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CN105189809A - 经覆层的构件 - Google Patents

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CN105189809A CN201480026174.3A CN201480026174A CN105189809A CN 105189809 A CN105189809 A CN 105189809A CN 201480026174 A CN201480026174 A CN 201480026174A CN 105189809 A CN105189809 A CN 105189809A
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亚沙尔·穆萨耶夫
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托尼·布拉斯
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Abstract

本发明涉及一种经覆层的构件，尤其是滚动轴承部件，其包括：金属基体(2)以及由铬制成的厚度小于2μm的施布到基体(2)上的PVD覆层(3)，其中，PVD覆层(3)形成构件的表面，并且在这些构件表面上形成由铬和至少一种另外的元素构成的化合物。

Description

经覆层的构件
技术领域
本发明涉及一种由钢制成的经覆层的构件，尤其是滚动轴承构件，其中，该覆层具有铬。此外，本发明还涉及一种在金属基体上制造这种覆层的方法。
背景技术
经覆层的滚动轴承构件例如由DE102009023818A1公知。在这种情况下，设置镍合金作为覆层，该覆层由化学沉积法产生，并具有2μm的厚度。
由DE102008017270B3公知了一种带有开裂网格的结构化的铬固体颗粒层，固体颗粒嵌入开裂网格中。该层以电解方式来制造并且应当适合于活塞圈。
多层的以电解方式沉积的铬层例如由DE102009045889A1公知。各个子层的厚度在此例如为最大7μm，尤其是最大3μm。除了铬之外，这些子层可以含有杂质离子，例如碳化物、钼离子、钒离子、钨离子。通过物理气相沉积(PVD)来产生保护层的可行方案同样在DE102009045889A1中提及。但基于如下事实，即，出于经济原因仅考虑几纳米至几微米的范围内的薄层，不推荐将该制造方法用于制造腐蚀保护层。
以PVD(physicalvapourdeposition，物理气相沉积)法沉积出的腐蚀保护层可以基本上由碳构成，并且也被称作DLC(diamondlikecarbon类金刚石)层。这种覆层的示例在文献DE102006029415A1中公开。在碳层与基础材料之间可以存在支撑层，其例如含有铬。
发明内容
本发明的任务在于，尤其是在与润滑材料共同作用相关的性能方面改进金属构件、例如滚动轴承构件的覆层。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的经覆层的构件，以及通过具有权利要求9的特征的制造覆层的方法来解决。在下文中，本发明的结合构件所阐述的设计方案和优点在意义上也适用于制造方法，并且反之亦然。
经覆层的构件具有金属基体以及由铬制成的厚度为小于2μm的以PVD法施布在基体上的覆层。在铬层上不施布其他覆层。但在构件表面，也就是在铬层的表面上形成由铬和至少一种另外的元素构成的化合物。该化合物要么在构件制造过程的框架内产生，要么在构件投入运行之后由于存在的运行条件、尤其是用润滑材料的加载才产生。通过与另外的元素化合实际上不会提高铬层的厚度。
本发明基于如下考虑，即，滚动轴承技术中的润滑材料可以对轴承的使用寿命既产生积极影响，又产生消极影响。可以想到的是，尤其是通过润滑材料的分解产物和老化产物导致的消极影响。
在金属构件的表面上的损害机制中，氢可以发挥作用。在以电镀方式沉积出金属层时，原子态的氢视过程而定地被引入金属层中，其中，氢也可能扩散到基础材料中。额外可以想到的是，在构件持续运行期间通过初生态氢造成的影响。
在滚动轴承技术中，通过氢导致的损害机制与所谓的白蚀刻裂缝或区域(WEC＝whiteetchingcracks，白蚀刻裂缝；WEA＝whiteetchingareas，白蚀刻区域)相关联。该主题例如在文献WO2009/065515A2中进行了讨论。
根据所提及的现有技术应该通过提高层厚度、通过多层结构或者通过引入额外的覆层组成部分来对金属覆层(尤其是铬覆层)的抵抗能力进行优化，而根据本发明，层厚被限制在最大2μm、优选小于1μm、特别优选小于500nm的非常小的值，其中，该层并非以湿化学方式产生，而是由气相沉积出。
由气相沉积出的铬层在当前情况下简化地始终被称作PVD层，在此，它与由水相沉积出的层区分开。据此，按照CVD(chemicalvapourdeposition，化学气相沉积)法、PA-CVD(physicalassistedchemicalvapourdeposition，物理辅助化学气相沉积)法、MO-CVD(metalorganicchemicalvapourdeposition，金属有机化学气相沉积)法制成的层也归属于概念“PVD覆层”。在所有情况下，该覆层具有如下优点，即，其形成相对于环境影响、尤其是氢的无裂缝的阻隔部。令人惊喜地证实了甚至在极端的环境条件下，在2μm之下的小的层厚也能提供足够的保护作用。
在覆层表面上，铬可以与从外部作用的氧形成氧化铬。作为边缘层生成的氧化铬形成构件覆层的整体的组成部分，其可以在构件运行中增长，其中，整个覆层接下来被称作铬层。
根据一个有利的方法实施方案，在覆层室中进行的覆层过程接近结束的时候，在130℃至160℃的温度条件下，尤其是在约150℃的温度条件下对覆层室进行通风，以便在已经完工的铬层表面上有针对性地形成氧化铬。在此，通风也理解为提供合成的、含氧的气体混合物或者提供纯氧。在每种情况下，在覆层过程结束时在所说明的温度范围内，提供氧都会导致生成极厚且极密的氧化层，该氧化层在以此覆层的构件(尤其是轴承构件)运行中禁止与来自于润滑材料的破坏性元素或化合物的每种不利的相互作用。
代替氧，氮也可以作为另外的元素与铬层形成化合物，其中，在这种情况下，氮化铬形成为相对于环境影响特别有抵抗能力的阻隔部。
在形成整体上被称作铬层的PVD覆层的框架内，氮化铬例如通过反应性的PVD溅射法施布。优选地，在覆层中，氮化铬以不同的CrNx相的形式的纳米晶体存在。Cr2N-形成物的份额在此优选为超过70％。例如可以在PVD覆层表面上制造出的CrNx相的其他有利特征例如在DE102004043550B4中公开。
在一个优选的设计方案中，由铬和至少一种化合物(其除了铬之外含有至少一种另外的元素)构成的覆层的硬度位于800HV0.3至1200HV0.3之间。该覆层优选至少为100nm厚。
不依赖于技术应用领域，制造覆层的方法包括下述特征：
-工件，尤其是滚动轴承部件由金属基体制成，
-通过气相沉积将厚度小于2μm的铬层施布到该基体上，该铬层形成工件表面并且没有被进一步覆层。
铬层在没有中间层的情况下直接在基础材料上产生，并且(在滚动轴承应用领域中)是能经受滚压的(überrollbar)。工件例如是风力机组的轴承的轴承圈或滚动体。
除了覆层的突出的保护性能之外，根据本发明的方法的特别的优点在于如下事实，即，通过覆层过程，仅以极小的程度改变工件的尺寸。该覆层例如通过溅射来施布。与电化学的覆层方法不同，除了层不含裂缝之外，这还具有如下优点，即，在工件表面的不同区域上的层厚几乎不依赖于工件几何形状、例如棱边。
附图说明
下面，凭借附图进一步阐述实施例。在附图中：
图1以截段形式示出根据本发明以PVD法用铬覆层的构件的示意性截面图；
图2作为比较以截段形式示出带有以电镀方式产生的铬层的构件的示意性截面图。
具体实施方式
在图1中整体上以附图标记1标示的构件，即滚动轴承构件、例如内圈、外圈或者滚动体，由金属基础材料制成，该金属基础材料也被称为基体2，在该金属基础材料上施布有覆层3。
覆层3绝大部分由铬构成，并且以PVD法产生。首先，直接在制造之后作为由纯铬构成的层存在的覆层3在它的表面(该表面同时是工件表面)与来自于环境的氧形成氧化铬层4，该氧化铬层与位于其下方的、直接邻接于基础材料(即，滚动轴承钢：例如100Cr6或者M50NIL)的铬层5有所区别。在图1中，氧化铬层4的厚度相对于覆层3的总厚度没有按照比例示出。覆层3的总厚度为1μm至2μm。这适用于构件1的平的表面区段以及弯曲的表面区段，甚至是具有例如明显小于1mm的有限的曲率半径的表面区段。覆层3既没有缺陷部位也没有例如所谓的液滴形式的隆起。
相对于损害性的环境影响(尤其是氢)，氧化铬层4表现为不可穿透的阻隔部。甚至在覆层3有少量的、没有伸入基础材料的损伤的情况下，该覆层的保护作用仍然能持久保持，这是因为在构件1上构造出新的氧化铬层4作为扩散阻隔部。覆层3的作用除了它作为阻挡层的功能之外还通过催化作用给出。
覆层3的保护作用不仅归因于氧化铬层4，而且还归因于如下事实，即，与以电镀方式产生的层不同，基于通过气相沉积制成的覆层3不会将氢引入覆层3中。因此，从一开始就排除了可能存在于覆层中的氢原子扩散到构件1中。
传统的、电化学的腐蚀保护层6的结构在图2中以类似于图1的图示示出。不同于根据图1的覆层3，该腐蚀保护层6具有裂缝7。至少一部分裂缝7延伸到达基础材料2(基体)。在腐蚀保护层6的通过裂缝7形成的中断部中，例如氢8的形式的环境影响可以没有阻碍地侵蚀到构件1的基础材料2上。不存在阻止这种影响的机制。除了从外部作用的氢8(在图8中以点的形式画出)，在腐蚀保护层6中还存在值得提及的损害性的量的氢8。随着时间推移，氢8扩散到基体2中，并在此发挥它的损害作用，该损害作用最终与其他影响(尤其是机械应力)一起会导致WEC。
此类损伤机制利用根据图1的覆层被可靠地避免。同时，根据图1，构件1的主要由铬构成的覆层3能机械高负载且持久地与基体2相连，而不会有脱落的风险。覆层3的硬度为800HV0.05至1200HV0.05。在以PVD法施布覆层3时，构件1不经受例如通过超过基体2的回火温度引起的相关的热负载。覆层3在制造过程中既不会被镀以其他保护层，也不会以机械方式被再加工。
附图标记列表
1构件
2基体、基础材料
3覆层
4氧化铬层
5铬层
6腐蚀保护层
7裂缝
8氢

Claims (12)

1.一种经覆层的构件，所述构件具有：
-金属基体(2)，
-由铬制成的厚度小于2μm的施布到所述基体(2)上的PVD覆层(3)，
其中，所述PVD覆层(3)形成所述构件的表面，并且在该构件表面上形成由铬和至少一种另外的元素构成的化合物。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述另外的元素是氧。
3.根据权利要求1或2所述的构件，其特征在于，所述另外的元素是氮。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的构件，其特征在于，所述PVD覆层(3)的硬度至少为800HV0.05。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的构件，其特征在于，所述PVD覆层(3)的硬度最高为1200HV0.05。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的构件，其特征在于，所述PVD覆层(3)的厚度小于500nm。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的构件，其特征在于，所述PVD覆层(3)的厚度大于100nm。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的构件，其特征在于，所述构件构造为滚动轴承部件。
9.一种用于制造覆层(3)的方法，所述方法具有下述步骤：
-提供金属基体(2)，
-将厚度小于2μm的铬层(5)以PVD法施布在所述基体(2)上，
其中，不进行对所述铬层(5)的进一步的覆层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过溅射进行所述铬层(5)的施布。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在溅射期间，在所述铬层(5)的表面上形成氮化合物。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过在130℃至160℃之间的温度下对覆层室进行通风，在所述铬层(5)的表面上形成氧化铬层。
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