JP5669390B2 - 耐摩耗性コーティングならびにこのための製造法 - Google Patents

Description

本発明はトライボロジーの分野にあり、かつ摩擦損失および摩耗を低減させるための機械部材のコーティングを扱う。基本的に本発明は、摩擦による摩耗にさらされている非常に様々の機械部材に適用可能である。しかしながら、とりわけ有利な例として内燃機関の部材における使用、殊にバルブ装置部品、例えばバケットタペットにおける使用が引き合いに出される。しかしながら、工業的な使用における適用、例えば転がり軸受およびリニア軸受(Linearfuehrungen)における適用も同様に考えられうる。

基本的にこのような部品への要求は、機械的負荷、運動速度および可使時間が増すことによって一段と高まる。その際、より一層少ない保全管理が前提とされる。相応する潤滑剤は、環境に負担をかけない要求が増していることから、使用される添加剤は一段と少なくなっており、かつ部分的には低粘性の潤滑剤でかまたはそれどころか潤滑剤なしに運転される傾向にある。

液体潤滑の接触領域のみならず、乾燥した接触領域および接触領域における低い摩擦力および付着性への相応する要求、低い付着力、高い耐摩耗性および同時に衝突荷重に対する強靱性および***に対する耐性への相応する要求は、慣例のコーティングによってはもはや満たされない。

部分的に、要求の一つ一つは、例えば硬度または僅かな摩擦抵抗といった、特定の方法で性質を持たされたコーティングによって満たされうるが、しかしながらトライボロジー系のその他の特性が決まって害を被る。

これが内燃機関におけるバルブ装置を例にとっているのはとりわけ明らかであり、その際、殊にカムタペット装置に着目される。

例えばこのようなカムタペット装置は、クランク軸の回転をともなう段階においてかまたはこれに同期して開閉する吸気バルブおよび排気バルブを有する往復ピストンを備えた自動車エンジン中に装着されている。バルブ駆動機構は、カム軸がエンジンのクランク軸と一緒に回転する時に、カム軸に取り付けられたカムの動きをバルブに伝達するために使用される。その際、カム軸のカムは、組み込まれたバケットタペットの摺動面と摩擦接触する。

一般的にこのようなバルブ装置部品、例えばバケットタペットおよびポンプタペットに課される要求は増している。高められた耐摩耗性が必要とされる原因は、制御カムおよび制御タペットから成るトライボロジー系の一層高まりつつある負荷および応力にある。この原因は、新しいエンジン仕様、例えばガソリンシステムおよび直接噴射式ディーゼルエンジンシステムにあり、増え続ける噴射圧力、潤滑剤中での研磨粒子の割合の増大、摩擦相手の不十分なオイル供給（この結果、混合摩擦の割合が高まる）、およびコスト削減および軽量化のためのトライボロジー的に不利なスチールカムの使用の増大をともなう。資源保全に重要に寄与するのは、バルブ装置中での摩擦損失の減少であり、その結果、燃料が節約され、同時にバルブ装置全体の寿命が高まる。摩擦損失を効果的に減少させるために、摩擦トルクを広範囲の回転数にわたって下げる必要がある。

内燃機関のバルブ制御用のこのようなバケットタペットを軽合金タペットとして形成することは公知であり、該タペットは、タペットボディーおよびバルブ制御装置の制御カムのための接触面に挿入された、硬化表面を有するスチールプレートを有する。

しかしながら、この試みの欠点として、このようなバケットタペットは、運転事例においてコールドスタート時の−３０℃から燃焼機関の運転中の約１３０℃までの比較的大きい温度変動にさらされるという事実が明らかになった。その際に問題なのは、使用される材料の種々の熱膨張である。たしかに、挿入物として軽合金タペットに挿入されたスチールプレートは良好な摩耗特性を有するが、しかしながら、それは相応する熱負荷に際して剥離する傾向にある。従って熱負荷容量は制限されている。応用技術的な他の一欠点は、バルブ制御装置の制御カムが接触する機能面としての、もしくはカム接触面としての比較的幅広いエッジの形をした構造スペースが失われることである。

従来技術によれば、摩擦による摩耗にさらされる機械部材の摺動面に、適用事例に応じて、有利には電気めっきされた金属から成る、または溶射法において施与された、場合によっては硬質組成物を有する金属および／または金属合金から成る摩耗保護層を設けることが同様に公知である。

しかしながら、この場合、溶射された金属層は比較的弱い強度を有するという事実が欠点として明らかとなり、それゆえ該強度の改善のために、金属層を、例えばプラズマ光線、レーザー光線、電子線によるまたはアークによる施与後に、該噴射材料がその際に同時に表面領域中で溶融されたベース材料と溶融して混ざり合いかつ合金が形成されるように溶融することが公知である。それに加えて良好なトライボロジー特性を持たせるために、溶射された、ひいてはきめの粗いコーティングが機械的に後加工されなければならない。しかしながら、溶融合金の場合、ベース材料と同様に層材料も多数を占めうる種々の組成の不均一な帯域が生じる。ベース材料の割合が高すぎると、その時、層の摩耗は高くなりすぎ、かつベース材料の割合が低いと、種々の層の組み合わせに際して、マクロの亀裂が形成されるおそれがあり、その結果、そのような層は使用可能ではなくなる。このような場合、摩擦負荷により不所望の粘着摩耗が層で引き起こされうる。

そのうえ、バケットタペットの摺動面を熱プロセスによって浸炭窒化および／または軟窒化することが公知である。しかしながら、その際、満足のいく摩擦係数は達成されず、かつ低すぎる耐摩耗性が生じることが欠点として明らかとなった。

それ以外に、タペットの摺動面をリン酸マンガン層またはスライドコート(Gleitklack)によりコーティングすることが公知である。この場合も満足のいく摩擦係数と耐摩耗性は達成されない。加えて、このような材料によって環境に余計な負荷がかけられる。同じことは、同様に摺動面に施与されうる電気めっき層にも当てはまる。

従来技術から、コーティング材料として硬質合金および高速度鋼（ＡＳＰ ２３）も公知であるが、しかしながら、それらは満足のいかない摩擦係数と満足のいかない耐摩耗性以外に、付加的に欠点として高い質量を有する。

それ以外に、硬質の、例えばＰＶＤ法または（ＰＡ）ＣＶＤ法によって製造された層、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎが公知である。しかしながら、この試みの欠点として、これらの層はそれらが後加工されない場合、結果的に相手ボディーの摩耗を高くする。後加工される場合、反応性の表面に基づき、不確定の表面状態がもたらされる。

ＵＳ特許５，２３７，９６７から、被覆層内で水素２０〜６０原子％を有する炭素ベースのＰＶＤ層および（ＰＡ）ＣＶＤ層、いわゆる金属含有炭化水素層（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ）および非晶質炭化水素層（ａ−Ｃ：Ｈ）が公知である。しかしながら、これらの層は比較的小さい耐摩耗性および耐疲労性を有するゆえ、新世代のエンジンにおける高負荷の構造部材には適しておらず、運転中に提供する摩擦減少は比較的小さい。

上ですでに説明したように、バルブ装置における摩擦の減少は、燃料節約および資源保全に必然的に寄与する。この目標は、固体摩擦および混合摩擦の領域を減少させ、ひいては完全に材料が分離された状態で液体摩擦の領域を高めることによって達成されうる。これはバケットタペットおよびカム軸から成るトライボロジー系の可能な限り最適化された全体粗さによって達成される。

このために必要とされるバケットタペットの最適な表面構造を寿命全体にわたって得るため、該表面が高い耐摩耗性、相手ボディーへの僅かな付着傾向を有し、かつ周囲に対する反応性が低くなるようにそれを形作る必要がある。そのうえ表面は、好ましくは液体粒子(Droplet)のような研磨粒子を含有してはならない。

鉄炭素合金からのバケットタペットは、浸炭窒化、軟窒化または窒化といった熱処理された状態においても、このために必要とされる耐摩耗性およびトライボロジー的に有利な表面状態に達しない。例えば窒化物層が、殊に（微細）研削、ラッピング、研磨、光線等によって機械的に後処理される場合、表面構造以外に化学的な組成と該表面の反応性も変化させられる。これらの変化は一方では大きく分散されており、そのことによって一様な品質は実現されえない。他方で局在アフィン表面は、より不都合なトライボロジー特性を有し、かつ相手ボディーと付着する傾向にある。そのうえ研削プロセスおよび研磨プロセスによって内部圧縮応力が表面付近の領域中で引き起こされ、該応力は、すでに存在する硬質組成物層の高い内部圧縮応力に加わる。

付加的に、引き起こされた位置のずれと引き裂かれた液体粒子が浮きとマクロの亀裂を生じさせ、その結果、バケットタペットにおける層の局所的な耐疲労性は減少し、かつ接着強度は、層の後加工に際して***しばらばらになりうるまで下がる。

しかしながら、例えばアーク法により堆積された層において、あとから研磨されることが省かれる場合、硬質の液体粒子は相手ボディーの研磨摩耗または少なくとも相手ボディーの研磨をランダムに起こし、そのことによって予測されない不利な結果がもたらされる。それに加えて、液体粒子は砕けて作動中に層から出ていき、このことから層の損傷が生じ、かつ研磨作用のある遊離粒子が生じる。

加えて、ＤＥ１０２００４０４３５５０Ａ１から、摩擦減少のためにおよび前もって定められた機械部材の面の耐摩耗性の上昇のために、耐摩耗性コーティングが少なくとも２つのＣｒＮ_ｘ相からの少なくとも１つのナノ結晶の機能層から成る形態が公知である。しかしながら、このコーティングも、摩擦減少および耐摩耗性に関して、なかでも混合摩擦領域において、全てのトライボロジー的な要求を理想的な形では満たさない。

従って本発明の基礎をなしている課題は、上記の欠点を取り除き、かつ殊に使用領域全体における摩擦トルクを減少させ、かつコーティングされた機械部材ならびに相手ボディーの可使時間を高めるコーティングならびにこのようなコーティングの製造法を供給することである。

この課題は本発明により、特許請求項１の特徴を有する耐摩耗性コーティングによって、および特許請求項２１の特徴を有する方法によって解決される。

機能層が水素含有炭素をベースとし、かつ断面において、その広がりが少なくとも１方向で２０ｎｍ、それより良くは１０ｎｍを下回る種々のコンシステンシー(Konsistenz)の領域を有することによって、ナノ構造化された層が形成され、該層内では種々のコンシステンシーの領域、つまり例えば種々の材料、種々の変態からの領域が、種々の材料割合によるかまたはそれに単に種々の結晶配向により、ただ一つの均質な性質の物質によっては満たすことが非常に難しい様々の課題を満たしうる。しかしながら、ナノ構造によって、機能層においてそのつど同時に、例えばすべり摩擦を低減させかつ必要とされる材料硬度を発生させるための種々の領域が摩擦相手に向かい合っている。

これは機能層が少なくとも部分的に、種々のコンシステンシーの領域を形成する表面に対して本質的に平行な層によって形成されている場合にも言える。この場合、層の僅かな厚さ（＜２０ｎｍまたはそれどころか＜１０ｎｍ）によって、すでに最初からまたは短時間の運転後および摩耗が始まった後に、異なった箇所で様々の層が現れるハイブリッド表面が生み出される。従って機能層の表面は、異なった硬度、種々の摩擦特性、接着性および種々の強靱性を有する種々の面領域を摩擦相手に提供する。このようなナノ構造によって、付加的に不均質性によって、層の***および剥脱に対する高い亀裂抵抗が形成される。層の適した構成および配置によって、高められた耐食性または高められた湿潤性もしくは低められた湿潤性が潤滑剤により達成されうる。測定から、本発明によって３０％の摩擦トルクの減少ならびに１５〜７０ＧＰの硬度の減少が達成されうることが判明した。

有利には、このような形態の場合、層の１つ以上は１０ｎｍより薄い。その際、典型的に層の数は２つより多く、かつ数十まで、殊に５０または１００を超えてよく、その結果、層の全体厚さは１０マイクロメートルにまでになりうる。

その際、隣接した層は、例えば少なくとも２つの隣接した層がそのつど異なった次の３つのコンシステンシーを有するという点で、そのつど異なったコンシステンシーを有する。非晶質の、金属不含の、水素を含有する炭素、非晶質の、金属を含有する、水素を含有する炭素、非晶質の、少なくとも１つの非金属を含有する、水素を含有する炭素。その際、基本的に、１％未満のプロセス処理された不純物が含有されていてよい。

付加的に、それ以外に性質を持たされた層が準備されていてよい。その際、非金属を含有する水素含有炭素は、例えば典型的に摩擦力を低下させる特性を有し、かつ例えばフッ素、ケイ素または酸素が組み込まれる場合、僅かな湿潤性を潤滑剤により助長する特性も有する。それによって、より薄い油膜が助長され、このことは殊に相対運動が速い場合、摩擦相手に、つまり例えばバルブ装置において利点がもたらされる。

金属含有の非晶質の水素含有炭化水素は、典型的にはむしろ硬度および摩擦強度の特性を有する。

隣接した層の区別は単に、それらが異なった材料でドープされていることによってか、またはドーピングの量が異なっていることによってもなされうる。

殊にそれが結晶相である場合、ドーピングによって材料特性は明らかに変化させられる。従ってドーピングは、目的に合わせて特定の機械的な特性を発生させるために用いられえ、その際、これによって生み出された特性はドーピング原子の種類と大きさにも依存する。加えて、発生する結晶構造の種類は、ある特定のドーピングレベルから結晶の転移が行われるという点で、もしくは混合相が様々の変態から生じるという点でドーピング原子の量に依存している。従ってドーピングの種類または量によってのみ区別される隣接した層も、完全に異なった機械的特性またはトライボロジー特性を有する。

加えて、隣接した層は、非晶質炭素中の百分率で表された水素によっても区別されうる。炭素中の水素割合によっても、基本的なトライボロジー特性がはっきりと決定される。水素割合が２０％より低く、殊に５％〜２０％であると、水素含有非晶質炭素はより硬くなる傾向にあり、この割合は本発明による実施のために有利である。

ｓｐ^３−およびｓｐ^２−混成軌道炭素のパーセント比も、２つの隣接した層を相互に区別しうる。これは公知のように種々の機械的特性を有するダイヤモンド−およびグラファイト変態の形で存在する炭素に関する。それに応じて、このように種々の隣接した層は様々のトライボロジー特性も有する。その際、ｓｐ^３−混成軌道Ｃ原子の割合がＣ原子の５０％より大きい場合にとりわけ有利である。

少なくとも１つの層内でパラメータ：水素含量、ｓｐ^３−混成軌道Ｃ原子の割合、ドーピングの少なくとも１つがコーティングの表面に対して垂直に勾配を有することも有利には予定されていてよい。

その際、特に重要なのは、実質的な使用において実際の摩擦表面上で種々の機械的な特性を有する様々の領域を提供することである。

層の記載された種類および形態によって、および摩擦表面から見た層の厚さおよびシーケンスによって、非常に様々のトライボロジー的な要求のために、表面の品質は、そのつど表面に現れる、大きい硬度、大きい強靱性または効果的な摩擦減少を有する領域の割合が大部分を占めているかまたはより僅かしか占めていないことで持続的に調整されうる。従って本発明は、種々のコンシステンシーを有する領域の適した層状化によって、顧客の特別な要求に対する個別的な調整が可能となる。

本発明により、該領域が少なくとも部分的にナノ粒子によって形成されていることも予定されていてよい。これらは例えば以下の材料：窒化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物の１つ以上から形成されていてよい。その際、例えば窒化クロム、窒化チタン、窒化ケイ素、炭化ケイ素または炭化チタンが考えられうる。

このようなナノ粒子は、例えば堆積法の枠内で、相応する水素含有炭素層の堆積と同時にかまたはその堆積前または堆積後に一緒に堆積させてよい。

このために堆積装置中で時々、相応して必要とされる物質がガス相中に連行され、スパッタリングまたはその他の公知の方法のいずれかによって、かつ処理パラメータによって粒子の晶出が促進される。その際、種々の結晶からかまたはそれに種々の配向を有する同一構造の結晶から、ナノ分散の自己組織化領域が発生する。

例えば、いわゆる窒化物形成体、例えばクロム、チタンその他、不安定な窒化物を形成する元素、例えば銅を一緒に堆積させてよく、その際、例えば、銅と窒化クロムが使用される場合、銅割合はクロム割合に対して２％を下回っていてよい。次いで、窒化クロムが銅マトリックス中でナノ結晶として形成される。同じような結果は、窒化チタンと非常に僅かなホウ素割合により達成されえ、その際、窒化チタンの代わりに炭化チタンも使用されえ、いずれの場合も相応する窒化物もしくは炭化物が準非晶質ホウ素マトリックス中で結晶化する。

結果的に、相応するナノ粒子は水素含有炭素から成る非晶質層内に埋め込まれえ、または炭素層間でナノ粒子層を形成しうる。

その際、形成された層が薄いこと、もしくは粒子が微細に分散していることが重要であり、その結果、機能層の表面上でそのつど露出するナノ粒子の領域は表面の一部しか占めず、それにより、その他の部分はその他の機械的特性もしくはトライボロジー特性を有するその他のコンシステンシーの領域によって覆われることになる。

ナノ粒子の導入によっても、これらに固有の機械的特性以外にまた、生じる機能層において全体的に亀裂の伝播が効果的に妨げられる。これは２０ｎｍ未満の、それより良くは１０ｎｍより小さいナノ粒子の大きさに際して、最適な形で保証される。

有利には、コーティングは機能層の下にクロム、タングステンまたはチタンからまたは遷移金属のホウ化物、炭化物または窒化物から成る少なくとも１つの接着促進層を有する。このような接着促進物は、機能層を有するコーティングされた機械部材からの構造全体を安定化させ、かつ殊に機能層の剥離分離を防止する。機械部材のために適した材料として、通常の加工し易くかつ低コストの材料（１６Ｍｎ Ｃｒ５、Ｃ４５、１００ Ｃｒ６、３１ Ｃｒ Ｍｏ Ｖ９、８０ Ｃｒ２等）が考慮に入れられる。摩擦相手として、軽量化構造の意味において重量削減のために鉄／炭素合金も考えられうる。

付加的に、とりわけ有利なのは、金属含有または非金属含有の、水素を含有する炭素層からの機能層の下に支持層を準備することであり、該層は一方で成分のタングステン、タンタル、クロム、バナジウム、ハフニウム、チタンまたはニッケルまたは他方でケイ素、酸素、フッ素、窒素の１つ以上を含有する。

このような支持層は、機能層に作用する大きい機械的な力の負荷を遮断し、その結果、基層(Untergruende)の剥離分離または亀裂形成および***による機能層の破壊につながりうる該機能層の過度の変形が生じないようにする課題を持つ。中間層は著しく固定されており、その際、該中間層は摩擦抵抗も摩耗強さも有する必要がない。それゆえ支持層を、目的に合わせて、それが僅かな可塑性を有するように、もしくは該可塑性に関して、それが機能層と実際の機械部材との間の最適な移行部を作り出すように調整される形で構成してもよい。

さらに本発明は、請求項１以下に記載のコーティングの製造法に関し、その際、堆積法において表面上に領域を施与するために、処理パラメータを、堆積によって形成された領域の大きさがコーティングの断面において２０ｎｍを下回るように連続する時点で変えてよい。とりわけ有利なのは、領域の大きさが１０ｎｍを下回る場合である。

このためにパラメータである圧力、温度、ドーピング物質の混入、水素含有率、回転速度、炭素含量の少なくとも１つを機能層の製造中に不規則的にまたは連続的に変えてよい。

堆積プロセスの場合と同様、例えば焼成またはプラズマエッチングのような、状況によってはあり得るその他のコーティングの工程の場合も、２５０℃の処理温度を有利には超えない。それというのも、それにより機械部材のベース材料の硬度が引き続き保持され、例えば誘導硬化によって後加工される必要がないからである。

堆積は、公知のＰＶＤ（物理蒸着）および（ＰＡ）ＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）法の枠内で行われる。

ＰＶＤ法の場合、出発材料、例えばグラファイトは、該グラファイトからの高エネルギー炭素イオンのビームが模倣され、かつコーティングされるべき表面の方向に、あるセクションで加速される形で加熱される。

（ＰＡ）ＣＶＤ法の場合、プラズマの助けを借りて、ガス混合物が、コーティングされるべき材料部材が存在するプロセスチャンバー内に導入される。該（ＰＡ）ＣＶＤ法は、ＣＶＤ法の発展形態であり、かつＣＶＯ法（全方向性処理）およびＰＶＤ法（低温）の利点を組み合わせたものである。ＰＡＣＶＤ法の場合、層の堆積は、目的に合わせてプラズマサポートした２００℃未満の温度でのガス相からの化学反応によって行われる。

圧力、温度および水素含量ならびにドーピング物質またはコーティングされるべき物体の回転速度といった処理パラメータの変化によって、生じるコーティングの構造が決定される。その際、特定のパラメータ限界値では、堆積された層のコンシステンシーにおける不規則な変化も生じる。それというのも、特定の、殊に結晶性の配置は、個々の物質の特定の材料割合までしか形成されえないからである。これらの部分が存在しない場合、その他の結晶またはその他の変態もしくは混合相が形成される。

従って処理パラメータの変化によって、適した時間間隔において、相応して小さい（１０ｎｍより小さい）領域が粒子状または層状に堆積されうる。

最終的に本発明は、本発明によるコーティングが備え付けられている機械部材、とりわけカムによって作動可能な内燃機関のバルブ用のバルブタペットに関する。

以下で本発明を、上記のバルブタペットを引き合いに出す実施例を手掛かりにして図示し、引き続き説明する。

燃焼機関のバルブを作動させるためのバケットタペットおよびカム軸から成る摩擦対の正面を示す図 図１からのバケットタペットの透視図を示す図 転がり軸受部品を介してドラッグレバーと接続されている油圧支持エレメント(hydraulisches Abstuetzelement)の透視図を示す図 本発明の実施例に従う耐摩耗性コーティングを有する機械部材の概略的な断面を示す図 機能層を示す図

図面の中では、他に記載されていない限り、同じ参照番号は同じ部品または機能が同じ部品を表す。

図１は、カム接触面５０およびバケットシャツ(Tassenhemd)５１を有するバケットタペット５からならびにカム６から成る摩擦対を図示する。バケットタペット５は、図２の中で透視図の形で詳細に示されている。一般的にバケットタペット５は、燃焼機関における機材部材用にバルブのシャフト７と接続されており、これはバケットタペット５のカム接触面５０に向けてカム面がスライドすることによってバルブを開くかまたは閉じる。

一般的に、例えばバケットタペットおよびポンプタペットといった最新式のバルブ装置部品は、耐摩耗性および資源保全の点で、殊に接触面５０に対して高い要求が課される。

本発明の有利な一実施例に従う、機械部材１のための、例えばバケットタペット５のための耐摩耗性コーティングの概略的な断面図を図示する図４との関連において、本発明の実施例が以下で詳細に説明される。

パケットタペット５は、摩擦係数の減少のためにおよび耐摩耗性の上昇のために、カム接触面５０の領域中でかまたは必要に応じてカム接触面５０およびバケットシャツ５１の領域中で、本発明による耐摩耗性コーティングによりコーティングされる。露出する側の領域中でのバケットタペット５０のバケットシャツ５１の変形が強い場合、選択的にバケットシャツ５１の部分コーティングも行ってよい。

コーティングされるべき面２、すなわちここではバケットタペット５のカム接触面５０は、好ましくはコーティング前に表面硬化または浸炭窒化され、かつ焼き戻しされる。

この場合のボディー、有利には低コストのスチール材料、例えば１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２等から成るバケットタペット５のカム接触面５０は、本実施例に従ってまず接着促進層３によりコーティングされる。接着促進層３は、例えばそのつど金属含有炭素、例えばタングステンおよび炭素からの化合物から、しかしまた金属物質（例えばＣｒ、Ｔｉ）、ならびに遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物およびケイ化物から成っていてよい。接着促進層の上の付加的な支持層は、金属または非金属、例えばＷ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔｉ、ＮｉまたはＳｉ、Ｏ、Ｆ、Ｎならびに水素を含有する非晶質の炭素から成る。接着促進層および支持層は、熱処理、例えば表面硬化、炭窒化、軟窒化と関連して、熱化学法、例えば窒化、ホウ化によって、ガルバニック法によって、例えばクロム含有層の施与によって、またはＰＶＤ法、例えばＭｅ−Ｃ、遷移金属の炭化物および窒化物の施与により形成されうる。

支持層によってコーティング全体の疲労強度が高められるべきであり、すなわち塑性変形、亀裂形成、亀裂成長および層系の破断が防止されるべきである。このような疲労プロセスは、カムの負荷およびそこから引き起こされるバケットタペット５の材料応力によって、ならびに個々の層もしくはボディーおよび耐摩耗性コーティングの種々の硬度レベル、弾性率、塑性によって発生しうる。この場合、支持層３としての層３の形成は、それ単独でかまたは適した接着促進層との組み合わせのいずれかが好まれる。

図４で示されているように、本実施例に従って支持層および／または接着促進層３の上に耐摩耗性コーティング４が形成されている。

機能層４はそこで図式的に４つの個々のナノ層から構成されたものとして示されており、その際、大きさの比は図式的にのみかつ縮尺に従わずに再現されている。

それに対して図５では、機能層は縮尺通りにはっきりと拡大して示されている。その際、該図の左半分では、そのつど異なったコンシステンシーを有する水素を含有する非晶質炭素から成る、いくつかの重ねて配置された１０ｎｍ未満の厚さの層を有する別形が示されており、一方で該図の右側では、付加的にナノ分散粒子を有する別形が示されている。

該縮尺はナノ層の厚さが僅かなものであるがゆえに表面に対して垂直な方向にさらに拡大されている。表面の波形線は実際の表面を表し、該表面は製造に際してまたは使用後に自ずと調整される。この波形は実際には示されているほど大きくはなく、むしろ縮尺の単軸の拡大によって摩擦表面に対して垂直に強調されて現れている。それにも関わらず、この図を手がかりにして本発明により達成される効果が説明されうる。個々の層６０、６１、６２は少なくとも上部領域中で表面に向かって様々に細線が描かれており、かつそれによって区別可能である。いくらか（数ｎｍの）不規則な表面の構造によって、遅くとも最初の運転開始後および損耗後に様々の箇所で下方の層６１、６２およびまたそれよりさらに下にある個々には印を付けられなかった層が現れることが明らかとなる。これらの層はそのつど種々のトライボロジー特性を有し、その結果、摩擦相手に、硬度、弾性、耐摩耗性および摩擦係数に関して種々の特性を有する非常に様々の領域が混じり合ったものとしての表面全体が現れる。この状態は損耗がさらに進む場合にも引き続き保持されるが、このことは、しかしながら記載された構造および調整される耐摩耗性によって大いに延期される。

個々の層は少なくとも部分的に、コンシステンシー、つまり水素割合、添加された、ドープ導入された物質もしくは結晶変態の種類および量および配向を引き合いに出して区別される。同時に二、三の層または多数の層が表面に露出する。

図５の右側では、ナノ粒子６３、６４が炭素マトリックス中に共に導入されている変形が示される。例えばホウ化物、炭化物または窒化物として形成されていてもよい相応するナノ粒子は、それらが表面に現れる場所で、つまり粒子６３、６４の場合に、硬質かつ耐摩耗性の領域を形成し、ひいては該粒子を取り囲む炭素マトリックスの材料の削磨も防止する。これはまた表面の組成に応じて、例えば摩擦係数の減少にいくらか寄与する。

材料が摩耗する過程で機能層の表面からいくらか削り取られる場合、新しいナノ粒子が現れ、次いで該粒子は再び、硬度および耐摩耗性を保証するという挙げられた課題を担う。

基本的に、ナノ粒子は異なった層内でも濃縮されていてよい。これは例えば、その他の層の堆積物間に、自動的に異なる相を形成する混合比で堆積される一定の金属窒化物、金属ホウ化物または金属炭化物が、ＰＶＤ法もしくはＰＡＣＶＤ法の間中ずっと導入されることによる堆積プロセスの枠内で考えられうる。次いで、これにより該当する層内で硬質のナノ粒子が形成される。

記載された発明は新規のコーティングを作り出し、該コーティングにより粒子および個々のナノ層の選択によってトライボロジー的な本要求への適応が非常に正確な形で可能となり、その際、公知の均質な材料では達成されえない、表面で種々のコンシステンシーを有する領域の混合によってパラメータがマクロ領域において調整されうる。それ以外に本発明は、これまで用いられてきた製造手段と比べてＰＶＤ法および（ＰＡ）ＣＶＤ−コーティングに際して構造的な変化を要求しない、このような機能層のための簡単な製造法を提供する。

最大コーティング温度は、コーティングプロセスに際してベース材料が焼き戻しされないように、好ましくは２５０℃である。

コーティングは約０．５μｍ〜約１０．０μｍ、好ましくは２．０μｍの厚さで形成される。それによって、ボディーの寸法および表面粗さは、後加工が必要とならないほど僅かな程度しか変化しない。

以下で、本発明によるコーティングのさらなる有利な使用が詳細に説明される。図３は、ピストン９およびケーシング１０を有する油圧支持エレメント８の透視図を示す。油圧支持エレメント８はドラッグレバー１１とつなぎ合わされており、その際、ドラッグレバー１１は転がり軸受１２を介して旋回可能におかれている。そのうえ図３の中で明らかなように、ピストン９は、接触領域９０をピストン９とドラッグレバー１１との間に有する。そのうえピストン９は、接触領域９１をピストン９とケーシング１０との間に有する。ピストン９とドラッグレバー１１との間の接触領域９０における摩耗の減少のために、接触領域９０には、同様に本発明によるナノ構造化された機能層４が備え付けられる。

そのうえ、同様にピストン９とケーシング１０との間の接触領域９１は、適用および製造技術に応じて、このようなコーティング３、４によりコーティングされうる。それによって、表されたトライボロジー系の寿命全体が高められ、そのことによって運転中の個々の機械部材の故障が減少され、ひいては全体的に費用が節約されうる。

それ以外に、転がり軸受１２、例えば転動体の部品、転がり軸受１２のインナーレースおよびアウターレース、転がり軸受ケージ、ディスク等を、同時に本発明に従う機能層４による耐摩耗性の上昇のためにおよび摩擦減少のために、例えば支持層および／または接着促進層３の中間接続下でコーティングしてよい。

当然の事ながら、上記の層系は、その他の構造ユニットおよび機能ユニット、例えば弁棒、支持エレメントおよびプラグインユニット、転がり軸受部品、レリーズベアリング、ピストンピン、ベアリングブッシュ、例えばエンジン領域における噴射ノズル用のコントロールピストン、リニア軸受およびその他の機械的およびトライボロジー的に高い負荷を受ける部材にも適している。

この箇所で指摘されるのは、機能層４がまたコーティングされるべき機械部材のボディーに直接、支持層３もしくは接着促進層３をその間に施与せずに堆積されうることである。

本発明を、有利な実施例を手掛かりにして上で記載したが、それらに限定されず、むしろ多岐にわたる方法で変更可能である。

１ 機械部材、 ２ 前もって定められた機械部材の面、 ３ 支持層／接着促進層、 ４ ナノ結晶機能層、 ５ バケットタペット、 ６ カム、 ７ 弁棒、 ８ 油圧支持エレメント、 ９ ピストン、 １０ ケーシング、 １１ ドラッグレバー、 １２ 転がり軸受、 ５０ カム接触面、 ５１ バケットシャツ、 ６０ 層、 ６１ 層、 ６２ 層、 ６３ ナノ粒子、 ６４ ナノ粒子、 ９０ ピストンとドラッグレバーの間の接触領域、 ９１ ピストンとケーシングの間の接触領域

Claims (19)

1. 摩擦による摩耗にさらされている機材部材用の、水素化アモルファスカーボンをベースとする機能層を有する耐摩耗性コーティングにおいて、該機能層が、コンシステンシーの異なる水素化アモルファスカーボン層から選択された複数の領域（６０、６１、６２）を含み、その際、その最上層が、非金属含有の水素化アモルファスカーボン層であり、該非金属がフッ素、ケイ素および／または酸素からなり、該領域（６０、６１、６２）はそれぞれ２０ｎｍ未満の層厚を有しており、かつ、窒化物、ホウ化物、炭化物およびケイ化物の１種以上から成るナノ粒子から少なくとも部分的に形成された領域（６３、６４）が、該領域（６０、６１、６２）の少なくとも１つの水素化アモルファスカーボン層内に埋め込まれているか、あるいは該領域（６０、６１、６２）の水素化アモルファスカーボン層間においてナノ粒子層を形成していることを特徴とする、機材部材用の耐摩耗性コーティング。
2. 領域（６０、６１、６２、６３、６４）が少なくとも部分的に、コーティング表面に対して平行な層によって形成されていることを特徴とする、請求項１記載のコーティング。
3. 領域（６０、６１、６２）の少なくとも１つの層厚が１０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１または２記載のコーティング。
4. 隣接した領域（６０、６１、６２）の少なくとも２つが、それぞれ異なるコンシステンシーを有する金属不含の水素化アモルファスカーボン層、金属含有の水素化アモルファスカーボン層または非金属含有金属不含の水素化アモルファスカーボン層から選択されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のコーティング。
5. 隣接した領域（６０、６１、６２）がドーピングの種類および／または量によって区別されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のコーティング。
6. 隣接した領域（６０、６１、６２）が百分率で表された水素割合によって区別されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のコーティング。
7. 隣接した領域（６０、６１、６２）がｓｐ^３−およびｓｐ^２−混成軌道炭素の量比によって区別されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のコーティング。
8. 領域（６０、６１、６２）の少なくとも１つにおいてパラメータ：水素含量、ｓｐ^３−混成軌道Ｃ原子の割合、ドーピングの少なくとも１つがコーティングの表面に対して垂直な勾配を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のコーティング。
9. 同じ組成の領域（６３、６４）が異なった結晶配向で設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のコーティング。
10. 領域（６３、６４）がナノ結晶材料から形成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のコーティング。
11. 機能層の下に、クロム、タングステンまたはチタンから成るか、あるいは遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物またはケイ化物から成る、少なくとも１つの接着促進層が設けられていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のコーティング。
12. 機能層の下に、水素を含有する、金属含有または非金属含有の炭素層から成る支持層が設けられており、該支持層は金属としてタングステン、タンタル、クロム、バナジウム、ハフニウム、チタンおよびニッケルから成る群から選択された成分の１種以上を含有するか、あるいは非金属としてケイ素、酸素、フッ素および窒素から成る群から選択された成分の１種以上を含有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載のコーティング。
13. 機能層の層厚が０．５〜１０マイクロメートルの間にあることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のコーティング。
14. 水素化アモルファスカーボン層が水素２０原子パーセント未満を含有することを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載のコーティング。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項に記載のコーティングを製造する方法において、ＰＶＤまたは（ＰＡ）ＣＶＤ法によって、機材部材上に領域（６０、６１、６２）がそれぞれ２０ｎｍ未満の層厚で堆積するように、一定の時間間隔でそのつど圧力、温度、ドーピング物質の混入、水素含量および回転速度からなる処理パラメータの少なくとも１つを変更することを特徴とする、前記方法。
16. 処理パラメータを、領域（６０、６１、６２）の各層厚がそれぞれ１０ｎｍ未満で堆積するように制御することを特徴とする、請求項１５記載の方法。
17. 圧力、温度、ドーピング物質の混入、水素含量および回転速度からなる処理パラメータの少なくとも１つを機能層の製造中に何度も不規則的に変更することを特徴とする、請求項１５または１６記載の方法。
18. コーティングの製造を、２５０℃未満の温度で実施することを特徴とする、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 請求項１から１４までのいずれか１項記載のコーティングを有する、カムによって作動可能な内燃機関のバルブ用のバルブタペット。

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