain bolt, comprising a metallic substrate (11) and a layer system (1), arranged at least in part on a surface of the substrate (11), wherein the wear protection layer (3) is arranged between the nanocomposite layer (4) and the substrate (11).

Description

Schichtsystem, Bauteil und Verfahren zum Beschichten  Layer system, component and method for coating
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend mindestens eine The invention relates to a layer system comprising at least one
Verschleißschutzschicht. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifftein Bauteil mit einem metallischen Substrat und dem zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Schichtsystem. Wear protective layer. Another object of the invention relates to a component having a metallic substrate and the at least partially disposed on a surface of the substrate layer system.
Aus der DE 10 2005 047 449 A1 ist ein Schichtsystem zum Schutz einer Gliederkette gegen Verschleiß und zur Steigerung der Energieeffizienz bekannt. Dieses From DE 10 2005 047 449 A1, a layer system for protecting a link chain against wear and to increase energy efficiency is known. This
Schichtsystem weist eine Verschleißschutzschicht auf, die als nitridische oder nichtnitridische Hartstoffschicht ausgebildet ist und unmittelbar auf die Layer system has a wear protection layer, which is formed as a nitridic or non-nitride hard material layer and directly on the
Funktionsfläche des Kettenbolzens abgeschieden wird. Auf dieser harten Function surface of the chain pin is deposited. On this hard
Verschleißschutzschicht ist zur Reduktion der Reibung eine Gleitstoffschicht vorgesehen, die aus einem Weichmetall, aus M0S2, WS2 oder aus einer Wear protection layer is provided to reduce the friction, a sliding layer, made of a soft metal, M0S2, WS2 or from a
Polymerschicht gebildet ist. Mit einem derartigen Schichtsystem kann der Verschleiß der Elemente der Gliederkette gesenkt werden. Allerdings ist es wünschenswert, den Verschleißschutz für stark beanspruchte Bauteile weiter zu verbessern. Polymer layer is formed. With such a layer system, the wear of the elements of the link chain can be reduced. However, it is desirable to further improve wear protection for highly stressed components.
Die US 5 108 813 A beschreibt ein Gleitelement mit einem keramischen oder metallischen Substrat und einem Diamantfilm auf der Oberfläche des Substrats, wobei der Diamantfilm strukturiert ist und die Vertiefungen mit einem Weichmetall gefüllt sind. US 5,108,813 A describes a sliding element with a ceramic or metallic substrate and a diamond film on the surface of the substrate, wherein the diamond film is patterned and the recesses are filled with a soft metal.
Die DE 10 2005 014 484 B4 offenbart eine Rollenkette, die bereichsweise eine harte Carbidschicht aufweist. DE 10 2005 014 484 B4 discloses a roller chain which has a hard carbide layer in some areas.
Die DE 10 2006 024 433 A1 beschreibt eine verschleißfeste Kette mit einer DE 10 2006 024 433 A1 describes a wear-resistant chain with a
Verschleißschutzbeschichtung zumindest zum Teil nanokristalliner Struktur. Dabei sind Hartstoffpartikel in Nanogröße in einer Matrix dispergiert. Dabei ist unter anderem eine Metallmatrix aus Kupfer und/oder Wolfram und/oder Zink und/oder Zinn beschrieben, in welcher sich Nanokristalle aus Zirkonnitrid und/oder Wear protection coating at least partly nanocrystalline structure. In this case, nano-sized hard material particles are dispersed in a matrix. Among other things, a metal matrix of copper and / or tungsten and / or zinc and / or tin is described, in which nanocrystals of zirconium nitride and / or
Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Titandioxid befinden. Die EP 3 053 968 B1 offenbart eine Nanokompositbeschichtung aus festem Schmiermittel, wobei sich Schichtlagen aus einer Kohlenstoffmatrix mit Alumina and / or silicon nitride and / or titanium dioxide are located. EP 3 053 968 B1 discloses a nanocomposite coating of solid lubricant, wherein layer layers of a carbon matrix with
Kupferkörnern mit weiteren Zwischenschichtlagen aus Metall, hier in Form von Titan, Zirkon, Hafnium oder Vanadium, abwechseln. Copper grains with other intermediate layers of metal, here in the form of titanium, zirconium, hafnium or vanadium, alternate.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das tribologische Verhalten, insbesondere den Verschleißschutz, zu verbessern. Against this background, the task arises to improve the tribological behavior, in particular the wear protection.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem umfassend mindestens eine The object is achieved by a layer system comprising at least one
Verschleißschutzschicht und eine auf der Verschleißschutzschicht angeordnete Deckschicht in Form einer Festschmierstoffschicht, wobei die Wear protection layer and disposed on the wear protection layer cover layer in the form of a solid lubricant layer, wherein the
Verschleißschutzschicht eine nitridische Hartstoffschicht ist, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, wobei die Nanokompositschicht eine mehrphasige Festkörperschicht ist, bei der mindestens eine Phase, genannt Wear protection layer is a nitridic hard material layer, wherein the cover layer is formed as a nanocomposite layer, wherein the nanocomposite layer is a multi-phase solid state layer in which at least one phase, called
Nanophase, derart strukturiert ist, dass sie in zumindest einer Dimension eine Nanophase, is structured so that they in at least one dimension a
Abmessung kleiner als 100 nm aufweist, wobei eine erste Phase aus Kupfer und eine zweite Phase aus Kohlenstoff enthalten sind, und wobei die Dimension smaller than 100 nm, wherein a first phase of copper and a second phase of carbon are contained, and wherein the
Verschleißschutzschicht und die Nanokompositschicht mittels eines physikalischen Gasphasenabscheideverfahrens (PVD-Verfahrens) gebildet sind. Wear protection layer and the nanocomposite layer by means of a physical vapor deposition (PVD) process are formed.
Es hat sich herausgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Schichtsystem ein gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Verschleiß von Reibpartnern erreicht werden kann, wobei die Reibung zwischen den Reibpartnern nicht erhöht wird. Dabei setzt die Deckschicht aus Kupfer-Kohlenstoff-Nanokomposit die Reibung herab. Die unter der Nanokompositschicht angeordnete Verschleißschutzschicht in Form der nitridischen Hartstoffschicht bildet einen Schutz gegen abrasiven Verschleiß. It has been found that by the layer system according to the invention a reduced compared to the prior art wear of friction partners can be achieved, the friction between the friction partners is not increased. The cover layer of copper-carbon nanocomposite reduces the friction. The anti-wear layer in the form of the nitridic hard material layer, which is arranged underneath the nanocomposite layer, provides protection against abrasive wear.
Unter einer Nanokompositschicht wird im Sinne der Erfindung eine mehrphasige Festkörperschicht verstanden, bei der mindestens eine Phase derart strukturiert ist, dass sie in zumindest einer Dimension eine Abmessung kleiner als 100 nm, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 99 nm, beispielsweise im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweist. Insbesondere ist diese Nanophase derart strukturiert, dass sie in jeder Dimension eine Abmessung kleiner als 100 nm, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 99 nm, beispielsweise im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweist. Die erfindungsgemäße Nanokompositschicht weist mindestens zwei Phasen auf, wobei eine erste Phase Kupfer und eine zweite Phase Kohlenstoff ist. Dabei werden die Phasen insbesondere durch Kupferpartikel oder Kohlenstoffpartikel ausgebildet. For the purposes of the invention, a nanocomposite layer is understood to mean a multiphase solid state layer in which at least one phase is structured such that it has a dimension smaller than 100 nm in at least one dimension, in particular in the range from 10 nm to 99 nm, for example in the region of 10 nm to 70 nm. In particular, this nanophase is structured such that in each dimension it has a dimension smaller than 100 nm, in particular in the range of 10 nm to 99 nm, for example in the range of 10 nm to 70 nm. The The nanocomposite layer according to the invention has at least two phases, wherein a first phase is copper and a second phase is carbon. The phases are formed in particular by copper particles or carbon particles.
Bevorzugt weist die Nanokompositschicht einen Gehalt an Kupfer und Kohlenstoff auf, der in Summe größer ist als 70 Atom-%, bevorzugt größer ist als 80 Atom-%, besonders bevorzugt größer ist als 90 Atom-%. The nanocomposite layer preferably has a content of copper and carbon which, in total, is greater than 70 atomic%, preferably greater than 80 atomic%, particularly preferably greater than 90 atomic%.
Gemäß der Erfindung ist die Verschleißschutzschicht als nitridische Hartstoffschicht, insbesondere als eine stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine nicht stöchiometrische Chromnitridschicht (CrN oder Cr2N) oder eine Kombination davon, ausgebildet. Alternativ kann die Verschleißschutzschicht als chromnitridbasierte Schicht ausgebildet sein. According to the invention, the wear protection layer is formed as a nitridic hard material layer, in particular as a stoichiometric chromium nitride layer or a non-stoichiometric chromium nitride layer (CrN or Cr2N) or a combination thereof. Alternatively, the wear protection layer may be formed as a chromium nitride-based layer.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschicht einen Stickstoffgehalt aufweist, der kleiner gleich 60 Atom-%, bevorzugt kleiner 60 Atom-%, ist. It is advantageous if the wear protection layer has a nitrogen content which is less than or equal to 60 atomic%, preferably less than 60 atomic%.
Bevorzugt weist die Verschleißschutzschicht eine Schichtdicke im Bereich von 2,0 pm bis 5,0 pm auf. The wear protection layer preferably has a layer thickness in the range from 2.0 μm to 5.0 μm.
Die Verschleißschutzschicht grenzt bevorzugt unmittelbar an die als The wear protection layer preferably directly adjoins the as
Nanokompositschicht ausgebildete Deckschicht an. Das bedeutet, dass keine weiteren Schichten zwischen der Verschleißschutzschicht und der Nanocomposite layer formed on top layer. This means that no further layers between the wear protection layer and the
Nanokompositschicht vorhanden sind. Nanocomposite layer are present.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht eine Kohlenstoffmatrix als zweite Phase und in der Kohlenstoffmatrix eingelagerte An advantageous embodiment provides that the nanocomposite layer stores a carbon matrix as the second phase and in the carbon matrix
Kupferpartikel als erste Phase und Nanophase aufweist. Die Kohlenstoffmatrix kann beispielsweise als Graphitmatrix vorliegen, in welche die Kupferpartikel eingebunden sind. Copper particles as the first phase and nanophase has. The carbon matrix can be present, for example, as a graphite matrix in which the copper particles are incorporated.
Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Nanokompositschicht eine Kupfermatrix als erste Phase und in der Kupfermatrix eingelagerte Kohlenstoffpartikel als zweite Phase und Nanophase aufweist. Die Kohlenstoffpartikel können als Graphitpartikel vorliegen, die in der Kupfermatrix eingebettet sind. According to an alternative, advantageous embodiment, it is provided that the nanocomposite layer has a copper matrix as the first phase and carbon particles embedded in the copper matrix as the second phase and nanophase. The Carbon particles may exist as graphite particles embedded in the copper matrix.
Bevorzugt ist es, wenn die Kupferpartikel oder die Kohlenstoffpartikel eine Korngröße im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 99 nm, It is preferred if the copper particles or the carbon particles have a particle size in the range of less than 100 nm, preferably in the range of 10 nm to 99 nm,
besonders bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweisen. particularly preferably in the range of 10 nm to 70 nm.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht Sauerstoff aufweist, wobei der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 30 Atom-%, bevorzugt kleiner als 20 Atom-% ist. An advantageous embodiment provides that the nanocomposite layer has oxygen, wherein the content of oxygen is less than 30 atomic%, preferably less than 20 atomic%.
Alternativ oder zusätzlich kann die Nanokompositschicht Stickstoff aufweisen, wobei der Gehalt an Stickstoff in der Nanokompositschicht kleiner als 10 Atom-%, bevorzugt kleiner als 5 Atom-% ist. Alternatively or additionally, the nanocomposite layer may comprise nitrogen, wherein the content of nitrogen in the nanocomposite layer is less than 10 atom%, preferably less than 5 atom%.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Gehalt an anderen Metallen als Kupfer in der Nanokompositschicht kleiner als 0,01 Atom-%, bevorzugt kleiner als 0,001 %, besonders bevorzugt ist die Nanokompositschicht frei von anderen Metallen als Kupfer. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Nanokompositschicht eine oder mehrere Zwischenschichten aufweist, die aus einem anderen Metall als Kupfer gebildet sind. Bevorzugt ist das andere Metall Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Wolfram (W), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Vanadium (V). According to a preferred embodiment, a content of metals other than copper in the nanocomposite layer is less than 0.01 atom%, preferably less than 0.001%, more preferably the nanocomposite layer is free of metals other than copper. Alternatively, it can be provided that the nanocomposite layer has one or more intermediate layers which are formed from a metal other than copper. Preferably, the other metal is titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), molybdenum (Mo), aluminum (Al), chromium (Cr), tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta) or Vanadium (V).
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht eine An advantageous embodiment provides that the nanocomposite layer a
Schichtdicke im Bereich von 1 ,0 pm bis 10,0 pm, bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 2,5 pm, aufweist. Layer thickness in the range of 1, 0 pm to 10.0 pm, preferably in the range of 0.5 pm to 2.5 pm.
Bevorzugt weist das Schichtsystem eine Schichtdicke im Bereich 0,6 pm bis 21 ,0 pm, bevorzugt im Bereich 2,5 pm bis 8,5 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 pm bis 5,0 pm, auf. The layer system preferably has a layer thickness in the range from 0.6 μm to 21.0 μm, preferably in the range from 2.5 μm to 8.5 μm, particularly preferably in the range from 3.0 μm to 5.0 μm.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschicht eine Vickers-Härte im Bereich von 1000 bis 4000 HV und die Nanokompositschicht eine Vickershärte von kleiner als 1500 HV aufweisen. Dadurch kann hoher Verschleißschutz der Reibpartner erreicht werden. It is advantageous if the wear protection layer has a Vickers hardness in the range from 1000 to 4000 HV and the nanocomposite layer has a Vickers hardness of less have 1500 HV. As a result, high wear protection of the friction partners can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem weiterhin eine metallische Haftvermittlerschicht, die gegenüberliegend zur Deckschicht angrenzend an die Verschleißschutzschicht angeordnet ist. Durch die Haftvermittlerschicht kann die Haftung des Schichtsystems an einem Substrat, insbesondere einem According to an advantageous embodiment, the layer system further comprises a metallic adhesion promoter layer, which is arranged opposite to the cover layer adjacent to the wear protection layer. By adhesion promoter layer, the adhesion of the layer system to a substrate, in particular a
metallischen Substrat, verbessert werden. Die Haftvermittlerschicht weist metallic substrate, to be improved. The adhesive layer has
insbesondere Chrom und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination davon auf. Besonders bevorzugt besteht die Haftvermittlerschicht aus Chrom und/oder Titan. in particular chromium and / or titanium and / or aluminum and / or niobium and / or vanadium and / or molybdenum or a combination thereof. The adhesion promoter layer particularly preferably consists of chromium and / or titanium.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil umfassend ein metallisches Substrat und ein zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats angeordnetes Schichtsystem, das wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, wobei die Another object of the invention is a component comprising a metallic substrate and at least partially disposed on a surface of the substrate layer system, which is formed as described above, wherein the
Verschleißschutzschicht zwischen der Nanokompositschicht und dem Substrat angeordnet ist. Wear protection layer between the nanocomposite layer and the substrate is arranged.
Das metallische Substrat ist bevorzugt aus Stahl gebildet. Beispielsweise kann der Stahl als Stahl des Typs 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2, The metallic substrate is preferably formed from steel. For example, the steel may be made of 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 steel,
34CrAIMo5-10 oder 42CrMo4 ausgebildet sein. 34CrAIMo5-10 or 42CrMo4 be formed.
Bevorzugt ist das Bauteil ein Motorelement eines Verbrennungsmotors, Preferably, the component is an engine element of an internal combustion engine,
insbesondere ein Kettenelement, beispielsweise ein Kettenbolzen, ein Element des Ventiltriebs, beispielsweise ein Kipphebel, ein Schlepphebel oder ein Tassenstößel, oder ein Gleit- bzw. Wälzlager, oder ein Zahnrad. Bevorzugt ist das Bauteil ein Kettenelement einer Hülsenkette oder einer Zahnkette oder einer Rollenkette. in particular a chain element, for example a chain pin, an element of the valvetrain, for example a rocker arm, a rocker arm or a bucket tappet, or a sliding or roller bearing, or a toothed wheel. Preferably, the component is a chain element of a sleeve chain or a toothed chain or a roller chain.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem eine According to a preferred embodiment, the layer system comprises a
Haftvermittlerschicht, die angrenzend an die Verschleißschutzschicht angeordnet und angrenzend an das Substrat angeordnet ist. Das Vorsehen einer Adhesive layer disposed adjacent to the wear protection layer and disposed adjacent to the substrate. The provision of a
Haftvermittlerschicht kann die Haftung des Schichtsystems an dem metallischen Substrat verbessern. Die Haftvermittlerschicht weist insbesondere bevorzugt Chrom und/oder Titan auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht und die Adhesive layer can improve the adhesion of the layer system to the metallic substrate. The adhesion promoter layer particularly preferably has chromium and / or titanium. According to the invention it is provided that the wear protection layer and the
Nanokompositschicht, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (engl physical vapour deposition, PVD) abgeschieden sind. Weiterhin kann auch die Nanocomposite layer, by physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD) are deposited. Furthermore, the
Haftvermittlerschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht sein oder alternativ mittels eines anderen Aufbringverfahrens, wie eine chemische Adhesive layer be applied by physical vapor deposition or alternatively by means of another application method, such as a chemical
Gasphasenabscheidung (engl. Chemical vapour deposition, CVD), galvanische Abscheidung, chemisch stromlose Abscheidung usw. Chemical vapor deposition (CVD), electrodeposition, electroless plating, etc.
Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Nanokompositschicht mittels eines Mosaiktargets in einem PVD-Verfahren durch Sputtern hergestellt wird. Siehe hierzu beispielsweise die EP 0 634 499 A1. Ein Mosaiktarget weist eine Kombination von mindestens zwei Materialien in massiver Form auf, wie zum Beispiel in Plattenform, Tortenstück-Form, Stangenform usw., wobei die Materialien von dem Mosaiktarget abgetragen und gleichzeitig auf einem Substrat abgeschieden werden können. Dabei ist je nach Einstellung des PVD-Abscheideprozesses eine unterschiedliche In particular, it has proven useful if the nanocomposite layer is produced by means of a mosaic target in a PVD process by sputtering. See, for example, EP 0 634 499 A1. A mosaic target has a combination of at least two materials in solid form, such as plate, pie, bar, etc., where the materials can be removed from the mosaic target and simultaneously deposited on a substrate. Depending on the setting of the PVD deposition process a different one
Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht einstellbar, was beispielsweise bei Verwendung einer Legierungszusammensetzung als Targetmaterial nicht möglich ist. Hier werden insbesondere Kupferplatten und Kohlenstoffplatten zu einem Adjustable composition of the deposited layer, which is not possible, for example, when using an alloy composition as a target material. Here in particular copper plates and carbon plates to a
Mosaiktarget zusammengesetzt. Es resultiert eine sehr homogene Durchmischung der Materialien Kohlenstoff und Kupfer im Abscheideprozess, so dass keine Mosaic target composed. This results in a very homogeneous mixing of the materials carbon and copper in the deposition process, so that no
Nanolagen aus Kohlenstoff und Kupfer in der Nanokompositschicht nachweisbar sind, sondern eine homogene Mischung aus Kupfer und Kohlenstoff als Nanolagen of carbon and copper are detectable in the nanocomposite layer, but a homogeneous mixture of copper and carbon as
Festschmierstoffschicht vorliegt. Solid lubricant layer is present.
Als ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils umfassend ein Substrat wird vorgeschlagen, dass eine Verschleißschutzschicht in Form der nitridischen As a method for coating a component comprising a substrate, it is proposed that a wear protection layer in the form of nitridic
Hartstoffschicht zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats mittels physikalischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, und auf die Hard material layer is deposited at least partially on a surface of the substrate by means of physical vapor deposition, and on the
Verschleißschutzschicht eine Deckschicht mittels physikalischer Wear protection layer a cover layer by means of physical
Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, wobei die Deckschicht als Deposited vapor deposition, wherein the cover layer as
Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist. Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem beschrieben worden sind. Nanocomposite layer is formed, which has copper and carbon. In the method, the same advantages can be achieved as they have already been described in connection with the layer system according to the invention.
Zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) werden bevorzugt die Verfahren Kathodenzerstäubung oder Lichtbogenverdampfen oder eine Kombination davon eingesetzt. Bevor die Verschleißschutzschicht auf das Substrat aufgebracht wird, kann optional eine Haftvermittlerschicht mittels physikalischer For physical vapor deposition (PVD), the methods sputtering or arc evaporation or a combination thereof are preferably used. Before the wear protection layer is applied to the substrate, an adhesion promoter layer may optionally be provided by means of physical adhesion
Gasphasenabscheidung direkt auf dem Substrat abgeschieden werden. Die Gas phase deposition are deposited directly on the substrate. The
Haftvermittlerschicht kann beispielsweise Chrom, Titan und/oder Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination davon aufweisen. Besonders bevorzugt besteht die Haftvermittlerschicht aus Chrom und/oder Titan. Adhesion promoter layer may comprise, for example, chromium, titanium and / or aluminum and / or niobium and / or vanadium and / or molybdenum or a combination thereof. The adhesion promoter layer particularly preferably consists of chromium and / or titanium.
Zur Ausbildung der Haftvermittlerschicht und/oder der Verschleißschutzschicht und/oder der Nanokompositschicht kann das Bauteil auf einem Bauteilhalter angeordnet werden, der in einer Vakuumkammer um eine insbesondere senkrechte Achse rotiert wird (PVD-Batchanlage). Innerhalb der Vakuumkammer können verschiedene Targets angeordnet sein. Beispielsweise kann ein erstes Target zur Bildung der Haftvermittlerschicht, ein zweites Target zur Bildung der In order to form the adhesion promoter layer and / or the wear protection layer and / or the nanocomposite layer, the component can be arranged on a component holder which is rotated in a vacuum chamber about an in particular vertical axis (PVD batch system). Within the vacuum chamber different targets can be arranged. For example, a first target for forming the adhesion promoter layer, a second target for forming the
Verschleißschutzschicht und ein drittes Target zu Bildung der Nanokompositschicht vorgesehen sein. Das Target zu Bildung der Nanokompositschicht ist bevorzugt als gemeinsames Kohlenstoff-Kupfer-Target ausgebildet, das sowohl Kupfer als auch Kohlenstoff umfasst. Beispielsweise kann das gemeinsame Target ein Mosaik-Target oder ein Legierungstarget sein. Wear protection layer and a third target to form the nanocomposite layer may be provided. The target for forming the nanocomposite layer is preferably formed as a common carbon-copper target comprising both copper and carbon. For example, the common target may be a mosaic target or an alloy target.
Alternativ kann zur Ausbildung der Haftvermittlerschicht, der Verschleißschutzschicht und/oder der Nanokompositschicht eine Durchlaufanlage (PVD-In-Line-Anlage) zur PVD-Beschichtung verwendet werden, bei der das Bauteil in einer Transportrichtung durch eine Vakuumkammer transportiert wird. Optional kann das Bauteil zusätzlich zu der Bewegung in Transportrichtung um eine Drehachse, insbesondere eine Längsachse des Bauteils, gedreht werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt: Alternatively, to form the adhesion promoter layer, the wear protection layer and / or the nanocomposite layer, a continuous flow system (PVD in-line system) for PVD coating can be used, in which the component is transported in a transport direction through a vacuum chamber. Optionally, the component can be rotated in addition to the movement in the transport direction about a rotation axis, in particular a longitudinal axis of the component. Further details and advantages of the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings. Hereby shows:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung; 1 shows a first embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem Fig. 2 shows a second embodiment of a component with a
erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen  Layer system according to the invention in a schematic
Schnittdarstellung;  Section;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung; und 3 shows a third embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view; and
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Fig. 4 shows a fourth embodiment of a component according to the invention in a perspective sectional view.
In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 gezeigt, welches ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 aufweist, dessen Schichten 2, 3, 4 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung ausgebildet worden sind. Das Substrat 11 des Bauteils 10 ist aus einem Stahl ausgebildet, beispielsweise aus Stahl des Typs 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 oder 42CrMo4. Auf dem Substrat 11 ist zumindest partiell eine Haftvermittlerschicht 2 mit der Schichtdicke di 1 shows a first exemplary embodiment of a component 10 which has a layer system 1 according to the invention whose layers 2, 3, 4 have been formed by means of physical vapor deposition. The substrate 11 of the component 10 is formed of a steel, for example of 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 or 42CrMo4 steel. On the substrate 11 is at least partially an adhesive layer 2 with the layer thickness di
abgeschieden. Die Haftvermittlerschicht 2 besteht bevorzugt aus Chrom und/oder Titan. Über die direkt an dem Substrat 11 angrenzende Haftvermittlerschicht 2 wird eine stoffschlüssige Verbindung zu der, ebenfalls an die Haftvermittlerschicht 2 angrenzende Verschleißschutzschicht 3 gebildet. Die Schichtdicke di der deposited. The adhesion promoter layer 2 is preferably made of chromium and / or titanium. About the directly adjacent to the substrate 11 adhesive layer 2 is a material connection to the, also adjacent to the adhesive layer 2 wear protection layer 3 is formed. The layer thickness di the
Haftvermittlerschicht 2 liegt im Bereich von 0,01 pm bis 1 ,0 pm. Adhesive layer 2 is in the range of 0.01 pm to 1, 0 pm.
Die Verschleißschutzschicht ist 3 aus stöchiometrischem oder nicht The wear protection layer is 3 of stoichiometric or not
stöchiometrischem Chromnitrid oder eine Kombination davon gebildet und weist eine hohe Härte auf, so dass das darunterliegende Substrat 11 sehr gut gegen Verschleiß geschützt wird. Die Schichtdicke d2 der Verschleißschutzschicht 3 liegt im Bereich von 2,0 pm bis 5,0 pm. Auf der Verschleißschutzschicht 3 ist, unmittelbar an die Verschleißschutzschicht 3 angrenzend, eine Nanokompositschicht 4 abgeschieden, die als Kupfer-Kohlenstoff- Nanokomposit ausgebildet ist. Die Nanokompositschicht 4 ist im Wesentlichen zweiphasig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Nanokompositschicht 4 neben den Hauptbestandteilen Kupfer und Kohlenstoff lediglich geringe Anteile anderer stoichiometric chromium nitride or a combination thereof and has a high hardness, so that the underlying substrate 11 is very well protected against wear. The layer thickness d2 of the wear protection layer 3 is in the range of 2.0 pm to 5.0 pm. On the wear protection layer 3, immediately adjacent to the wear protection layer 3, a nanocomposite layer 4 is deposited, which is formed as a copper-carbon nanocomposite. The nanocomposite layer 4 is substantially biphasic. This means that the nanocomposite layer 4, apart from the main constituents copper and carbon, only small amounts of others
Elemente enthält, im vorliegenden Fall vornehmlich geringe Anteile an Sauerstoff und/oder Stickstoff. Der Gehalt dieser Elemente liegt im Bereich kleiner als 30 Atom- %, bevorzugt kleiner als 20 Atom-%, besonders bevorzugt kleiner als 10 Atom-%. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Nanokompositschicht 4 eine erste Phase 5 in Form einer Kohlenstoffmatrix und eine, in der Kohlenstoffmatrix Contains elements, in the present case, primarily low levels of oxygen and / or nitrogen. The content of these elements is in the range of less than 30 atomic%, preferably less than 20 atomic%, more preferably less than 10 atomic%. According to the first embodiment, the nanocomposite layer 4 has a first phase 5 in the form of a carbon matrix and one in the carbon matrix
eingelagerte zweite Phase 6 in Form von Kupferpartikeln auf. Die zweite Phase bildet demnach die Nanophase. Die Korngröße dieser Kupferpartikel liegt im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm. Die Kohlenstoffmatrix ist aus Kohlenstoff ausgebildet. Die Schichtdicke d3 der Nanokompositschicht 4 liegt im Bereich von 0, 1 pm bis 10,0 pm, bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 2,5 pm. embedded second phase 6 in the form of copper particles. The second phase is therefore the nanophase. The grain size of these copper particles is in the range of less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm. The carbon matrix is formed of carbon. The layer thickness d3 of the nanocomposite layer 4 is in the range from 0.1 μm to 10.0 μm, preferably in the range from 0.5 μm to 2.5 μm.
Die Nanokompositschicht 4 bildet eine mit dem jeweiligen Reibpartner des Bauteils 10 zusammenwirkende Deckschicht, welche das tribologische Verhalten verbessert, insbesondere den Verschleiß verringert. The nanocomposite layer 4 forms a covering layer cooperating with the respective friction partner of the component 10, which improves the tribological behavior, in particular reduces the wear.
In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 gezeigt, das ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 aufweist. Das Schichtsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist im Wesentlichen die Merkmale des FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a component 10 which has a layer system 1 according to the invention. The layer system according to the second embodiment essentially has the features of
Schichtsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf, unterscheidet sich von dem Schichtsystem des ersten Ausführungsbeispiels in der Ausgestaltung der Nanokompositschicht 4. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Layer system according to the first embodiment, differs from the layer system of the first embodiment in the configuration of the nanocomposite layer 4. In the second embodiment, the
Nanokompositschicht 4 eine zweite Phase 7 in Form einer Kupfermatrix und in der Kupfermatrix eingelagert eine erste Phase 8 in Form von Kohlenstoffpartikeln auf.Nanocomposite layer 4 has a second phase 7 in the form of a copper matrix and embedded in the copper matrix on a first phase 8 in the form of carbon particles.
Die Kohlenstoffpartikel haben eine Korngröße im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm, und bilden die Nanophase aus. The carbon particles have a particle size in the range of less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm, and form the nanophase.
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 mit einem Fig. 3 shows a third embodiment of a component 10 with a
Schichtsystem 1 gemäß der Erfindung. Im Unterschied zu dem Schichtsystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Schichtsystem 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel keine Haftvermittlerschicht auf. Die Layer system 1 according to the invention. In contrast to the layer system 1 according to the first embodiment, the layer system 1 according to the third embodiment, no adhesive layer on. The
Verschleißschutzschicht 3 dieses Schichtsystems 1 ist unmittelbar angrenzend auf dem Substrat 11 abgeschieden. Insofern grenzt die Verschleißschutzschicht 3 sowohl an dem Substrat 11 als auch an der Nanokompositschicht 4 an und ist zwischen diesen vorgesehen. Wear protection layer 3 of this layer system 1 is deposited directly adjacent to the substrate 11. In this respect, the wear protection layer 3 adjoins both the substrate 11 and the nanocomposite layer 4 and is provided between them.
In der Fig. 4 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Gliederkette 20 mit erfindungsgemäßen Bauteilen dargestellt, die als Kettenglied 21 ,4 is a perspective, partially sectioned view of a link chain 20 is shown with components according to the invention, as a chain link 21,
22 oder Kettenbolzen 26 ausgestaltet sind. Die Gliederkette 20 kann als Teil eines Kettentriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eingesetzt werden. Die Kette 20 weist eine Vielzahl an Kettengliedern 21 , 22 auf, die über Kettenbolzen 22 schwenkbar miteinander verbunden sind. Hierzu weisen die Kettenglieder 21 , 22 mindestens zwei Ausnehmungen 24 auf, durch die jeweils ein Kettenbolzen 26 geführt ist. 22 or chain pin 26 are configured. The link chain 20 can be used as part of a chain drive, for example an internal combustion engine. The chain 20 has a plurality of chain links 21, 22 which are pivotally connected to each other via chain pins 22. For this purpose, the chain links 21, 22 at least two recesses 24 through which a chain pin 26 is guided.
Die Kette 20 umfasst Innenkettenglieder 22, in deren Ausnehmungen 24 eine HülseThe chain 20 comprises inner chain links 22, in whose recesses 24 a sleeve
23 angeordnet ist, beispielsweise mittels Presspassung. Der Kettenbolzen 26 ist innerhalb der Hülse 23 angeordnet und bildet mit der Hülse 23 des Innenkettenglieds 22 eine Reibpaarung. Bei der Kette 20 gemäß Fig. 4 sind die Ausnehmungen 25 der Außenkettenglieder 21 mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet als die 23 is arranged, for example by means of interference fit. The chain pin 26 is disposed within the sleeve 23 and forms a friction pair with the sleeve 23 of the inner chain link 22. In the chain 20 shown in FIG. 4, the recesses 25 of the outer chain links 21 are formed with a smaller diameter than the
Ausnehmungen 24 der Innenkettenglieder 22. Der Kettenbolzen 26 ist jeweils auch innerhalb der Ausnehmung 25 eines Außenkettenglieds 21 angeordnet und mit dem Außenkettenglied 25 verbunden, insbesondere mittels Presspassung. Recesses 24 of the inner chain links 22. The chain pin 26 is also disposed within the recess 25 of an outer chain link 21 and connected to the outer chain link 25, in particular by means of interference fit.
Um die Reibung und den Verschleiß der Reibpaarung zu verringern ist der To reduce the friction and the wear of the friction pair is the
Kettenbolzen 26 der Gliederkette 20 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1 , beispielsweise einem Schichtsystem wie in Fig. 1 , 2 oder 3 gezeigt, beschichtet. Alternativ oder zusätzlich kann die Innenkontur der Hülsen 23 der Innenkettenglieder 22 und/oder die Innenkontur der Ausnehmungen 25 der Außenkettenglieder 21 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem beschichtet sein. Besonders bevorzugt weisen der Kettenbolzen 25 und/oder die Innenkontur der Hülse 23 und/oder die Innenkontur der Ausnehmung 25 ein identisches Schichtsystem 1 auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Außenkontur des Außenkettenglieds 21 und/oder die Chain pin 26 of the link chain 20 with a layer system 1 according to the invention, for example, a layer system as shown in Fig. 1, 2 or 3, coated. Alternatively or additionally, the inner contour of the sleeves 23 of the inner chain links 22 and / or the inner contour of the recesses 25 of the outer chain links 21 may be coated with a layer system according to the invention. Particularly preferably, the chain pin 25 and / or the inner contour of the sleeve 23 and / or the inner contour of the recess 25 on an identical layer system 1. Alternatively or additionally, the outer contour of the outer chain link 21 and / or the
Außenkontur des Innenkettenglieds 22 mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1 versehen sein, beispielsweise um die Reibung gegenüber einer Outer contour of the inner chain link 22 with the layer system 1 according to the invention Be provided, for example, the friction against a
Kettenführungsschiene zu reduzieren. To reduce chain guide rail.
Gemäß einer Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten Rollenkette ist die Gliederkette 20 als Hülsenkette oder als Zahnkette ausgebildet. According to a modification of the roller chain shown in Fig. 4, the link chain 20 is formed as a sleeve chain or a toothed chain.
Die vorstehend beschriebenen Bauteile weisen jeweils zumindest partiell ein Schichtsystem 1 umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht 3 in Form einer nitridischen Hartstoffschicht und eine auf der Verschleißschutzschicht 3 angeordnete Deckschicht auf, die als Nanokompositschicht 4 aus überwiegend Kupfer und Kohlenstoff in Form einer Festschmierstoffschicht ausgebildet ist. The components described above each have at least partially a layer system 1 comprising at least one wear protection layer 3 in the form of a nitridic hard material layer and a cover layer arranged on the wear protection layer 3, which is formed as a nanocomposite layer 4 of predominantly copper and carbon in the form of a solid lubricant layer.
Die beschriebenen Bauteile 10, 21 , 22, 26 werden mit einem The described components 10, 21, 22, 26 are provided with a
Vakuumbeschichtungsverfahren beschichtet, bei welchem auf eine Oberfläche des Substrats 11 des Bauteils 10, 21 , 22, 26 eine Verschleißschutzschicht 3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird. Auf die A vacuum coating method coated in which on a surface of the substrate 11 of the component 10, 21, 22, 26 a wear protection layer 3 is deposited by means of physical vapor deposition. On the
Verschleißschutzschicht 3 wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Nanokompositschicht 4 abgeschieden. Optional kann in einem Zwischenschritt mittels physikalischer Wear protection layer 3, a nanocomposite layer 4 is deposited by means of physical vapor deposition in a subsequent process step. Optionally, in an intermediate step by means of physical
Gasphasenabscheidung zunächst eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat 11 aufgebracht werden, bevor die Verschleißschutzschicht 3 abgeschieden wird. Vapor deposition initially an adhesive layer are applied to the substrate 11, before the wear protection layer 3 is deposited.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schichtsystem 1 layer system
2 Haftvermittlerschicht  2 adhesion promoter layer
3 Verschleißschutzschicht  3 wear protection layer
4 Nanokompositschicht  4 nanocomposite layer
5, 8 erste Phase  5, 8 first phase
6, 7 zweite Phase  6, 7 second phase
10 Bauteil 10 component
11 Substrat  11 substrate
20 Kette 20 chain
21 Außenkettenglied  21 outer link
22 Innenkettenglied  22 inner chain link
23 Hülse  23 sleeve
24 Ausnehmung  24 recess
25 Ausnehmung  25 recess
26 Kettenbolzen  26 chain pins
D Schichtdicke des Schichtsystems di Schichtdicke der Haftvermittlerschicht d2 Schichtdicke der Verschleißschutzschicht d3 Schichtdicke der Nanokompositschicht D layer thickness of the layer system di layer thickness of the adhesion promoter layer d2 layer thickness of the wear protection layer d3 layer thickness of the nanocomposite layer

Claims

Patentansprüche claims
1. Schichtsystem (1 ) umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht (3) und eine auf der Verschleißschutzschicht (3) angeordnete Deckschicht in Form einer Festschmierstoffschicht, wobei die Verschleißschutzschicht (3) eine nitridische Flartstoffschicht ist, wobei 1. Layer system (1) comprising at least one wear protection layer (3) and a covering layer on the wear protection layer (3) in the form of a solid lubricant layer, wherein the wear protection layer (3) is a nitridic Flartstoffschicht, wherein
die Deckschicht als Nanokompositschicht (4) ausgebildet ist, wobei die Nanokompositschicht (4) eine mehrphasige Festkörperschicht ist, bei der mindestens eine Phase, genannt Nanophase, derart strukturiert ist, dass sie in zumindest einer Dimension eine Abmessung kleiner als 100 nm aufweist, wobei eine erste Phase (6, 7) aus Kupfer und eine zweite Phase (5, 8) aus Kohlenstoff enthalten sind, und wobei die Verschleißschutzschicht (3) und die Nanokompositschicht (4) mittels eines physikalischen  the cover layer is formed as a nanocomposite layer (4), wherein the nanocomposite layer (4) is a multi-phase solid state layer in which at least one phase, called nanophase, is structured such that it has a dimension smaller than 100 nm in at least one dimension, wherein a first phase (6, 7) of copper and a second phase (5, 8) of carbon are contained, and wherein the wear protection layer (3) and the nanocomposite layer (4) by means of a physical
Gasphasenabscheideverfahrens (PVD-Verfahrens) gebildet sind.  Gas phase deposition method (PVD method) are formed.
2. Schichtsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Second layer system (1) according to claim 1, characterized in that the
Verschleißschutzschicht (3) als eine stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine nicht stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine Kombination von beiden ausgebildet ist.  Wear protection layer (3) is formed as a stoichiometric chromium nitride layer or a non-stoichiometric chromium nitride layer or a combination of both.
3. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 3. Layer system (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (3) einen Stickstoffgehalt aufweist, der kleiner 60 Atom-% ist.  in that the wear protection layer (3) has a nitrogen content which is less than 60 atomic%.
4. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 4. Layer system (1) according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Kohlenstoffmatrix als zweite Phase (5) und in der Kohlenstoffmatrix eingelagerte Kupferpartikel als erste Phase (6) und Nanophase aufweist.  in that the nanocomposite layer (4) has a carbon matrix as the second phase (5) and copper particles incorporated in the carbon matrix as the first phase (6) and nanophase.
5. Schichtsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 5. Layer system (1) according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Kupfermatrix als erste Phase (7) und in der Kupfermatrix eingelagerte Kohlenstoffpartikel als zweite Phase (8) und Nanophase aufweist. in that the nanocomposite layer (4) has a copper matrix as the first phase (7) and carbon particles incorporated in the copper matrix as the second Phase (8) and nanophase has.
6. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 6. layer system (1) according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet,  in
dass die Nanokompositschicht (4) Sauerstoff aufweist, wobei der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 30 Atom-%, bevorzugt kleiner als 20 Atom-% ist, und/oder  the nanocomposite layer (4) comprises oxygen, the content of oxygen being less than 30 atomic%, preferably less than 20 atomic%, and / or
dass die Nanokompositschicht (4) Stickstoff aufweist, wobei der Gehalt an Stickstoff kleiner als 10 Atom-%, bevorzugt kleiner als 5 Atom-% ist.  the nanocomposite layer (4) comprises nitrogen, the content of nitrogen being less than 10 atom%, preferably less than 5 atom%.
7. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 7. Layer system (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Schichtdicke (d3) im Bereich von 0,1 pm bis 10 pm, bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 2,5 pm, aufweist.  in that the nanocomposite layer (4) has a layer thickness (d3) in the range from 0.1 μm to 10 μm, preferably in the range from 0.5 μm to 2.5 μm.
8. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 8. Layer system (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1 ) eine Schichtdicke (D) im Bereich 0,6 pm bis 21 ,0 pm, bevorzugt im Bereich 2,5 pm bis 8,5 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 pm bis 5,0 pm, aufweist.  in that the layer system (1) has a layer thickness (D) in the range from 0.6 μm to 21.0 μm, preferably in the range from 2.5 μm to 8.5 μm, particularly preferably in the range from 3.0 μm to 5 μm, 0 pm.
9. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 9. Layer system (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1 ) eine metallische  characterized in that the layer system (1) is a metallic
Haftvermittlerschicht (2)umfasst, die gegenüberliegend zur Deckschicht angrenzend an die Verschleißschutzschicht (3) angeordnet ist.  Adhesive layer (2), which is arranged opposite to the cover layer adjacent to the wear protection layer (3).
10. Schichtsystem (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 10. layer system (1) according to claim 9, characterized in that the
Haftvermittlerschicht (2) aufweisend Chrom und/oder Titan und/oder  Adhesive layer (2) comprising chromium and / or titanium and / or
Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination dieser Elemente ausgebildet ist.  Aluminum and / or niobium and / or vanadium and / or molybdenum or a combination of these elements is formed.
11. Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 11. Layer system (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1 ) insgesamt mittels eines physikalischen Gasphasenabscheideverfahrens (PVD-Verfahrens) gebildet ist. in that the layer system (1) is formed overall by means of a physical vapor deposition method (PVD method).
12. Bauteil (10, 21 , 22, 26), insbesondere Kettenglied oder Kettenbolzen, umfassend ein metallisches Substrat (11 ) und ein zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats (11 ) angeordnetes Schichtsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschleißschutzschicht (3) zwischen der Nanokompositschicht (4) und dem Substrat (11 ) angeordnet ist. 12. component (10, 21, 22, 26), in particular chain link or chain pin, comprising a metallic substrate (11) and at least partially on a surface of the substrate (11) arranged layer system (1) according to one of the preceding claims, wherein the Wear protection layer (3) between the nanocomposite layer (4) and the substrate (11) is arranged.
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