專利名稱：具有漸次的硬度分布的磨損保護系統的制作方法
技術領域：
本發現涉及一種用于制造具有改善的干運轉特性的層系統的方法。本發明的層系統具有至少一個電鍍沉積的硬鉻層和一個涂敷在該層上的DLC層(Diamond like carbon, 類似金剛石的炭)。本發明還涉及一種按照本發明方法制造的層系統和將這種層系統用于閥門構件、尤其是氣體閥門構件的涂層的用途。
背景技術：
在機械制造、設備制造和儀器制造中，磨損保護層用于延長機械上受高負荷的構件的壽命。例如長久以來，化學上將鎳層或硬鉻層以巨大的成功用作為在這些領域中的磨損保護。用電鍍法將這些層涂敷到要保護的構件、襯底和基礎材料上。為了借助磨損保護層來延長構件、襯底或基礎材料的壽命，在此一方面嘗試通過該保護層的盡可能低的摩擦系數來降低應力，并且另一方面可以通過保護層的高的硬度又使在預先給定的負荷下的材料磨耗最小化。磨損保護層的任務尤其是應減少基礎材料的磨蝕，并因此抵抗基礎材料的持續的、尤其是磨蝕性的變形。除此之外，磨損保護層可以提供一種適合于相對物體的摩擦副(Reibpaarimg)，并可以防止例如來自受污染燃料中的硬顆粒侵入到構件的基礎材料中，并因此防止例如密封面的破壞。與例如潤滑漆的有機層相反地，電鍍的磨損保護層在構件的整個壽命持續時間期間履行其任務，其中所述有機層在啟動階段在構件之間磨耗并且實現了這些構件的也稱為磨損體的表面的完美均衡的。在此，電鍍的磨損保護層擁有一種或多種分別沉積的金屬的材料特性。迄今僅有條件地、也就是通過選擇用于該層的金屬以及通過變化層厚度或沉積條件，可以將這些特性與特定的要求概要相匹配。在要保護的基礎材料和磨損保護層的大的硬度差別的情況下，可能導致所謂的蛋殼效應。在此情況下，硬的磨損保護層在負荷下坍塌到基礎材料中，因為在基礎材料中不存在足以支承磨損保護層的基礎硬度。除了將磨損保護層常規地單層涂敷在基礎材料上之外，用于優化磨損保護層的特性的新的發展設置了所謂的多層系統。在此情況下，原則上遵循兩種不同的方案。一方面可以交替設置軟的和硬的層，并且另一方面在磨損保護層構造中設置連續的硬度變化。后者也稱為分層次的磨損保護層系統。例如通過電鍍法，例如通過將要鍍層的襯底或構件轉換到不同的電解液槽中，可以生成由不同材料構成的磨損保護層的序列。如果在保護層層序列中將不同的材料用于各個層，在此的挑戰是制造一種牢固附著的復合物。另一種用于構造多層系統的方法是，將磨損層的材料在交變的沉積條件下涂敷在基礎材料上。因此可以通過施加作為沉積電流的直流電壓，例如將鉻一方面沉積為硬鉻，其中通過施加脈沖電流將無裂紋的鉻層沉積到所沉積的硬鉻層上。還已知例如通過物理氣相沉積(PVD)或例如化學氣相沉積(CVD)的相近方法來生成保護層。用PVD法可以以很純的形式沉積幾乎所有的金屬和甚至于炭。然而僅能經濟地生成在幾個納米直至幾個微米范圍中的薄層。除此之外，這些方法是成本非常昂貴的。對于受高負荷的構件，常常用硬鉻層或類似金剛石的炭層(DLC)來實現磨損保護。 但是在大多數情況下條件是，基礎是足夠硬的和可以承受負荷的，以便避免磨損保護層壓入到基礎材料中并且由此出現上述蛋殼效應。因此常常采用像硬化的鋼那樣的適當硬的基礎材料，例如100Cr6。

發明內容
利用本發明提供了一種用于在襯底表面上沉積具有改善的干運轉特性的層系統的方法，該方法至少具有以下的方法步驟
-通過施加脈沖的沉積電流在襯底表面上電鍍沉積硬鉻層； -借助PVD或CVD將DLC層涂敷到電鍍沉積的硬鉻層上。通過由硬鉻層和DLC層組成的根據本發明的組合，在一個層系統中聯合了兩個層的有利特性。如此沉積的層系統的特點在于它們的硬度以及它們的突出的干運轉特性。根據本發明在第一方法步驟中所沉積的硬鉻層既可以是單層，又可以是多層系統。如下多層系統是特別合適的該多層系統由微裂紋地沉積的硬鉻層和通過施加脈沖電流在其上沉積的無裂紋的鉻層構成的組合組成。本發明方法提供了以下的優點，即不必使要涂層的襯底經受費事的預處理，如這通常在襯底上沉積DLC層時必要的那樣。因此迄今需要在費事的和成本昂貴的磨削步驟中對于隨后的涂層準備好要配備DLC層的襯底表面。通過本發明方法可以避免襯底表面的這種強化的預處理，由此可此優化每個工件的成本。在涂敷DLC層之前，通過根據本發明電鍍沉積硬鉻層，產生了另外的優點，即通過電鍍涂層過程本身，已從襯底表面去除了例如油脂或類似物的任何有機殘余物和甚至于細微顆粒，使得在電鍍涂層過程之后的僅僅粗略預清洗的襯底上，提供對于DLC層的隨后的涂敷以最佳的方式所準備的很清潔和干燥的襯底。因此可以取消在DLC涂層之前的清洗區段，由此產生進一步的經濟上的優點。除此之外，電鍍沉積的硬鉻層對于要涂層的襯底的表面質量沒有提出特別的要求。但是所述硬鉻層通常描繪襯底的表面結構，由此硬鉻涂層的粗糙度與襯底表面的性質有關。但是在這里可以以有利的方式，通過沉積多層系統來達到平整的效果，使得在本發明方法中在硬鉻層的電鍍沉積結束之后獲得了具有優化的粗糙度的襯底表面，隨后可以以突出的方式將DLC層涂敷到該襯底表面上。尤其是基于燒結材料或可噴鑄金屬(Metal Ejection Molding (噴鑄金屬)，MIM) 的新原料，常常比例如鋼的常規材料更便宜，并且除此之外更容易加工，但是經常不提供足夠的磨損保護。由于其在這種材料上出現的表面中的不均質性的形態學，該原料迄今不能或只是很難裝備合適的磨損保護層。通過本發明的方法，可以用多層磨損保護層裝備這些新原料。這開啟了在大工業制造中將這些新材料的制造技術的優點與DLC層的突出的磨損特性相組合的可能性。通過本發明的方法以及本發明的層系統，通過諸如沖擊的機械負荷作用到襯底或襯底表面上的碰撞能可以由硬鉻層來補償，使得只導致基礎材料的微小的變形。因此避免了由這種變形所引起的蛋殼效應和所涂敷的DLC層的由此所引起的剝落。由此達到了磨損層以及因此甚至于襯底本身的顯著較高的壽命。在本發明方法的一種擴展方案中，沉積具有在0. 5 μ m和300 μ m之間、優選在1 μ m 和200 μ m之間、更優選地在3 μ m和50 μ m之間的層厚度的硬鉻層。這種層厚度適合于，對于涂敷在其上的DLC層提供機械上足夠穩定的基礎，以便在通常的機械負荷的作用下避免 DLC層的剝落。在本發明方法的另一擴展方案中，為了電鍍沉積硬鉻層，調整具有在ΙΟΑ/dm2和 ΙΟΟΑ/dm2之間、優選在20A/dm2和80A/dm2之間、更優選在25A/dm2和60A/dm2之間的平均電流密度的沉積電流。根據本發明方法的另一擴展方案，為了用于電鍍沉積硬鉻層，優選調整在0. IHz 和1000Hz之間的沉積電流的脈沖頻率。根據本發明可以規定，借助控制設備來調整電流脈沖序列并且因此調整隨著時間可變化的電流，所述電流脈沖序列具有在襯底上的陽極和陰極電流脈沖并且必要時具有位于其間的具有零伏或更多伏的間歇電壓的靜止間歇。替代地或附加地，可以借助控制設備調整電壓脈沖序列，并且因此電勢穩定地隨著時間可變化地調整電壓。本發明的電流穩定的脈沖曲線可以示例性地由用Os至MOs的等待時間改善涂層的附著強度的合適的預處理、基礎材料經過10至30s激活時間和又用Os 至20s等待時間的激活、以及交替地由具有Ims至IOs脈沖長度和分別具有10至100A/dm2 電流密度的脈沖和反脈沖所組成的實際脈沖序列來組成，其中對于反脈沖可以選擇類似的參數。可以在鉻層沉積內改變這些參數，以便達到分層次的特性。在本發明方法的一種擴展方案中，為了電鍍沉積硬鉻層，調整在1 1和1 10之間、 優選在1:2和1:5之間的負電流密度/正電流密度的比例。這意味著，在本方法的該擴展方案中，反脈沖具有沉積脈沖的在1/10至1/1之間的長度。有利地可以根據本發明通過僅僅控制電流過程參數和/或電壓過程參數來達到鉻層特性的調整。在此，可以已經單獨通過帶有或沒有改換極性的電流/或電壓控制來沉積具有所希望的不同特性的各個鉻層。在此情況下，可以沉積有針對性地具有不同結構的鉻層。以此方式可以在由相當軟的基礎材料制成的襯底上，例如首先生成由具有> 450HV 至彡700HV硬度的無裂紋的軟鉻制成的層，并然后生成彡700HV至彡1100HV的增加了的硬度的鉻層。在本發明的一種優選的擴展方案中，根據本發明沉積在硬鉻層上的DLC層可以具有在Ιμπι和ΙΟμπι之間的層厚度。這種層厚度提供了突出的磨損保護，并示出在其上的很好的干運轉特性。這尤其是對于用于例如閥門構件、尤其是氣體閥門構件的涂層的本發明方法的應用是有利的，因為在缺少諸如油或油脂的減摩劑的條件下也確保了閥門或閥門構件的高效能。根據本發明，可以借助用于DLC涂層的從現有技術中已知的方法，諸如化學氣相沉積(Chemical Vapor D印osition，CVD)、物理氣相沉積(Plasma Vapor D印osition(等離子體氣相沉積)，PVD)或類似的方法，將DLC層涂敷到電鍍沉積的硬鉻層上。除此之外，利用本發明說明了一種層系統，該層系統具有電鍍沉積在襯底表面上的第一硬鉻層和涂敷在第一硬鉻層上的DLC層，其中硬鉻層具有在0. 5 μ m和300 μ m之間的層厚度。
本發明的層系統，作為在例如鋼或甚至于燒結材料的不同基礎材料上的磨損保護層，顯示出突出的干運轉特性以及對抗機械負荷的良好的耐久性。尤其是，本發明的層系統也在通常的機械負荷下顯示出所涂敷的DLC層沒有剝落或僅有很微小的剝落。在此情況下，在層系統的一種擴展方案中，硬鉻層可以具有> 700HV、優選在彡750HV和彡1100HV之間的硬度。在本發明的層系統中，DLC層可以具有在1 μ m和10 μ m之間的層厚度。


以下借助實施例結合附圖而不局限于此地來闡述本發明。在此，用相同的附圖標記標明相同的部件。圖1示出具有按照現有技術的鉻保護層的襯底的示意剖面圖。圖2示出具有根據本發明涂敷的磨損保護層的襯底的示意剖面圖。圖3示出具有根據本發明涂敷的、帶著多層硬鉻層的磨損保護層的襯底的示意剖面圖。
具體實施例方式圖1示出一種按現有技術的、由沉積在襯底表面(1)上的硬鉻層(2)構成的磨損保護層。電鍍沉積的硬鉻層(2)具有良好的機械穩定性。但是這種硬鉻層(2)的干運轉特性不是最佳的，以至于只能將這種層有條件地用在如下構件的范圍中所述構件在同時有干運轉、也就是缺少減摩劑的危險時被暴露給相應的機械負荷。圖2示出一種按照本發明方法已沉積的層系統(3，4)。在對于硬鉻層的電解沉積為通常的預處理(諸如去油脂步驟)之后，通過施加脈沖的沉積電流將硬鉻層(3)沉積在例如由鋼或燒結材料構成的閥門構件的襯底的表面(1)上。在此，可以與襯底或所希望的層特性有關地以在現有技術中已知的方式來改變脈沖長度。因此可以在30A/dm2的平均電流密度的情況下調整例如20Hz的脈沖頻率用于沉積。如此沉積的層顯示出50 μ m的平均層厚度和> 900HV的硬度。在選擇性的沖洗和干燥步驟之后，借助CVD將DLC層涂敷到如此獲得的硬鉻層(3)上。為此將要涂層的襯底從已被用于電鍍沉積的支架上取下，并轉送到適用于CVD沉積的貨物支座中。這優選自動化地、例如借助合適的工業機器人來進行。于是利用貨物支座將用硬鉻層(3)涂層的襯底轉送到相應的CVD設備中，在該CVD設備中涂敷具有3μπι的平均層厚度的DLC層(4)。如此獲得的層系統(3，4)顯示出防止磨蝕性磨耗的高耐久性以及良好的缺口沖擊耐久性。除此之外，層系統(3，4)顯示出良好的干運轉特性。圖3示出一種按照本發明方法已沉積的層系統。在對于硬鉻層的電解沉積為通常的預處理(諸如去油脂步驟)之后，將第一鉻層(5)沉積在例如由鋼或燒結材料構成的閥門構件的襯底的表面(1)上。通過施加具有20A/dm2的平均電流密度的直流電流，鉻層(5)被沉積直至30 μ m的層厚度。如此獲得的鉻層顯示出500HV的硬度。不用將襯底轉換到另外的電解液中，現在通過施加脈沖的沉積電流，將硬鉻層(3)沉積到如此沉積的鉻層上。在此， 可以與襯底或所希望的硬鉻特性有關地以在現有技術中已知的方式改變脈沖長度。因此可以在70A/dm2的平均電流密度的情況下調整例如60Hz的脈沖頻率用于沉積。如此沉積的層(3)顯示出70 ym的平均層厚度和> 900HV的硬度。在選擇性的沖洗和干燥步驟之后，借助CVD將DLC層涂敷到如此獲得的硬鉻層(3)上。為此將要涂層的襯底從已被用于電鍍沉積的支架上取下，并轉送到適用于CVD沉積的貨物支座中。這優選自動化地、例如借助合適的工業機器人來進行。于是利用貨物支座將用硬鉻層(3)涂層的襯底轉送到相應的CVD 設備中，在該CVD設備中涂敷具有3 μ m的平均層厚度的DLC層(4)。如此獲得的層系統(3， 4)顯示出防止磨蝕性磨耗的高耐久性以及良好的缺口沖擊耐久性。除此之外，層系統(3， 4)顯示出良好的干運轉特性。
權利要求
1.一種用于在襯底表面上沉積具有改善的干運轉特性的層系統的方法，至少具有以下的方法步驟-通過施加脈沖的沉積電流在襯底表面(1)上電鍍沉積硬鉻層(3，5)； -借助PVD或CVD將DLC層(4)涂敷到電鍍沉積的硬鉻層上。
2.根據權利要求1的方法，其中沉積具有在0.5μπι和300μπι之間的層厚度的硬鉻層 (3，5)。
3.根據以上權利要求之一的方法，其中為了電鍍沉積所述硬鉻層(3，5)，調整具有在 ΙΟΑ/dm2和ΙΟΟΑ/dm2之間的平均電流密度的沉積電流。
4.根據以上權利要求之一的方法，其中為了電鍍沉積所述硬鉻層(3)，調整在0.IHz和 IOOOHz之間的沉積電流的脈沖頻率。
5.根據以上權利要求之一的方法，其中為了電鍍沉積所述硬鉻層(3)，調整在1:1和 1 10、優選1 2和1 5之間的負電流密度/正電流密度的比例。
6.根據以上權利要求之一的方法，其中在金屬表面上沉積層系統。
7.—種層系統，具有電鍍沉積在襯底表面(1)上的第一硬鉻層(3，5)和涂敷在所述第一硬鉻層(3，5)上的DLC層(4)，其中所述硬鉻層(3，5)具有在0. 5 μ m和300 μ m之間的層厚度。
8.根據權利要求7的層系統，其中所述硬鉻層(3)具有>700HV的、優選在> 750HV 和彡1100HV之間的硬度。
9.根據權利要求4的層系統，其中所述DLC層(4)具有在1μ m和10 μ m之間的層厚度。
10.一種根據權利要求7至9之一的層系統用于閥門構件、尤其是氣體閥門構件的涂層的用途。
全文摘要
本發明涉及具有漸次的硬度分布的磨損保護系統。本發明涉及一種用于制造具有改善的干運轉特性的層系統的方法。本發明的層系統具有至少一個電鍍沉積的硬鉻層和涂敷在該層上的DLC層(類似金剛石的炭)。本發明還涉及一種按照本發明的方法制造的層系統以及將這種層系統用于閥門構件、尤其是氣體閥門構件的涂層的用途。
文檔編號C23C14/06GK102337538SQ20111020174
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月19日 優先權日2010年7月20日
發明者黑巴赫 A., 毛斯 H., 林納 M., 希普慶 S. 申請人:羅伯特·博世有限公司