DE102017128727A1 - Layer system, component and method for coating - Google Patents

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Ladislaus Dobrenizki
Yashar Musayev
Moritz Wegener
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (1) umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht (3) und eine auf der Verschleißschutzschicht (3) angeordnete Deckschicht, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht (4) ausgebildet ist, die Kupfer (6, 7) und Kohlenstoff (5, 8) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Wälzlager (103) mit einem ersten Lagerring (104), der eine erste Laufbahn (109) aufweist, einem zweiten Lagerring (105), der eine zweite Laufbahn (108) aufweist und mit zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn (109, 108) abrollbar angeordneten Wälzkörpern (106), wobei auf der ersten Laufbahn (108) und/oder auf der zweiten Laufbahn (109) und/oder auf den Wälzkörpern (106) ein derartiges Schichtsystem (1) angeordnet ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten eines Lagerrings (104, 105) oder eines Wälzkörpers (106).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 cover layer is formed as a nanocomposite layer (4) containing copper (6, 7) and carbon (5, 8 ) having. Furthermore, the invention relates to a rolling bearing (103) having a first bearing ring (104) having a first raceway (109), a second bearing ring (105) having a second raceway (108) and with between the first and the second raceway (109, 108) arranged rolling elements (106), wherein on the first track (108) and / or on the second track (109) and / or on the rolling elements (106) such a layer system (1) is arranged. Another object of the invention is a method for coating a bearing ring (104, 105) or a rolling body (106).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring, der eine erste Laufbahn aufweist, einem zweiten Lagerring, der eine zweite Laufbahn aufweist und mit zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn abrollbar angeordneten Wälzkörpern, wobei auf der ersten Laufbahn und/oder auf der zweiten Laufbahn und/oder auf den Wälzkörpern ein Schichtsystem angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Lagerrings oder eines Wälzkörpers umfassend ein metallisches Substrat, wobei eine Verschleißschutzschicht zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.The invention relates to a layer system comprising at least one wear protection layer. Another object of the invention is a rolling bearing having a first bearing ring having a first raceway, a second bearing ring having a second raceway and rolling elements arranged to be rollable between the first and second raceways, wherein on the first raceway and / or on the second raceway and / or on the rolling elements a layer system is arranged. Furthermore, the invention relates to a method for coating a bearing ring or a rolling element comprising a metallic substrate, wherein a wear protection layer is at least partially deposited on a surface of the substrate.

Im Stand der Technik ist es bekannt, Wälzlagerkomponenten mit einer Beschichtung zu versehen, um die Verschleißbeständigkeit dieser Komponenten zu erhöhen. Beispielsweise offenbart die DE 10 2013 209 863 A1 ein Wälzlager mit Lagerringen bzw. mit Wälzkörpern, die eine Verschleißschutzschicht aus Chromnitrid aufweisen. Als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Verschleißschutzschichten aufgrund ihrer hohen Härte zu insbesondere bei Trockenlauf des Wälzlagers zu starkem Gegenkörperverschleiß führen können. Daher besteht bei Trockenlauf die Gefahr eines erhöhten Abriebs sowie stärkerer Geräuschemissionen.In the prior art, it is known to provide rolling bearing components with a coating in order to increase the wear resistance of these components. For example, the DE 10 2013 209 863 A1 a rolling bearing with bearing rings or with rolling elements, which have a wear protection layer of chromium nitride. However, it has proven to be disadvantageous that due to their high hardness, such wear protection layers can lead to severe counter-body wear, in particular during dry running of the rolling bearing. Therefore, in dry running there is a risk of increased abrasion and noise emissions.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen verbesserten Verschleißschutz beim Trockenlauf von Wälzlagern sowie geringere Geräuschemissionen zu ermöglichen.Against this background, the task is to provide improved wear protection during dry running of rolling bearings and lower noise emissions.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht und eine auf der Verschleißschutzschicht angeordnete Deckschicht, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist.The object is achieved by a layer system comprising at least one wear protection layer and a cover layer arranged on the wear protection layer, the cover layer being formed as a nanocomposite layer comprising copper and carbon.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring, der eine erste Laufbahn aufweist, einem zweiten Lagerring, der eine zweite Laufbahn aufweist und mit zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn abrollbar angeordneten Wälzkörpern, wobei auf der ersten Laufbahn und/oder auf der zweiten Laufbahn und/oder auf den Wälzkörpern ein Schichtsystem angeordnet ist, wobei das Schichtsystem mindestens eine Verschleißschutzschicht und eine auf der Verschleißschutzschicht angeordnete Deckschicht umfasst, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist.Furthermore, the object is achieved by a rolling bearing having a first bearing ring having a first raceway, a second bearing ring having a second raceway and rolling elements arranged to be rollable between the first and second raceways, wherein on the first raceway and / or on the second raceway and / or on the rolling elements, a layer system is arranged, wherein the layer system comprises at least one wear protection layer and disposed on the wear protection layer cover layer, wherein the cover layer is formed as a nanocomposite layer having copper and carbon.

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 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 disposed under 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. Die erfindungsgemäße Nanokompositschicht weist mindestens zwei Phasen auf, wobei eine erste Phase Kupfer und eine zweite Phase Kohlenstoff ist. Die Nanokompositschicht ist ferner eine Deckschicht, welche eine freie Oberfläche aufweist, die nicht durch eine andere Schicht abgedeckt ist.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. 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 nanocomposite layer is further a cover layer which has a free surface which is not covered by another layer.

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 einer vorteilhaften Ausgestaltung 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. According to an advantageous embodiment of 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 Cr 2 N) or a combination thereof.

Alternativ kann die Verschleißschutzschicht als chromnitridbasierte Schicht ausgebildet sein.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 □m bis 5,0 □m auf.Preferably, the wear protection layer has a layer thickness in the range of 2.0 □ m to 5.0 □ m.

Die Verschleißschutzschicht grenzt bevorzugt unmittelbar an die als Nanokompositschicht ausgebildete Deckschicht an. Das bedeutet, dass keine weiteren Schichten zwischen der Verschleißschutzschicht und der Nanokompositschicht vorhanden sind.The wear protection layer preferably directly adjoins the cover layer formed as a nanocomposite layer. This means that there are no further layers between the wear protection layer and the nanocomposite layer.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht eine Kohlenstoffmatrix und in der Kohlenstoffmatrix eingelagerte Kupferpartikel aufweist. Die Kohlenstoffmatrix kann beispielsweise als Graphitmatrix vorliegen, in welche die Kupferpartikel eingebunden sind. Alternativ kann die Kohlenstoffmatrix aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet sein, der auch als Diamond-like Carbon (DLC) bezeichnet wird.An advantageous embodiment provides that the nanocomposite layer has a carbon matrix and copper particles embedded in the carbon matrix. The carbon matrix can For example, be present as a graphite matrix, in which the copper particles are involved. Alternatively, the carbon matrix may be formed of amorphous carbon, also referred to as diamond-like carbon (DLC).

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Nanokompositschicht eine Kupfermatrix und in der Kupfermatrix eingelagerte Kohlenstoffpartikel aufweist. Die Kohlenstoffpartikel können als Graphitpartikel vorliegen, die in der Kupfermatrix eingebettet sind. Alternativ können die Kohlenstoffpartikel DLC sein.According to an alternative, advantageous embodiment, it is provided that the nanocomposite layer has a copper matrix and carbon particles embedded in the copper matrix. The carbon particles may be present as graphite particles embedded in the copper matrix. Alternatively, the carbon particles may be DLC.

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, besonders bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweisen.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, 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), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), 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 Schichtdicke im Bereich von 1,0 □m bis 10,0 □m, bevorzugt im Bereich von 0,5 □m bis 2,5 □m, aufweist.An advantageous embodiment provides that the nanocomposite layer has a layer thickness in the range from 1.0 μm to 10.0 μm, preferably in the range from 0.5 μm to 2.5 μm.

Bevorzugt weist das Schichtsystem eine Schichtdicke im Bereich 0,6 □m bis 21,0 □m, bevorzugt im Bereich 2,5 □m bis 8,5 Dm, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 □m bis 5,0 □m, 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 , on.

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 than 1500 HV. As a result, high wear protection of the friction partners can be achieved.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem eine Haftvermittlerschicht, die angrenzend an die Verschleißschutzschicht angeordnet ist. Durch die Haftvermittlerschicht kann die Haftung des Schichtsystems an einem Substrat, insbesondere einem metallischen Substrat, verbessert werden. Die Haftvermittlerschicht weist 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.According to an advantageous embodiment, the layer system comprises a bonding agent layer, which is arranged adjacent to the wear protection layer. The adhesion promoter layer can improve the adhesion of the layer system to a substrate, in particular a metallic substrate. The adhesion promoter layer has 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.

Die Lagerringe und/oder die Wälzkörper des Wälzlagers sind bevorzugt aus Stahl gebildet. Beispielsweise kann der Stahl als Stahl des Typs 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2, 34CrAlMo5-10 oder 42CrMo4 ausgebildet sein.The bearing rings and / or the rolling elements of the rolling bearing are preferably formed from steel. For example, the steel may be formed as 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2, 34CrAlMo5-10 or 42CrMo4 steel.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schichtsystem, insbesondere die Verschleißschutzschicht und die Nanokompositschicht, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. physical vapour deposition, PVD) ausgebildet ist.It is preferably provided that the layer system, in particular the wear protection layer and the nanocomposite layer, is formed by means of physical vapor deposition (PVD).

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Beschichten eines Lagerrings oder eines Wälzkörpers umfassend ein metallisches Substrat vorgeschlagen, wobei eine Verschleißschutzschicht zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, und auf die Verschleißschutzschicht eine Deckschicht, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist.To solve the object mentioned above, a method for coating a bearing ring or a rolling element comprising a metallic substrate is further proposed, wherein a wear protection layer is deposited at least partially on a surface of the substrate, in particular by means of physical vapor deposition, and on the wear protection layer, a cover layer, in particular by physical vapor deposition, wherein the cover layer is formed as a nanocomposite layer comprising copper and carbon.

Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem beschrieben worden sind.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 Gasphasenabscheidung direkt auf dem Substrat abgeschieden werden. Die 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.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 can optionally be deposited directly on the substrate by means of physical vapor deposition. The primer 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 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.To form the adhesion promoter layer and / or the wear protection layer and / or the nanocomposite layer, the component can be mounted on a Component holder can be arranged, which is rotated in a vacuum chamber about a 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 wear protection layer, and a third target for forming 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) 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.Alternatively, to form the adhesion promoter layer, the wear protection layer and / or the nanocomposite layer, a continuous flow system (PVD in-line) 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.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung; und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer schematischen Schnittdarstellung.
Further details and advantages of the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings. Hereby shows:
  • 1 a first embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view;
  • 2 a second embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view;
  • 3 a third embodiment of a component with a layer system according to the invention in a schematic sectional view; and
  • 4 An embodiment of a rolling bearing according to the invention in a schematic sectional view.

In der 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, 31CrMoV9, 80Cr2 oder 42CrMo4. Auf dem Substrat 11 ist zumindest partiell eine Haftvermittlerschicht 2 mit der Schichtdicke d1 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 der Haftvermittlerschicht 2 angrenzenden Verschleißschutzschicht 3 gebildet. Die Schichtdicke d1 der Haftvermittlerschicht 2 liegt im Bereich von 0,01 □m bis 1,0 □m.In the 1 is a first embodiment of a component 10 which shows a layer system according to the invention 1 has, whose layers 2 . 3 . 4 have been formed by physical vapor deposition. The substrate 11 of the component 10 is made of a steel such as 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 or 42CrMo4 steel. On the substrate 11 is at least partially a primer layer 2 with the layer thickness d1 deposited. The primer layer 2 is preferably made of chromium and / or titanium. About the directly on the substrate 11 adjacent adhesive layer 2 is a material connection to the also on the adhesive layer 2 adjacent wear protection layer 3 educated. The layer thickness d1 the adhesion promoter layer 2 is in the range of 0.01 □ m to 1.0 □ m.

Die Verschleißschutzschicht ist 3 aus stöchiometrischem oder nicht 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 der d2 der Verschleißschutzschicht 3 liegt im Bereich von 2,0 □m bis 5,0 □m.The wear protection layer is formed of stoichiometric or non-stoichiometric chromium nitride, or a combination thereof, and has a high hardness such that the underlying substrate 11 is very well protected against wear. The layer thickness of d2 the wear protection layer 3 is in the range of 2.0 □ m to 5.0 □ m.

Auf der Verschleißschutzschicht 3 ist, unmittelbar an die Verschleißschutzschicht 3 angrenzend, eine Nanokompositschicht abgeschieden, die als Kupfer-Kohlenstoff-Nanokomposit 4 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 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 Kohlenstoffmatrix 5 und in der Kohlenstoffmatrix 5 eingelagerte Kupferpartikel 6 auf. Die Korngröße dieser Kupferpartikel 6 liegt im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm. Die Kohlenstoffmatrix 5 ist aus Kohlenstoff ausgebildet. Die Schichtdicke der d3 der Nanokompositschicht 4 liegt im Bereich von 0,1 □m bis 10,0 □m, bevorzugt im Bereich von 0,5 □m bis 2,5 □m.On the wear protection layer 3 is, directly to the wear protection layer 3 adjacent, a nanocomposite layer deposited as a copper-carbon nanocomposite 4 is trained. The nanocomposite layer 4 is designed essentially two-phase. This means that the nanocomposite layer 4 contains only minor proportions of other elements in addition to the main components copper and carbon, 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 a carbon matrix 5 and in the carbon matrix 5 embedded copper particles 6 on. The grain size of these copper particles 6 is in the range less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm. The carbon matrix 5 is made of carbon. The layer thickness of d3 the nanocomposite layer 4 is in the range of 0.1 □ m to 10.0 □ m, preferably in the range of 0.5 □ m to 2.5 □ m.

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 one with the respective friction partner of the component 10 cooperating cover layer, which improves the tribological behavior, in particular reduces wear.

In der 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 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 Nanokompositschicht 4 eine Kupfermatrix 7 und in der Kupfermatrix 7 eingelagerte Kohlenstoffpartikel 8 auf. Die Kohlenstoffpartikel 8 haben eine Korngröße im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm.In the 2 is a second embodiment of a component 10 shown that a layer system according to the invention 1 having. The layer system according to the second embodiment substantially has the features of the 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 nanocomposite layer 4 a copper matrix 7 and in the copper matrix 7 embedded carbon particles 8th on. The carbon particles 8th have a particle size in the range of less than 100 nm, preferably between 10 nm and 70 nm.

Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 mit einem 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 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 beiden Schichten 3, 4 vorgesehen.The 3 shows a third embodiment of a component 10 with a layer system 1 according to the invention. In contrast to the shift system 1 according to the first embodiment, the layer system 1 according to the third embodiment, no adhesive layer on. The wear protection layer 3 this layer system 1 is immediately adjacent to the substrate 11 deposited. In this respect, the wear protection layer is adjacent 3 both on the substrate 11 as well as at the nanocomposite layer 4 and is between these two layers 3 . 4 intended.

In der 4 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine Lageranordnung 100 mit einem Wälzlager 103 gezeigt. Die Lageranordnung 100 kann beispielsweise Teil eines elektrischen Antriebs sein. Das Wälzlager 103 weist einen als Außenring ausgebildeten ersten Lagerring 104 auf, der drehfest mit einem Gehäuse 102 der Lageranordnung 100 verbunden ist. Insofern weist die Lageranordnung 100 einen feststehenden ersten Lagerring 104 auf. Gegenüber dem ersten Lagerring 104 drehbar ist ein zweiter Lagerring 105 vorgesehen. Der zweite Lagerring 105 ist ein Innenring des Wälzlagers 103. Zwischen dem ersten Lagerring 104 und dem zweiten Lagerring 105 sind mehrere Wälzkörper 106 angeordnet, die auf einer ersten Laufbahn 109 des ersten Lagerrings 104 und einer zweiten Laufbahn 108 des zweiten Lagerrings 105 abrollbar angeordnet sind. Um die Wälzkörper 106 in einem vorgegebenen Abstand zueinander zu halten, kann das Wälzlager 103 - wie in 4 dargestellt - ferner einen Käfig 107 aufweisen.In the 4 is a schematic sectional view through a bearing assembly 100 with a rolling bearing 103 shown. The bearing arrangement 100 may be part of an electric drive, for example. The rolling bearing 103 has a formed as an outer ring first bearing ring 104 on, the rotation with a housing 102 the bearing arrangement 100 connected is. In this respect, the bearing arrangement 100 a fixed first bearing ring 104 on. Opposite the first bearing ring 104 rotatable is a second bearing ring 105 intended. The second bearing ring 105 is an inner ring of the rolling bearing 103 , Between the first bearing ring 104 and the second bearing ring 105 are several rolling elements 106 arranged on a first career track 109 of the first bearing ring 104 and a second career 108 of the second bearing ring 105 are arranged rollable. To the rolling elements 106 to keep at a predetermined distance from each other, the rolling bearing 103 - as in 4 shown - also a cage 107 exhibit.

Um einen verbesserten Verschleißschutz beim Trockenlauf des Wälzlagers 103 sowie geringere Geräuschemissionen zu ermöglichen, ist auf der ersten Laufbahn 109 und/oder auf der zweiten Laufbahn 108 und/oder auf den Wälzkörpern 106 ein Schichtsystem 1 angeordnet, wie es vorstehend anhand der Darstellungen in den 1, 2 und 3 erläutert worden ist. Das Schichtsystem 1 umfasst mindestens eine Verschleißschutzschicht 3 und eine auf der Verschleißschutzschicht 3 angeordnete Deckschicht 4, die als Nanokompositschicht ausgebildet ist, welche Kupfer 6, 7 und Kohlenstoff 5, 8 aufweist. Besonders bevorzugt ist auf der ersten Laufbahn 109 und/oder auf der zweiten Laufbahn 108 und/oder auf den Wälzkörpern 106 ein identisches Schichtsystem 1 angeordnet.For improved wear protection during dry running of the rolling bearing 103 and to enable lower noise emissions is on the first runway 109 and / or on the second career 108 and / or on the rolling elements 106 a shift system 1 arranged as described above with reference to the representations in the 1 . 2 and 3 has been explained. The shift system 1 includes at least one wear protection layer 3 and one on the wear-resistant layer 3 arranged cover layer 4 , which is formed as a nanocomposite layer, which copper 6 . 7 and carbon 5 . 8th having. Particularly preferred is on the first career 109 and / or on the second career 108 and / or on the rolling elements 106 an identical layer system 1 arranged.

Die Lagerringe 104, 105 bzw. Wälzkörper 106 werden mit einem Beschichtungsverfahren beschichtet, bei welchem auf eine Oberfläche des Substrats 11 des Lagerrings 104, 105 - insbesondere der Laufbahn 109, 108 - bzw. des Wälzkörpers 106 eine Verschleißschutzschicht 3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird. Auf die Verschleißschutzschicht 3 wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Deckschicht abgeschieden, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht 4 ausgebildet ist, die Kupfer 6, 7 und Kohlenstoff 5, 8 aufweist. Optional kann in einem Zwischenschritt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung zunächst eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat 11 aufgebracht werden bevor die Verschleißschutzschicht 3 abgeschieden wird.The bearing rings 104 . 105 or rolling elements 106 are coated with a coating process in which a surface of the substrate 11 of the bearing ring 104 . 105 - especially the career 109 . 108 - Or the rolling element 106 a wear protection layer 3 is deposited by physical vapor deposition. On the wear protection layer 3 is deposited by means of physical vapor deposition in a subsequent process step, a cover layer, wherein the cover layer as a nanocomposite layer 4 is formed, the copper 6 . 7 and carbon 5 . 8th having. Optionally, in an intermediate step by means of physical vapor deposition, first of all an adhesion promoter layer is applied to the substrate 11 be applied before the wear protection layer 3 is deposited.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Schichtsystemlayer system
22
HaftvermittlerschichtBonding layer
33
VerschleißschutzschichtWear protection layer
44
Deckschicht, NanokompositschichtCover layer, nanocomposite layer
55
KohlenstoffmatrixCarbon matrix
66
Kupferpartikelcopper particles
77
Kupfermatrixcopper matrix
88th
Kohlenstoffpartikel Carbon particles
1010
Bauteilcomponent
1111
Substrat substratum
100100
Lageranordnungbearing arrangement
102102
Gehäusecasing
103103
Wälzlagerroller bearing
104104
Lagerringbearing ring
105105
Lagerringbearing ring
106106
Wälzkörperrolling elements
107107
KäfigCage
108108
Laufbahncareer
109109
Laufbahn career
DD
Schichtdicke des SchichtsystemsLayer thickness of the layer system
d1 d 1
Schichtdicke der HaftvermittlerschichtLayer thickness of the adhesion promoter layer
d2 d 2
Schichtdicke der VerschleißschutzschichtLayer thickness of the wear protection layer
d3 d 3
Schichtdicke der NanokompositschichtLayer thickness of the nanocomposite layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013209863 A1 [0002]DE 102013209863 A1 [0002]

Claims (11)

Schichtsystem (1) umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht (3) und eine auf der Verschleißschutzschicht (3) angeordnete Deckschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht als Nanokompositschicht (4) ausgebildet ist, die Kupfer (6, 7) und Kohlenstoff (5, 8) aufweist.Layer system (1) comprising at least one wear protection layer (3) and a cover layer arranged on the wear protection layer (3), characterized in that the cover layer is formed as a nanocomposite layer (4) comprising copper (6, 7) and carbon (5, 8) having. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (3) als nitridische Hartstoffschicht, insbesondere als eine stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine nicht stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine Kombination von beiden, ausgebildet ist.Layer system after Claim 1 , characterized in that the wear protection layer (3) is formed as a nitridic hard material layer, in particular as a stoichiometric chromium nitride layer or a non-stoichiometric chromium nitride layer or a combination of both. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (3) einen Stickstoffgehalt aufweist, der kleiner 60 Atom-% ist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the wear protection layer (3) has a nitrogen content which is less than 60 atomic%. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Kohlenstoffmatrix (5) und in der Kohlenstoffmatrix (5) eingelagerte Kupferpartikel (6) aufweist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanocomposite layer (4) has a carbon matrix (5) and copper particles (6) embedded in the carbon matrix (5). Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Kupfermatrix (7) und in der Kupfermatrix (7) eingelagerte Kohlenstoffpartikel (8) aufweist.Layer system according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the nanocomposite layer (4) has a copper matrix (7) and carbon particles (8) embedded in the copper matrix (7). Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) Sauerstoff aufweist, wobei der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 30 Atom-%, bevorzugt kleiner als 20 Atom-% ist, und/oder dass die Nanokompositschicht (4) Stickstoff aufweist, wobei der Gehalt an Stickstoff kleiner als 10 Atom-%, bevorzugt kleiner als 5 Atom-% ist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanocomposite layer (4) comprises oxygen, wherein the content of oxygen is less than 30 atom%, preferably less than 20 atom%, and / or that the nanocomposite layer (4) nitrogen wherein the content of nitrogen is less than 10 atomic%, preferably less than 5 atomic%. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokompositschicht (4) eine Schichtdicke (d3) im Bereich von 0,1 □m bis 10 □m, bevorzugt im Bereich von 0,5 □m bis 2,5 □m, aufweist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanocomposite layer (4) has a layer thickness (d 3 ) in the range of 0.1 □ m to 10 □ m, preferably in the range of 0.5 □ m to 2.5 □ m , having. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1) eine Schichtdicke (D) im Bereich 0,6 □m bis 21,0 □m, bevorzugt im Bereich 2,5 □m bis 8,5 □m, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 □m bis 5,0 □m, aufweist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the layer system (1) has a layer thickness (D) in the range 0.6 □ m to 21.0 □ m, preferably in the range 2.5 □ m to 8.5 □ m, particularly preferably in the range from 3.0 □ m to 5.0 □ m. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1) eine Haftvermittlerschicht (2), insbesondere aufweisend Chrom und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination davon umfasst, die angrenzend an die Verschleißschutzschicht (3) angeordnet ist.Layer system according to one of the preceding claims, characterized in that the layer system (1) comprises a primer layer (2), in particular comprising chromium and / or titanium and / or aluminum and / or niobium and / or vanadium and / or molybdenum or a combination thereof which is disposed adjacent to the wear-resistant layer (3). Wälzlager (103) mit einem ersten Lagerring (104), der eine erste Laufbahn (109) aufweist, einem zweiten Lagerring (105), der eine zweite Laufbahn (108) aufweist und mit zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn (109, 108) abrollbar angeordneten Wälzkörpern (106), wobei auf der ersten Laufbahn (108) und/oder auf der zweiten Laufbahn (109) und/oder auf den Wälzkörpern (106) ein Schichtsystem (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (1) mindestens eine Verschleißschutzschicht (3) und eine auf der Verschleißschutzschicht (3) angeordnete Deckschicht umfasst, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht (4) ausgebildet ist, die Kupfer (6, 7) und Kohlenstoff (5, 8) aufweist.Rolling bearing (103) having a first bearing ring (104) having a first raceway (109), a second bearing ring (105) having a second raceway (108) and having between the first and the second raceway (109, 108) Rolling bodies (106) arranged roll-off, wherein a layer system (1) is arranged on the first raceway (108) and / or on the second raceway (109) and / or on the rolling bodies (106), characterized in that the layer system (1 ) comprises at least one wear protection layer (3) and a cover layer arranged on the wear protection layer (3), wherein the cover layer is formed as a nanocomposite layer (4) comprising copper (6, 7) and carbon (5, 8). Verfahren zum Beschichten eines Lagerrings (104, 105) oder eines Wälzkörpers (106) umfassend ein metallisches Substrat (11), wobei eine Verschleißschutzschicht (3) zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats (11), insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, und auf die Verschleißschutzschicht (3) eine Deckschicht, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht (4) ausgebildet ist, die Kupfer (6, 7) und Kohlenstoff (5, 8) aufweist.Method for coating a bearing ring (104, 105) or a rolling element (106) comprising a metallic substrate (11), wherein a wear protection layer (3) is deposited at least partially on a surface of the substrate (11), in particular by means of physical vapor deposition, and a covering layer, in particular by means of physical vapor deposition, is deposited on the wear protection layer (3), the covering layer being formed as a nanocomposite layer (4) comprising copper (6, 7) and carbon (5, 8).
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