成 的原子層。以這種方式對基體11的待涂層表面12通過離子轟擊進(jìn)行清潔。該過程也可以 稱作離子蝕刻。
[0038] 隨后該偏壓調(diào)整至低值，氬氣壓稍微升高而且增加對由鉻構(gòu)成的靶材24的供電。 在這些條件下，與通過離子轟擊腐蝕相比，更多的鉻離子沉積在已清潔的基體11的表面12 上。這些留在表面的鉻離子形成金屬鉻層作為附著層14。
[0039] 經(jīng)過一段的時間之后，在為由鉻構(gòu)成的靶材24持續(xù)供電并持續(xù)低偏壓的條件下， 氬氣由氮氣代替。氮氣是一種活性氣體。在腔中燃燒的等離子內(nèi)，氮分子的N-N鍵斷裂。游 離的氮原子與鉻離子反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)物以氮化鉻的形式作為中間層15沉積在附著層14的 表面上。
[0040] 為了確保在由氮化鉻構(gòu)成的中間層15上很好地附著待形成的滑動層，下一個步 驟中在上述條件下通過離子轟擊進(jìn)行中間蝕刻。
[0041] 隨后沉積滑動層16。為了達(dá)到該目的，氮氣和氬氣進(jìn)入真空腔21而且由鉻構(gòu)成的 靶材24和由碳構(gòu)成的靶材25都開始運作。偏壓仍保持在低值。
[0042] 旋轉(zhuǎn)臺28以每分鐘20-40轉(zhuǎn)的速度快速旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)速是必要的，以此使得未在陶 瓷相17中作為碳氮化鉻鍵合的游離碳以離散的顆粒形式均勻分布地沉積在陶瓷相17中。 如果旋轉(zhuǎn)臺28慢速旋轉(zhuǎn)，會形成以多薄層疊的形式的層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)由陶瓷薄層和碳構(gòu) 成的薄層的依次排列構(gòu)成。由于由碳構(gòu)成的薄層僅能形成很微弱的化合力，因此這類薄層 疊是相對機(jī)械不穩(wěn)定的。
[0043] 由鉻構(gòu)成的靶材24的陰極電流與由碳構(gòu)成的靶材25的陰極電流的比例對于調(diào)整 按照本發(fā)明的總碳含量是決定性的。該比例為7至13,優(yōu)選8. 5至11. 5。
[0044] 陶瓷相17的組成基本上通過氮分壓來控制。高氮分壓會導(dǎo)致陶瓷相17中的高氮 含量。氮分壓與總壓力的比例應(yīng)為〇. 55至0. 75,優(yōu)選0. 6至0. 7。
[0045] 滑動層16的沉積也可以通過由氖氣代替氬氣進(jìn)行。氖氣比氬氣具有更小的原子 重量。這對于已知的"二次濺射"（"Resputtering"）效應(yīng)起到作用。"二次濺射"意味著 待沉積層在其形成期間持續(xù)受到惰性氣體離子的轟擊，這些惰性氣體離子再次蝕去層粒子 的一部分，特別是較不穩(wěn)固地結(jié)合的粒子。該濺射率現(xiàn)取決于惰性氣體粒子的重量。較輕 的氖離子具有相對于碳較高的濺射率和相對于鉻或碳氮化鉻較低的濺射率，而利用較重的 氬離子的這些濺射率的情況則相反。因此，以氖氣作為惰性氣體，可以與鉻或碳氮化鉻的二 次濺射相比提高碳的二次濺射并且以此減少嵌入的碳顆粒的數(shù)量份額。另外，嵌入的氖會 導(dǎo)致比嵌入的氬更小的內(nèi)應(yīng)力。
[0046] 在適宜的沉積條件下，滑動層16具有適當(dāng)?shù)膬?nèi)應(yīng)力而且因此可以以具有最大為 50 μm的厚度的層沉積。
[0047] 當(dāng)?shù)竭_(dá)所期望的層厚時，切斷電流、加熱以及氣體供應(yīng)，并且使真空腔21連同內(nèi) 容物冷卻。隨后可以打開該真空腔21并且可以取出已涂層的構(gòu)件10。
[0048] 如在通過電弧蒸發(fā)的PVD涂層中常見的，滑動層16的表面在沉積狀態(tài)下具有相對 較高的、不適于摩擦學(xué)應(yīng)用的粗糙度。因此須進(jìn)行最后的修整工序。該修整工序根據(jù)構(gòu)件 10的形狀通過磨削、珩磨、研磨、拋光或這些方法的組合而完成。重要的是得到具有高承重 比的光滑表面。
[0049] 隨后將詳細(xì)說明本發(fā)明的一個實施例。
[0050] 該實施例使用由氮化鋼構(gòu)成的、具有梯形橫截面的活塞環(huán)。這類活塞環(huán)及其制造 例如在WO 2005/121609A1中已知?；钊h(huán)在為其涂層前在含水的處理過程中小心地清潔 并干燥。隨后將活塞環(huán)設(shè)置成圓柱形堆垛，利用輔助設(shè)備固定并且作為轉(zhuǎn)軸30設(shè)置在旋轉(zhuǎn) 臺28的相應(yīng)位置上。
[0051] 該旋轉(zhuǎn)臺28進(jìn)入真空腔21中并隨后關(guān)閉真空腔。將真空腔21然后抽真空直至 最高0. 03Pa的最終壓力并完全加熱至420°C的溫度。這需要90至120分鐘的時間。如果 加熱溫度過低，排氣為不完全。如果加熱溫度過高，活塞環(huán)可能變形。
[0052] 在整個處理過程期間都保持該溫度。
[0053] 第一次離子蝕刻在偏壓為-900伏且氬氣壓為0.0 SPa條件下進(jìn)行。由鉻構(gòu)成的靶 材24在12分鐘的總時間內(nèi)間歇性地運作，即在總電流為90A條件下運行30秒，隨后為30 秒的間歇。相對低的陰極電流以及這些間歇用于避免活塞環(huán)的過度加熱。過度的加熱不僅 會導(dǎo)致活塞環(huán)變形還會引起近表面的邊緣區(qū)域脫氮化，脫氮化會降低后續(xù)由鉻構(gòu)成的附著 層14的附著。過高的偏壓也會過度地加熱活塞環(huán)。相反的，過低的偏壓不能產(chǎn)生令人滿意 的清潔效果。
[0054] 隨后，由鉻構(gòu)成的附著層14在2Pa的氬氣壓、-50伏的偏壓和480A的陰極電流條 件下沉積。在60分鐘內(nèi)形成厚度大約為1. 5 μπι的附著層14。
[0055] 在相同的條件下，只不過是在以2Pa的氮氣壓代替氬氣條件下，隨后形成由氮化 鉻構(gòu)成的中間層15。在90分鐘內(nèi)產(chǎn)生厚度大約為3 μπι的中間層15。該中間層15還另外 起到屏蔽擴(kuò)散的作用。如果滑動層16在由鉻構(gòu)成的金屬附著層14上直接沉積，那么碳會 向內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入鉻層。在邊界區(qū)域中會形成可能導(dǎo)致附著力問題的碳化鉻。由氮化鉻構(gòu)成的 中間層15阻止了這類擴(kuò)散并實現(xiàn)了涂覆在其上面的滑動層16的良好的、能夠機(jī)械負(fù)荷的 附著力。
[0056] 如果在與上述相同的條件下緊隨由氮化鉻構(gòu)成的中間層15的沉積進(jìn)行再次的離 子蝕刻，可實現(xiàn)對附著力的繼續(xù)改進(jìn)。僅松動地位于表面上并因此可能影響粘附的氮化鉻 顆粒通過該離子蝕刻去除。
[0057] 為了沉積滑動層16,除了由鉻構(gòu)成的靶材24外也投入運行由碳構(gòu)成的靶材25。調(diào) 整以下條件：
[0058]
【主權(quán)項】
1. 一種構(gòu)件（10)，所述構(gòu)件具有含鉻、氮和碳的涂層（13)，其特征在于，所述涂層（13) 具有包含陶瓷相（17)和非晶相（18)的滑動層（16)，所述陶瓷相（17)形成由Crx(CpyN y)構(gòu) 成的晶體陶瓷基片，其中〇. 8 < X < 1. 2且y > 0. 7,而且所述非晶相（18)由碳顆粒組成， 所述碳顆?；旧暇鶆蚍植嫉厍度朐谒鼍w陶瓷基片（17)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，對于由Crx (CpyNy)構(gòu)成的所述晶體陶瓷基 片（17)適用：0? 9彡X彡I. 1且y > 0? 8。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述碳顆粒具有小于IOnm的尺寸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的構(gòu)件，其特征在于，所述碳顆粒具有小于5nm的尺寸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)具有的總碳含量為3-15 原子％。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)具有的總碳含量為5-10 原子％。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)的厚度為1-50 ym。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)的維氏硬度為 2000-3000HV 0.05〇
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)的彈性模數(shù)為 200-300GPa〇
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述滑動層（16)具有小于I ym的平均 表面粗糙度Rz和/或材料率Rmr (02)為大于50 %和/或材料率Rmr (03)為大于80 %。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有由鑄鐵或鋼構(gòu)成的基體 (Il)0
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的構(gòu)件，其特征在于，所述基體（11)和所述滑動層（16)之間 涂覆有由金屬材料構(gòu)成的附著層（14)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的構(gòu)件，其特征在于，所述附著層（14)和所述滑動層（16)之 間涂覆有由金屬氮化物材料構(gòu)成的中間層（15)。
14. 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，即內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)。
15. -種用于為構(gòu)件（10)涂覆滑動層（16)的方法，其中，在真空腔（21)中至少一個構(gòu) 件（10)以能夠旋轉(zhuǎn)的方式裝在轉(zhuǎn)軸（30)上，所述轉(zhuǎn)軸設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺（28)上，其特征在于， 為了制造所述滑動層（16)以以下參數(shù)使用了具有電弧蒸發(fā)的PVD法： 材料來源：至少一個金屬祀材（24)和至少一個碳祀材（25)， 金屬靶材電流與碳靶材電流的比例：7至13， 在構(gòu)件（10)上的沉積溫度：350°C至450°C， 偏壓：〇至-100V， 真空腔中的壓力：2-4Pa， 真空腔中的氣氛：〇. 55至0. 75的氮分壓與總壓力的比的條件下的氮氣和惰性氣體， 所述旋轉(zhuǎn)臺（28)的轉(zhuǎn)速：每分鐘20-40轉(zhuǎn)， 至少一個所述轉(zhuǎn)軸（30)的轉(zhuǎn)速：在所述旋轉(zhuǎn)臺（28)每轉(zhuǎn)的時間內(nèi)5-7轉(zhuǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種構(gòu)件(10)，該構(gòu)件具有含鉻、氮和碳的涂層(13)，其特征在于，該涂層(13)具有含有陶瓷相(17)和非晶相(18)的滑動層(16)。按照本發(fā)明設(shè)置為：該陶瓷相(17)形成由Crx(C1-yNy)(0.8≤x≤1.2且y＞0.7)構(gòu)成的晶體陶瓷基片而且該非晶相(18)由基本上均勻分布地嵌入在晶體陶瓷基片(17)中的碳顆粒組成。
【IPC分類】C23C14-32, C23C30-00, C23C14-06
【公開號】CN104812928
【申請?zhí)枴緾N201380061318
【發(fā)明人】莫妮卡·萊納特, 庫爾特·邁爾
【申請人】馬勒國際公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2013年10月23日
【公告號】DE102012020757A1, EP2912206A1, US20150275120, WO2014063676A1