DE4440051C1

DE4440051C1 - Verschleißbeständige Beschichtung

Info

Publication number: DE4440051C1
Application number: DE4440051A
Authority: DE
Inventors: Masaki Ooya
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: US5587227A; GB2294950A; CN1122843A; GB9422189D0; CN1191387C; GB2294950B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verschleißbeständi ge Beschichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine verschleißbeständige Beschichtung gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 03-134158 A bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine verschleißbeständige Be schichtung, die auf der Oberfläche eines Substrats in Form eines Kolbenrings vorgesehen ist und eine Zusammensetzung aus Chrom und Stickstoff enthält. In demjenigen Bereich der Beschichtung, der die Oberfläche des Kolbenrings berührt, besteht sie aus Chromnitrid (nämlich einer CrN-Schicht). Um Ungleichmäßigkeiten in der äußeren Oberfläche der Chromni trid-Beschichtung auszugleichen und dadurch bessere Gleit eigenschaften zu erzielen, wird im Falle der aus dieser Druckschrift bekannten Beschichtung weiterhin eine sehr dünne Chromschicht aufgebracht, deren Dicke so gewählt ist, daß sie zumindest die "Täler" der Chromnitrid-Schicht aus füllt.

Ein Nachteil dieser bekannten Beschichtung liegt darin, daß die äußere Chromschicht vergleichsweise dünn ist, so daß bereits nach kurzer Zeit Verschleiß auftritt, durch den die anfänglichen Gleiteigenschaften verschlechtert werden. Die Verschleißbeständigkeit der bekannten Beschichtung ist somit relativ gering.

In der JP 62-120471 A wird vorgeschlagen, auf ein Substrat in Form eines Kolbenrings eine Gleitbeschichtung aufzubringen, die aus einer Mischung aus metallischem Chrom und Chromnitrid gebildet ist. Zur Verbesserung der Haltbar keit des Kolbenrings werden an der oberen, unteren und in neren Fläche des Kolbenrings zwei nitridbehandelte Schich ten ausgebildet; diese zwei Schichten stellen allerdings keine Gleitflächen dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Be schichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung guter Gleiteigen schaften eine möglichst hohe Verschleißbeständigkeit er zielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Kenn zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahme gelöst.

Die Erfindung schlägt demnach vor, den Chromanteil der Beschichtung von der Oberfläche des Substrats zur Oberflä che der Beschichtung hin kontinuierlich zu erhöhen. Diese Maßnahme ermöglicht es, die Verschleißbeständigkeit der Be schichtung auf einem äußerst hohen Wert zu halten. Gleich wohl werden sehr gute Gleiteigenschaften erzielt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich nung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer An lage zur Ionenauftragsbeschichtung, wie sie zur Erzeu gung einer erfindungsgemäßen Beschichtung verwendet wird;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Beschichtung, wie sie in einer Testreihe in den Beispielen verwendet und erfindungsgemäß geschaffen wurde;

Fig. 3 die Ergebnisse der Testreihe der Be schichtung in Fig. 2;

Fig. 4 die Ergebnisse des Verschleißtests der bei verschiedenen Partialdrücken des Stickstoffs durch Ionenauftrag entstandenen Beschichtung; und

Fig. 5 die Härteverteilung der erfindungsgemä ßen Beschichtung.

Die erfindungsgemäße Beschichtung weist in der äußeren Oberfläche weiches Chromnitrid oder Chrom auf, das eine gu te Verformbarkeit hat und ferner ein am Substrat anliegen des hartes Chromnitrid, das nach der Aushärtung gute Eigen schaften hinsichtlich der Verschleißfestigkeit aufweist. Bei einer Anwendung an einem Kolbenring wird ein Gleitpart ner, z. B. ein Zylinder, nicht beschädigt und die Eigenschaften des keramischen Chromnitrids können genutzt werden. Wenn jedoch die Keramik ein Metall an der Schnitt stelle zwischen dem Substrat und der Beschichtung berührt, gibt es möglicherweise ein Problem mit der Adhäsion der Beschichtung. In diesem Fall wird das Chromnitrid mit seinen guten Eigenschaften hinsichtlich der Verschleiß festigkeit nicht auf die Substratgrenze aufgebracht, statt dessen aber wird eine Schicht aus Chrom, die keinen Stick stoff enthält, zuerst auf die Oberfläche des Substrats und danach eine Schicht mit Chromnitrid entsprechend der vor liegenden Erfindung aufgebracht. Da der Wärmeausdehnungs koeffizient dieser Chromschicht annähernd gleich der des Substrats ist, wird die Chromschicht kaum der Wirkung von Wärmespannungen ausgesetzt und haftet fest am Substrat. Zusätzlich kann die Beschichtung aufgrund ihrer Weichheit als Gleitoberfläche eines Gleitstücks unter harten Bedin gungen verwendet werden.

Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen anschau lich erläutert.

In der Fig. 1 ist die verwendete Anlage zur Ionenauf tragsbeschichtung dargestellt. Ein Substrat 1, der von einer Substrathaltevorrichtung 2 abgestützt wird, wird durch eine Heizvorrichtung 3 erwärmt und durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmeregler auf einer be stimmten Temperatur gehalten. Ein wassergekühlter stähler ner Schmelztiegel 6, in dem ein Metall 5 als Verdampfungs quelle aufbewahrt wird, ist in einem Behälter 9 unter dem Substrat 1 angeordnet. Ein Rohr bzw. eine Leitung 11, die Stickstoffgas in den Behälter 9 einführt, und eine Elektro nenkanone 8, die zum Verdampfen des Metalls 5 verwendet wird, sind in einer Seitenwand des Behälters 9 angeordnet. Eine Fokussierspule 7 ist rund um den Schmelztiegel 6 ange ordnet, um die Elektronen der Elektronenkanone 8 auf das zu verdampfende Metall 5 zu lenken. Der Druck im Behälter 9 wird durch eine nicht dargestellte Vakuumpumpe verringert und zwischen dem Schmelztiegel 6 und der Substrathaltevor richtung 2 ist eine Blende 10 angeordnet. Nach dem Einbrin gen einer als Substrat dienenden rostfreien SUS 440C Stahl platte mit den Abmessungen 50_*50_*10 mm in die Anlage, und dem Erzeugen eines Vakuums im Behälter 9, wird Argongas durch die Leitung 11 in den Behälter 9 geführt und der Druck im Behälter 9 auf 13,3 Pa reduziert. Die Oberfläche des Substrats 1 wird dann durch elektrische Entladung gereinigt, wobei das Substrat 1 als Kathode ver wendet wird. Als nächstes wird das Substrat 1 auf 400°C er wärmt und der Druck im Behälter 9 auf 6,65_*10^-3 Pa verringert. Anschließend wird das im Schmelztiegel 6 angeordnete Chrom 5 durch einen darauf gerichteten Elektro nenstrahl der Elektronenkanone 8 verdampft. Der Partial druck des Stickstoffs im Behälter 9 wird durch das Einbrin gen von Stickstoffgas über die Einführleitung 11 auf 266_*10^-3 Pa gebracht, und die Dampfablagerung durch das Öffnen der Blende 10 durchgeführt. Diese Bedin gungen werden für zwei Minuten beibehalten. Der Druck des Stickstoffgases wird über 20 Minuten hinweg fortwährend bis auf 133_*10^-4 Pa verringert, wobei der Par tialdruck des Stickstoffs gegen Null geht, und dieser Par tialdruck wird dann für zwei Minuten beibehalten und die Blende 10 geschlossen. Anschließend wird das Substrat 1, auf dessen Oberfläche sich der Metalldampfüberzug gebildet hat, aus dem Behälter 9 entfernt. Die anschließende Prüfung wird an dem so gebildeten Metalldampfüberzug durchgeführt.

(1) Untersuchung der Streuung des Stickstoff- und Chromanteils mit einem Röntgenstrahlmikroanalysator

Zur Prüfung der durchschnittlichen Schwankungen des An teils oder der Menge des Chroms und des Stickstoffs in der Beschichtung wurde eine Probe in senkrechter Richtung zur Oberfläche abgetrennt und eine Testreihe des Inneren der Oberflächenbeschichtung durchgeführt (Fig. 2 und 3). Der Chromanteil in der Beschichtung war in den inneren, das Substrat kontaktierenden, Abschnitten geringer und stieg bei Annäherung an die Oberfläche an. Ferner war der Stick stoffanteil in der Beschichtung am höchsten im inneren, das Substrat kontaktierenden, Abschnitt und sank bei Annäherung an die Oberfläche ab.

(2) Untersuchung der Zusammensetzung der äußersten Oberfläche mit einer Röntgenstrahlbeugungsanalyse

Aus den Ergebnissen der Röntgenstrahlbeugungsanalyse und dem ASTM-Verfahren läßt sich nachweisen, daß die äußer ste Oberfläche im Metalldampfüberzug aus Cr + Cr₂N besteht.

(3) Untersuchung der Zusammensetzung des Schnitts mit einer Röntgenstrahlbeugungsanalyse

Wie oben erwähnt, ändert sich die chemische Zusammen setzung der erfindungsgemäßen Beschichtung fortwährend von der Innenseite zur Oberfläche. Es wird deshalb angenommen, daß die Art der die Beschichtung ausbildenden Phase in ihrer Beschaffenheit von der Innenseite zur Oberfläche auf natürliche Weise verändert wird. Zur Prüfung der die Be schichtung ausbildenden Phasen wurde eine Untersuchung mit einer Röntgenstrahlbeugungsanalyse durchgeführt, und zwar unter Verwendung einer jeweils bei einem feststehenden Partialdruck des Stickstoffs im Bereich von 39,9 bis 266_*10^-3 Pa erzeugten Beschichtung (mit Ausnahme des Stickstoffpartialdrucks entsprachen die herrschenden Bedingungen denen im oben erläuterten Bei spiel). Die Untersuchungsergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Die erfindungsgemäße Beschichtung wurde unter Bedingun gen erzeugt, in denen der Partialdruck des Stickstoffs anfänglich 266_*10^-3 Pa betrug und dann allmählich verringert wurde. Eine Dampfablagerungsschicht, die Chrom-Nitrid und Chrom enthält, ist auf einer Dampfablagerungsschicht, die nur Chrom-Nitrid- enthält, ausgebildet. Ferner ist darauf nur eine Chromschicht geformt. Es erschließt sich aus der Tabelle, daß die Chromkonzentration von der Innenseite der Beschichtung zur Oberfläche fortwährend zunimmt. Diese Untersuchung stimmt mit dem Ergebnis der erwähnten Testreihe mit dem Röntgenstrahlmikroanalysator überein.

(4) Härteuntersuchung eines Abschnitts der Beschich tung

Der abschnittsweise Härteverlauf der erfindungsgemäßen Beschichtung ist in Fig. 5, und die Härte der Abschnitte A bis E der Beschichtung des vorangegangenen Beispiels in der Tabelle 1 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß die Härte von der Trägerschicht zur Oberflächenschicht hin allmählich abnimmt, und weiterhin wurde festgestellt, daß sich die Härte der Beschichtung von der Innenseite zur Oberfläche fortwährend verringert und die Beschichtung allmählich weich wird, denn die Härte stimmt im wesentlichen mit der Härte in den in Tabelle 1 gezeigten Proben A bis E überein.

(5) Verschleißtest

Ein Verschleißtest wurde unter Verwendung von Schwefel säure mit einem PH-Wert von 2,5 als Schmiermittel und eines FC-25 Materials (ein Gußeisen mit Zugfestigkeit von 25 kgf/cm² entsprechend JIS) für den beteiligten Zylinder unter den Bedingungen einer Last von 2 kg und einer Reib geschwindigkeit von 0,2 m/sec durchgeführt, wobei eine Nadeltrommelanlage eingesetzt wurde, in der die in der genannten Röntgenstrahlbeugungsanalyse verwendete Probe als Nadel bzw. Stift Anwendung fand. Als Vergleichstest wurde der gleiche Versuch mit einer hartchrombeschichteten Nadel bzw. Stift durchgeführt. Die Testergebnisse sind in Fig. 4 dargestellt.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Beschichtung im Vergleich zu der Hartchromschicht gute Eigenschaften der Verschleißfestigkeit in den von der Beschichtungsoberfläche entfernten Bereichen aufweist. Ferner kann festgestellt werden, daß der Eigenverschleiß im Vergleich mit den Proben A und C groß wird, wenn der Partialdruck des Stickstoffs so gering wird wie in Probe E, aber das Ausmaß der Abnützung am beteiligten Zylinder verkleinert sich. Der eigene Verschleiß ist gering in den Proben A und C. Der Zylinder ist jedoch mehr abgenützt als vergleichsweise in E. Ent sprechend kann bei einer Verwendung der Erfindung für einen Kolbenring und andere Gleitstücke festgestellt werden, daß eine Beschichtung geschaffen wurde, mit der das beteiligte Material nicht abgenützt wird und bei der nach der Aushär tung die Verschleißfestigkeitseigenschaften mit einer Be schichtung wie in A und C, die eine geringe Selbstabnutzung aufweist, erhalten bleiben. Wenn jedoch eine Beschichtung geschaffen wird, in der die Zusammensetzung nicht allmäh lich, sondern statt dessen schroff wechselt (wenn z. B. eine Schicht E unmittelbar auf einer Schicht A ausgebildet ist), so werden die Härteschwankungen groß und der Verschleiß des Partnerteils erhöht sich.

In einer erfindungsgemäßen Beschichtung, die Chrom und Stickstoff enthält und auf einer Gleitsubstratoberfläche eines Gleitstücks oder einer Gleitkomponente, ausgebildet ist, steigt die Chromkonzentration allmählich von der Substratoberfläche in senkrechter Richtung an und die Ober fläche der Beschichtung ist aus Chrom gebildet. Dann wird das beteiligte Material nicht abgenutzt und die Verschleiß festigkeitseigenschaften der Beschichtung selbst sind auf grund der harten stickstoffhaltigen Innenseite der Be schichtung gut. Bei einer Verwendung für ein Gleitstück, wie einen Kolbenring, in dem eine hohe Leistungsfähigkeit gefordert ist, wird eine Beschichtung mit einer guten Ver schleißfestigkeit und guter anfänglicher Verformbarkeit erreicht.

Claims

1. Verschleißbeständige Beschichtung, die auf der Oberflä che eines Substrats (1) eines gleitfähigen Teils vorgesehen ist und eine Zusammensetzung aus Chrom und Stickstoff ent hält, die in demjenigen Bereich der Beschichtung, der die Oberfläche des Substrats (1) berührt, Chromnitrid ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromanteil der Beschichtung von der Oberfläche des Substrats (1) zur Oberfläche der Beschichtung hin kontinu ierlich zunimmt.

2. Verschleißbeständige Beschichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Beschichtung im wesentlichen aus Chrom besteht.

3. Verschleißbeständige Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche des Substrats (1) und der Beschichtung eine Chromschicht vorge sehen ist.