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用于具有摩擦負(fù)荷的高溫應(yīng)用的涂層的制作方法與工藝

文檔序號:11965964閱讀:316來源:國知局
用于具有摩擦負(fù)荷的高溫應(yīng)用的涂層的制作方法與工藝
用于具有摩擦負(fù)荷的高溫應(yīng)用的涂層本發(fā)明涉及用于曝露在高溫應(yīng)用中的部件、構(gòu)件和工具的磨損保護(hù)涂層。部件,構(gòu)件和工具下面統(tǒng)稱為基材。發(fā)明目的高溫下的應(yīng)用在機械、結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性方面對構(gòu)件、部件和工具的表面功能提出了極端的要求。為了保證長期穩(wěn)定的表面功能并由此確保工業(yè)過程生產(chǎn)效率,本發(fā)明提供了用于構(gòu)件、活動部件和造型工具及切削工具的硬質(zhì)材料層體系,這種硬質(zhì)材料層體系以令人滿意的方式改善了在不同的工業(yè)應(yīng)用時因明顯提高的熱負(fù)荷(也就是說,高于400℃的溫度,下面稱為高溫應(yīng)用)而造成的部件和工具的磨損。這種高溫穩(wěn)定的硬質(zhì)材料層體系的基本性質(zhì)如下:1)足夠的磨蝕-磨損保護(hù),2)足夠的粘附-磨損保護(hù),3)足夠的層粘附和4)足夠的溫度穩(wěn)定性(相穩(wěn)定性和耐氧化性)。發(fā)明描述根據(jù)本發(fā)明,提出了包含多層片層體系作為基底的涂層體系。在該多層片層體系上提供具有至少一個層片的頂部-潤滑層體系。該頂部-潤滑層體系對外隔絕該涂層體系。該頂部-潤滑層體系含有鉬作為主要成分,并且根據(jù)占優(yōu)勢的高溫-摩擦接觸和由此而產(chǎn)生的表面的機械和化學(xué)負(fù)荷可具有相匹配的構(gòu)造(Archtechtur)/微結(jié)構(gòu)以及相匹配的組成。下面將給出優(yōu)選的構(gòu)造/微結(jié)構(gòu)和組成的詳細(xì)說明。簡化地,在下文中也將頂部-潤滑層體系稱作頂部-潤滑層。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的涂層圖2示出根據(jù)本發(fā)明涂層的截面(納米層片)圖3示出根據(jù)本發(fā)明涂層的截面(納米層片)該頂部-潤滑層的構(gòu)造能夠通過i)單層結(jié)構(gòu),ii)雙層結(jié)構(gòu),iii)多層結(jié)構(gòu)或iv)納米層壓結(jié)構(gòu)來表征,其中在ii-iv)的情況中,微結(jié)構(gòu)或化學(xué)反應(yīng)歷程被該結(jié)構(gòu)改變。但是,把微結(jié)構(gòu)和/或組成分等級在i-iv)的所有情況中是可能的和合適的,以確保對于各自的應(yīng)用而言與所需的機械性能協(xié)調(diào)一致的潤滑性能。原則上,在所有情況中,所述層是納米級性質(zhì)的。該頂部-潤滑層的化學(xué)組成通常如下表征:Moa-Xb-Yc,其中a、b和c給出各成份的原子濃度,且a+b+c=1,鉬被認(rèn)為是主要成份,也就是說,0≤b<a和0≤c<a,其中X為可變的金屬成份:B、Si、V、W、Zr、Cu和Ag或它們的組合,其中Y為可變的非金屬成份:C、O和N或它們的組合。特別優(yōu)選地,在高于500度的高溫應(yīng)用下,頂部-潤滑層具有下列組成:Mo和/或Mo-CuMo-N和或/Mo-Cu-NMo-O-N和/或Mo-Cu-O-NMo-Si-B和/或Mo-Si-B-NMo-Si-B-O-N該頂部-潤滑層優(yōu)選包含至少95原子%的鉬。該頂部-潤滑層特別優(yōu)選不含鋁。該頂部-潤滑層的層厚度優(yōu)選在0.25-1.5微米之間,特別優(yōu)選在0.5-1.0微米之間。優(yōu)選地,對于某一高溫應(yīng)用(溫度、摩擦接觸、環(huán)境氣氛和時間長短)評定由頂部-潤滑層和位于其下的層體系構(gòu)成的合適的對。在下文中意在說明例如Mo-X-Y頂部-潤滑層與位于其下的多層片層體系的相互作用??紤]在不同的高溫應(yīng)用場合下的機械、結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性,頂部潤滑層與位于其下的多層片層體系組合的作用機理也許能夠描述如下:僅在摩擦接觸的起始階段通過在高溫下連續(xù)耗盡該頂部-潤滑層,形成固體潤滑相(主要是金屬氧化物)使用該頂部-潤滑層,并由此優(yōu)化摩擦磨合性能(也就是說調(diào)節(jié)進(jìn)一步的進(jìn)程的起始摩擦接觸),而位于其下的多層片層體系(在通過頂部-潤滑層實現(xiàn)表面調(diào)節(jié)后)負(fù)責(zé)長時間和高溫穩(wěn)定地維持(磨蝕和粘附的)磨損保護(hù)??烧J(rèn)為,在自大約400℃起的溫度下開始頂部-潤滑層的氧化(取決于確切的微結(jié)構(gòu)和組成)。含于頂部潤滑層中的金屬,如B、V、W、Zr、Cu、Ag和Mo的氧化能夠?qū)е滦纬伤^的″Magneli相″。眾所周知,這種Magneli相具有極好的潤滑性能(固體潤滑)。相反,位于其下的多層片層體系由于其與該層層片化學(xué)反應(yīng)歷程協(xié)調(diào)一致的構(gòu)造不僅提供了所需的機械、結(jié)構(gòu)和化學(xué)的高溫穩(wěn)定性,而且在最高1000℃的高溫下,在穩(wěn)定的長期使用中提供了值得追求的和在這種情況中可控的固體潤滑相(主要是金屬氧化物;可導(dǎo)致形成所謂的″Magneli相″的形成。根據(jù)本發(fā)明,該多層片層體系至少包括一個高溫穩(wěn)定化的層(HT-層)。這樣的層例如可有相應(yīng)于(Me1、Me2、Mo)N的組成。在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案中,該多層片層體系含有至少兩個層組(Schichtpaket),在該層組中隨增加的基材間距在HT-層之后是潤滑活性層。潤滑活性層可相應(yīng)于HT-層構(gòu)成,但具有升高的鉬比例。與此相應(yīng)地,貧鉬層形成了HT-層,而富鉬層可形成潤滑活性層。優(yōu)選地,富鉬層中的最大鉬濃度超過相鄰貧鉬層的最小鉬濃度至少10原子%,特別優(yōu)選至少20原子%。交替層體系的富鉬層例如可借助PVD-方法使用單組分材料源(靶)或借助PVD-方法使用多組分材料源沉積。為了進(jìn)一步改善潤滑作用,交替層體系的富鉬層能夠包含由C、O、B、Si、V、W、Zr、Cu和Ag構(gòu)成的組中的一種或多種其它的元素。為了進(jìn)一步改善高溫穩(wěn)定性,例如通過機械和化學(xué)性質(zhì)的改善,交替層體系的貧鉬層可包含由B、Si、Si、W和Zr構(gòu)成的組中的一種或多種其它的元素和它們的混合物。根據(jù)本發(fā)明,在該多層片層體系上布置上述的頂部-潤滑層。根據(jù)本發(fā)明的基材,也就是說用根據(jù)本發(fā)明的涂層體系涂覆過的基材可有利地在應(yīng)用中產(chǎn)生高溫和產(chǎn)生摩擦負(fù)荷的所有領(lǐng)域使用。例如,在直接加壓淬火時,就是這樣的情況。作為實例在此可提及:○AlSi-涂覆的22MnB5USSH-片的直接加壓淬火○未涂覆的22MnB5USSH-片的直接加壓淬火其它的應(yīng)用實例是○高硬金屬片的鍛壓○特別是高硬鈦-和鎳合金的切削加工和成形○內(nèi)燃機中和渦輪壓縮機領(lǐng)域中的構(gòu)件和活動部件○鋁-和鎂壓鑄○特別是高硬塑料或鋁的注塑和擠出根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例,在加壓淬火模具上施加2微米厚的(Ti0.5Al0.5)N層。隨后接著是5個層組,其中每個層組包含一個0.5微米厚的(Ti0.3Al0.3Mo0.4)N層,在其后是0.5微米厚的(Ti0.5Al0.5)N層。一個0.5微米厚的(Ti0.3Al0.3Mo0.4)N層構(gòu)成該多層片層體系的終端。與此相反,整個層體系被作為頂部-潤滑層的0.5微米厚的Mo0.95-Si0.03B0.02封閉。在該具體的情況中,作為合適的頂部-潤滑層,MoN和Mo0.95Cu0.05N也具有特別重要的意義。根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例,在加壓淬火模具上施加2微米厚的(Al0.65Cr0.25Si0.05)N層,其中Si任選地也能略去。隨后接著是5個層組,其中每個層組包含一個0.5微米厚的(Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N層,在其后是0.5微米厚的(Al0.7Cr0.3)N層。一個0.5微米厚的(Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N層構(gòu)成該多層片層體系的終端。與此相反,整個層體系被作為頂部-潤滑層的0.5微米厚的MoN層封閉。此外,優(yōu)選具有一方面包含Al和B和IV和V副族元素的化合物(C和/或N和/或O)和另一方面包含Mo-化合物(C和/或B和/或N和/或O)的多層片層體系和具有頂部-潤滑層的涂層,該頂部-潤滑層包含具有Mo作為主要成分的Mo化合物并且其厚度等于大于、優(yōu)選比多層中的含鉬層的厚度厚。具有上述多層片層體系的涂層是特別優(yōu)選的,在該體系中在金屬的總份額中鉬的整體份額<50原子%。進(jìn)一步的試驗產(chǎn)生本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方式的下列特征:-潤滑活性層(TiAlMoN)應(yīng)該有利地具有20-60原子%,優(yōu)選25-35原子%,特別優(yōu)選30原子%的鉬含量(平均值;在10千伏下用EDX測量時)。-也可通過潤滑活性層的構(gòu)造(納米層-結(jié)構(gòu))控制(平均)鉬含量(見下圖)。使用2靶-型號(Mo和TiAl),技術(shù)上其可通過i)改變轉(zhuǎn)動速度和/或通過ii)改變所有同時運行的靶的靶參數(shù)來實現(xiàn)。-在TiAlMoN(納米層中的淺色層)中富MoN層的厚度可以在10-60納米之間,優(yōu)選在20-50納米之間,特別優(yōu)選在30-40納米之間變化。TiAlMoN中富MoN層的最佳厚度似乎在約40納米處。-潤滑活性層(TiAlMoN)中約30原子%的Mo含量可在約800-900℃的溫度下非常有利地推動表面氧化(未不利影響整個層結(jié)構(gòu)),由此始終提供足夠的(氧化物)潤滑劑,以阻止長期使用時AlSi潤滑耗盡(Aufschmieren)。這已為接近應(yīng)用的實驗(例如用連續(xù)交替的Usibor-片的HT-SRV-實驗,其中始終測試同一層)所證實。下列的事實也是非常有利的,即在潤滑層(TiAlMoN)中的Mo-含量在20-40原子%的范圍變化的情況下,整個層的機械性質(zhì)(硬度、E-模量、粘附)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)(相組成)以及氧化性質(zhì)(氧化物層在800℃在環(huán)境氣氛中生長1小時)并未顯著地改變。這使得有針對性地優(yōu)化就耐磨蝕-和粘附-磨損而言的各種應(yīng)用的構(gòu)造和組成成為可能。
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