JP7508691B2

JP7508691B2 - 多層システム、コンポーネント、及びそのような多層システム又はコンポーネントを生成するための方法

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Publication number: JP7508691B2
Application number: JP2023504292A
Authority: JP
Inventors: エンリケブルニャーラリカルド; バジヴァンナズリム; シュルツエトガー; シュマールヴァッサーマルクス
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2021-09-20
Publication date: 2024-07-01
Anticipated expiration: 2041-09-20
Also published as: DE102021123832A1; EP4225972A1; KR20230019457A; WO2022073541A1; JP2023535411A; US20230407464A1; CN116324034A

Description

本発明は、少なくとも１つの防食層と、１つの摩耗保護層と、を備える、多層システムに関する。本発明はまた、表面を有する金属基板と、多層システムと、を備える、コンポーネントに関する。更に、本発明は、そのような多層システム又はコンポーネントを生成するための方法に関する。

硬質クロム層は現在、使用される鋼を腐食及び機械的摩耗から保護するために、防食層及び摩耗保護層として、自動車産業において使用されている。このような硬質クロム層は通常、クロム（ＶＩ）を含む電解質浴を使用して生成されるが、これは現在、環境の観点から疑わしいものとして分類されており、それらの使用は、ますます法的な制限を受けるようになっている。したがって、硬質クロム層を、より環境に優しい様態で生成することができるコーティングで置き換える必要がある。

少なくとも１つの防食層と、１つの摩耗保護層と、を備える、多層システムは、ＤＥ１０２０１３２０９０３０Ａ１からすでに知られている。本明細書には、金属コンポーネント上に形成されている、化学的に、直流的に、又はＰＶＤ／ＰＡＣＶＤプロセスによって形成された層の形態の少なくとも１つの摩耗保護層を含む、金属コンポーネントのための腐食保護が記載されている。ＡＬＤ（＝原子層堆積）プロセスによって形成される少なくとも１つの防食層は、摩耗保護層上に配置されている。しかしながら、ＡＬＤプロセスは、自動車業界で大量使用にはあまり好適ではない。

ＤＥ１０２００４０４４９１９Ａは、耐火金属窒化マグネシウムに基づいて、基板を、腐食、摩耗、及び酸化から保護するための装飾コーティング、及びその生成方法を記載している。

本発明の目的は、更に一層信頼性の高い腐食及び摩耗保護を提供し、大量に製造することができる代替的な多層システムを提供することである。更に、本発明の目的は、そのような多層システムを有するコンポーネントを提供すること、及びそのような多層システム又はコンポーネントを生成するための方法を開示することである。

目的は、少なくとも１つの防食層と、摩耗保護層と、を備える、多層システムであって、防食層が、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む、金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、金属窒化物又は金属炭窒化物が、少なくとも１つの希土類金属を更に含み、かつ摩耗保護層が、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層によって形成されている、多層システムに対して達成される。

多層システムにより、金属基板の効果的な腐食及び摩耗保護が保証される。摩耗保護層が直接又は間接的に防食層を保護し、かつ機械的負荷に耐えるため、機械的攻撃及び腐食攻撃の両方に耐えることができる。摩耗保護層は、好ましくは、トライボロジーシステムにおいてそれと摩擦接触している接触相手に対して摩擦低減特性を有する。

多層システムはまた、低生産コストで大量に生産することもできるため、自動車産業での使用に好適である。

特に防食層は、１０～４０原子％のチタン及び／又は１５～５０原子％のマグネシウムを有する。防食層中の少なくとも１つの希土類金属の濃度は、好ましくは０．１～１５原子％の範囲である。

好ましくは、防食層を形成するための金属窒化物又は金属炭窒化物は、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属を更に含んで形成される。防食層中のそれらの濃度は、好ましくは１０～４０原子％の範囲である。

特に好ましくは、金属窒化物又は金属炭窒化物は、希土類金属としてのガドリニウム、又はセリウム、又はランタン、又は当該元素のうちの２つ若しくは３つの混合物を含む。

特に、防食層は、ＴｉＭｇＧｄＮ、又はＴｉＭｇＧｄＣＮ、又はＴｉＭｇＣｅＮ、又はＴｉＭｇＣｅＣＮ、又はＴｉＭｇＬａＮ、又はＴｉＭｇＬａＣＮを含んで形成されている。

ＴｉＭｇＲＥＮ（ＲＥ＝希土類）などの金属窒化物に基づく防食層及びその腐食挙動は、出版物「ＣｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｗｅａｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｉｌｄｓｔｅｅｌｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙｉｎｎｏｖａｔｉｖｅＰＶＤｃｏａｔｉｎｇｓ」、ＨｏｌｇｅｒＨｏｃｈｅ，ＣａｓｐｅｒＰｕｓｃｈ，ＭａｔｔｈｉａｓＯｅｃｈｓｎｅｒ，Ｓｕｒｆａｃｅ＆ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ３９１（２０２０）に記載されており、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｓｕｒｆｃｏａｔ．２０２０．１２５６５９を参照されたい。

防食層が、摩耗保護層から離れて面する側で金属接着促進層に隣接している場合、有利であることが証明されている。特に、金属接着促進層は、クロム、又はチタン、又はジルコニウム、又はマグネシウム、又はガドリニウム、又は当該金属のうちの２つ若しくは３つの混合物から形成されている。接着促進層は、多層システムの金属基板への機械的結合を改善するのに役立つ。

防食層は、好ましくは、摩耗保護層に面する側で中間層に隣接しており、中間層は、シリコンドープされた金属窒化物又は金属炭窒化物、特にシリコンドープされた金属炭窒化物から形成されている。中間層は、防食層の摩耗保護層への機械的結合を改善するのに役立つ。

少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層（＝ＤＬＣ－ダイヤモンド様コーティング）の形態の摩耗保護層は、好ましくは、タイプａ－Ｃ、又はａ－Ｃ：Ｈ、又はｔａ－Ｃ、又はｔａ－Ｃ：Ｓｉ、又はｔａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｎ、又は少なくとも２つのそのような炭素層の組み合わせのうちの少なくとも１つの層を含む。同じ組成物のいくつかの炭素層を互いの上に形成するか、又は異なる組成物の炭素層を交互にするか、若しくは互いに続けて、摩耗保護層を形成することができる。

防食層は、好ましくは、０．５～１０μｍの範囲、特に０．５～５μｍの範囲の厚さを有する。摩耗保護層は、好ましくは、０．１～１０μｍの範囲、特に０．１～５μｍの範囲の厚さを有する。

目的は、表面を備える金属基板と、本発明による多層システムと、を備える、コンポーネントによって、更に達成され、多層システムは、摩耗保護層が、基板から離れて面するカバー層を形成するような様態で、基板の表面上に少なくとも部分的に形成されている。金属基板から始めると、順序は、したがって、
－任意選択的な金属接着促進層
－防食層
－任意選択的な中間層
－摩耗保護層（＝カバー層）である。

特に、金属基板は、鋼で形成されている。この点で、鋼種１００Ｃｒ６、４２ＣｒＭｏ４、又は１６ＭｎＣｒ５が特に好ましい。

摩耗保護層は、好ましくは、それと摩擦接触している接触相手に対して摩擦低減特性を有する。

金属基板、特に鋼の上の以下の多層システムが特に好ましく、本発明では例としてのみ言及されている：
多層システム１：
接着促進層：なし
防食層：ＴｉＭｇＧｄＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ
多層システム２：
接着促進層：なし
防食層：ＴｉＭｇＧｄＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム３：
接着促進層：ＴｉＭｇ
防食層：ＴｉＭｇＧｄＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ
多層システム４：
接着促進層：チタン
防食層：ＴｉＭｇＧｄＮ
中間層：ＴｉＳｉＮ
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム５：
接着促進層：チタン
防食層：ＴｉＭｇＣｒＧｄＮ
中間層：ＣｒＳｉＮ
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム６：
接着促進層：なし
防食層：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム７：
接着促進層：ＴｉＭｇ
防食層：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム８：
接着促進層：ＴｉＭｇ
防食層：ＴｉＭｇＬａＣＮ又はＴｉＭｇＣｅＣＮ又はＴｉＭｇＬａＮ又はＴｉＭｇＣｅＮ
中間層：なし
摩耗保護層：ａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ
多層システム９：
接着促進層：ＴｉＭｇＧｄ
防食層：ＴｉＭｇＧｄＮ
中間層：なし
摩耗保護層：タイプａ－Ｃ：Ｈ及び／又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉのうちの少なくとも１つの層
多層システム１０：
接着促進層：ＴｉＭｇＧｄ
防食層１：ＴｉＭｇＧｄＮ
防食層２：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：なし
摩耗保護層：タイプａ－Ｃ：Ｈ及び／又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉのうちの少なくとも１つの層
多層システム１１：
接着促進層：ＴｉＭｇＧｄ
防食層：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：なし
摩耗保護層：タイプａ－Ｃ：Ｈ及び／又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉのうちの少なくとも１つの層
多層システム１２：
接着促進層：ＴｉＭｇＧｄ
防食層：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：なし
摩耗保護層：タイプｔａ－Ｃ：Ｓｉ及び／又はｔａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉのうちの少なくとも１つの層
多層システム１３：
接着促進層：ＴｉＭｇＧｄ
防食層１：ＴｉＭｇＧｄＮ
防食層２：ＴｉＭｇＧｄＣＮ
中間層：ＴｉＣＮ又はＴｉＳｉＣＮ
摩耗保護層：タイプｔａ－Ｃ：Ｓｉ及び／又はｔａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉのうちの少なくとも１つの層

本発明によるコンポーネントは、特に、転がり軸受けコンポーネント、又は滑り軸受けコンポーネント、又は腐食媒体に関連してトライボロジー接触で使用されるコンポーネントである。特に、動作中に劣化した、水性潤滑剤、水媒体、及び炭化水素ベースの潤滑剤は、本明細書では腐食媒体とみなされる。

目的は更に、本発明による多層システム、又は本発明によるコンポーネントを生成するための方法によって達成され、多層システムは、ＰＶＤプロセス及び／又はＰＡＣＶＤプロセスによって形成される。これらの方法は、大量生産、また自動車環境で使用する場合に、費用対効果が高い。

図１～６は、例として本発明を説明することを意図している。

防食層及び摩耗保護層を備える第１の多層システムを示す。防食層、中間層、及び摩耗保護層を備える第２の多層システムを示す。接着促進層、防食層、中間層、及び摩耗保護層を備える第３の多層システムを示す。接着促進層、防食層、及び摩耗保護層を備える第４の多層システムを示す。図３による、多層システムを有するコンポーネントを示す。転がり軸受けリングの形態のコンポーネントを示す。

図１は、防食層２及び摩耗保護層３を備える、層平面に垂直な断面図における第１の多層システム１を示す。防食層２は、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、金属窒化物又は金属炭窒化物は、少なくとも１つの希土類金属を更に含む。摩耗保護層３は、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層（ＤＬＣ）によって形成されている。

図２は、防食層２、中間層４、及び摩耗保護層３を備える、層平面に垂直な断面図における第２の多層システム１’を示す。防食層２は、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、金属窒化物又は金属炭窒化物は、少なくとも１つの希土類金属を更に含む。摩耗保護層３は、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層（ＤＬＣ）によって形成されている。中間層４は、シリコンドープされた金属窒化物又は金属炭窒化物、特にシリコンドープされた金属炭窒化物から形成されている。

図３は、接着促進層５、防食層２、中間層４、及び摩耗保護層３を備える、層平面に垂直な断面図における第３の多層システム１’’を示す。防食層２は、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、金属窒化物又は金属炭窒化物は、少なくとも１つの希土類金属を更に含む。摩耗保護層３は、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層（ＤＬＣ）によって形成されている。中間層４は、シリコンドープされた金属窒化物又は金属炭窒化物、特にシリコンドープされた金属炭窒化物から形成されている。金属接着促進層５は、好ましくは、クロム、又はチタン、又はジルコニウム、又はマグネシウム、又はガドリニウム、又は当該金属のうちの２つ若しくは３つの混合物から形成されている。特に、接着促進層５は、本明細書ではＴｉＭｇから形成されている。

図４は、接着促進層５、防食層２、及び摩耗保護層３を備える、層平面に垂直な断面図における第４の多層システム１’’’を示す。防食層２は、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、金属窒化物又は金属炭窒化物は、少なくとも１つの希土類金属を更に含む。摩耗保護層３は、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層（ＤＬＣ）によって形成されている。金属接着促進層５は、好ましくは、クロム、又はチタン、又はジルコニウム、又はマグネシウム、又はガドリニウム、又は当該金属のうちの２つ若しくは３つの混合物から形成されている。

図５は、表面６ａを有する金属基板６と、図３による第３の多層システム１’’と、を備える、多層システムの層平面に垂直な断面図におけるコンポーネント８を示し、第３の多層システム１’’は、摩耗保護層３が基板６から離れて面するカバー層７を形成するような様態で、基板６の表面６ａ上に部分的に形成されている。

図６は、転がり軸受けリングの形態のコンポーネント８を、三次元ビューで示す。コンポーネント８は、図１による多層システム１でその円筒状外側面及びその端面が覆われている環状金属基板６を備える。代替的に、当然のことながら、本発明による他の多層システムも、この点に関して使用することができる。

更に、多層システムは、存在する腐食攻撃及び特定の摩耗条件に応じて、基板を完全に又は特定の領域で表面的にのみ覆うことができる。

１、１’、１’’、１’’’ 多層システム
２防食層
３摩耗保護層
４中間層
５接着促進層
６基板
６ａ表面
７カバー層
８コンポーネント

Claims

少なくとも１つの防食層（２）と、摩耗保護層（３）と、を備える、多層システム（１、１’、１’’、１’’’）であって、前記防食層（２）が、金属として少なくともチタン及びマグネシウムを含む、金属窒化物又は金属炭窒化物によって形成されており、前記金属窒化物又は前記金属炭窒化物が、少なくとも１つの希土類金属を更に含み、前記摩耗保護層（３）が、少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層によって形成されており、前記防食層（２）が、前記摩耗保護層（３）に面する側で中間層（４）に隣接しており、前記中間層が、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＳｉＣＮのいずれか一つから形成されている、多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
前記金属窒化物又は前記金属炭窒化物が、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属を含んで更に形成されている、請求項１に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
ガドリニウム、又はセリウム、又はランタン、又は前記元素のうちの２つ若しくは３つの混合物が、前記希土類金属として存在する、請求項１又は２のいずれか一項に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
前記防食層（２）が、ＴｉＭｇＧｄＮ、又はＴｉＭｇＧｄＣＮ、又はＴｉＭｇＣｅＮ、又はＴｉＭｇＣｅＣＮ、又はＴｉＭｇＬａＮ、又はＴｉＭｇＬａＣＮを含んで形成されている、請求項１に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
前記防食層（２）が、前記摩耗保護層（３）から離れて面する側で、クロム、又はチタン、又はジルコニウム、又はマグネシウム、又はガドリニウム、又は前記金属のうちの２つ若しくは３つの混合物から形成されている金属接着促進層（５）に隣接している、請求項１～４のいずれか一項に記載の多層システム（１’’、１’’’）。
前記防食層（２）において、チタンは１０～４０原子％であり、マグネシウムは１５～５０原子％であり、前記金属窒化物又は前記金属炭窒化物において、希土類金属が、０．１～１５原子％の範囲の濃度である、請求項１～５のいずれか一項に記載の多層システム（１’’、１’’’）。
前記摩耗保護層（３）が、タイプａ－Ｃ、又はａ－Ｃ：Ｈ、又はｔａ－Ｃ、又はｔａ－Ｃ：Ｓｉ、又はｔａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉ、又はａ－Ｃ：Ｈ：Ｎ、又は少なくとも２つのそのような炭素層の組み合わせのうちの少なくとも１つのダイヤモンド様無金属炭素層を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
前記防食層（２）が、０．５～１０μｍの範囲の厚さを有し、及び／又は、前記摩耗保護層（３）が、０．１～１０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）。
表面（６ａ）を有する金属基板（６）と、請求項１～８のいずれか一項に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）と、を備える、コンポーネント（８）であって、前記多層システム（１、１’、１’’、１’’’）が、前記摩耗保護層（３）が、前記基板（６）から離れて面するカバー層（７）を形成するように、前記表面（６ａ）上に少なくとも部分的に形成されている、コンポーネント（８）。
前記コンポーネントが、転がり軸受けコンポーネント、又は滑り軸受けコンポーネント、又はトライボロジー接触に使用され、かつ更に腐食媒体と接触しているコンポーネントである、請求項９に記載のコンポーネント（８）。
請求項１～８のいずれか一項に記載の多層システム（１、１’、１’’、１’’’）、又は請求項９若しくは１０のいずれか一項に記載のコンポーネント（８）を生成するための方法であって、前記多層システム（１、１’、１’’、１’’’）が、ＰＶＤプロセス及び／又はＰＡＣＶＤプロセスによって形成される、方法。