专利名称：具有渐次的硬度分布的磨损保护系统的制作方法
技术领域：
本发现涉及一种用于制造具有改善的干运转特性的层系统的方法。本发明的层系统具有至少一个电镀沉积的硬铬层和一个涂敷在该层上的DLC层(Diamond like carbon, 类似金刚石的炭)。本发明还涉及一种按照本发明方法制造的层系统和将这种层系统用于阀门构件、尤其是气体阀门构件的涂层的用途。
背景技术：
在机械制造、设备制造和仪器制造中，磨损保护层用于延长机械上受高负荷的构件的寿命。例如长久以来，化学上将镍层或硬铬层以巨大的成功用作为在这些领域中的磨损保护。用电镀法将这些层涂敷到要保护的构件、衬底和基础材料上。为了借助磨损保护层来延长构件、衬底或基础材料的寿命，在此一方面尝试通过该保护层的尽可能低的摩擦系数来降低应力，并且另一方面可以通过保护层的高的硬度又使在预先给定的负荷下的材料磨耗最小化。磨损保护层的任务尤其是应减少基础材料的磨蚀，并因此抵抗基础材料的持续的、尤其是磨蚀性的变形。除此之外，磨损保护层可以提供一种适合于相对物体的摩擦副(Reibpaarimg)，并可以防止例如来自受污染燃料中的硬颗粒侵入到构件的基础材料中，并因此防止例如密封面的破坏。与例如润滑漆的有机层相反地，电镀的磨损保护层在构件的整个寿命持续时间期间履行其任务，其中所述有机层在启动阶段在构件之间磨耗并且实现了这些构件的也称为磨损体的表面的完美均衡的。在此，电镀的磨损保护层拥有一种或多种分别沉积的金属的材料特性。迄今仅有条件地、也就是通过选择用于该层的金属以及通过变化层厚度或沉积条件，可以将这些特性与特定的要求概要相匹配。在要保护的基础材料和磨损保护层的大的硬度差别的情况下，可能导致所谓的蛋壳效应。在此情况下，硬的磨损保护层在负荷下坍塌到基础材料中，因为在基础材料中不存在足以支承磨损保护层的基础硬度。除了将磨损保护层常规地单层涂敷在基础材料上之外，用于优化磨损保护层的特性的新的发展设置了所谓的多层系统。在此情况下，原则上遵循两种不同的方案。一方面可以交替设置软的和硬的层，并且另一方面在磨损保护层构造中设置连续的硬度变化。后者也称为分层次的磨损保护层系统。例如通过电镀法，例如通过将要镀层的衬底或构件转换到不同的电解液槽中，可以生成由不同材料构成的磨损保护层的序列。如果在保护层层序列中将不同的材料用于各个层，在此的挑战是制造一种牢固附着的复合物。另一种用于构造多层系统的方法是，将磨损层的材料在交变的沉积条件下涂敷在基础材料上。因此可以通过施加作为沉积电流的直流电压，例如将铬一方面沉积为硬铬，其中通过施加脉冲电流将无裂纹的铬层沉积到所沉积的硬铬层上。还已知例如通过物理气相沉积(PVD)或例如化学气相沉积(CVD)的相近方法来生成保护层。用PVD法可以以很纯的形式沉积几乎所有的金属和甚至于炭。然而仅能经济地生成在几个纳米直至几个微米范围中的薄层。除此之外，这些方法是成本非常昂贵的。对于受高负荷的构件，常常用硬铬层或类似金刚石的炭层(DLC)来实现磨损保护。 但是在大多数情况下条件是，基础是足够硬的和可以承受负荷的，以便避免磨损保护层压入到基础材料中并且由此出现上述蛋壳效应。因此常常采用像硬化的钢那样的适当硬的基础材料，例如100Cr6。
发明内容
利用本发明提供了一种用于在衬底表面上沉积具有改善的干运转特性的层系统的方法，该方法至少具有以下的方法步骤
-通过施加脉冲的沉积电流在衬底表面上电镀沉积硬铬层； -借助PVD或CVD将DLC层涂敷到电镀沉积的硬铬层上。通过由硬铬层和DLC层组成的根据本发明的组合，在一个层系统中联合了两个层的有利特性。如此沉积的层系统的特点在于它们的硬度以及它们的突出的干运转特性。根据本发明在第一方法步骤中所沉积的硬铬层既可以是单层，又可以是多层系统。如下多层系统是特别合适的该多层系统由微裂纹地沉积的硬铬层和通过施加脉冲电流在其上沉积的无裂纹的铬层构成的组合组成。本发明方法提供了以下的优点，即不必使要涂层的衬底经受费事的预处理，如这通常在衬底上沉积DLC层时必要的那样。因此迄今需要在费事的和成本昂贵的磨削步骤中对于随后的涂层准备好要配备DLC层的衬底表面。通过本发明方法可以避免衬底表面的这种强化的预处理，由此可此优化每个工件的成本。在涂敷DLC层之前，通过根据本发明电镀沉积硬铬层，产生了另外的优点，即通过电镀涂层过程本身，已从衬底表面去除了例如油脂或类似物的任何有机残余物和甚至于细微颗粒，使得在电镀涂层过程之后的仅仅粗略预清洗的衬底上，提供对于DLC层的随后的涂敷以最佳的方式所准备的很清洁和干燥的衬底。因此可以取消在DLC涂层之前的清洗区段，由此产生进一步的经济上的优点。除此之外，电镀沉积的硬铬层对于要涂层的衬底的表面质量没有提出特别的要求。但是所述硬铬层通常描绘衬底的表面结构，由此硬铬涂层的粗糙度与衬底表面的性质有关。但是在这里可以以有利的方式，通过沉积多层系统来达到平整的效果，使得在本发明方法中在硬铬层的电镀沉积结束之后获得了具有优化的粗糙度的衬底表面，随后可以以突出的方式将DLC层涂敷到该衬底表面上。尤其是基于烧结材料或可喷铸金属(Metal Ejection Molding (喷铸金属)，MIM) 的新原料，常常比例如钢的常规材料更便宜，并且除此之外更容易加工，但是经常不提供足够的磨损保护。由于其在这种材料上出现的表面中的不均质性的形态学，该原料迄今不能或只是很难装备合适的磨损保护层。通过本发明的方法，可以用多层磨损保护层装备这些新原料。这开启了在大工业制造中将这些新材料的制造技术的优点与DLC层的突出的磨损特性相组合的可能性。通过本发明的方法以及本发明的层系统，通过诸如冲击的机械负荷作用到衬底或衬底表面上的碰撞能可以由硬铬层来补偿，使得只导致基础材料的微小的变形。因此避免了由这种变形所引起的蛋壳效应和所涂敷的DLC层的由此所引起的剥落。由此达到了磨损层以及因此甚至于衬底本身的显著较高的寿命。在本发明方法的一种扩展方案中，沉积具有在0. 5 μ m和300 μ m之间、优选在1 μ m 和200 μ m之间、更优选地在3 μ m和50 μ m之间的层厚度的硬铬层。这种层厚度适合于，对于涂敷在其上的DLC层提供机械上足够稳定的基础，以便在通常的机械负荷的作用下避免 DLC层的剥落。在本发明方法的另一扩展方案中，为了电镀沉积硬铬层，调整具有在ΙΟΑ/dm2和 ΙΟΟΑ/dm2之间、优选在20A/dm2和80A/dm2之间、更优选在25A/dm2和60A/dm2之间的平均电流密度的沉积电流。根据本发明方法的另一扩展方案，为了用于电镀沉积硬铬层，优选调整在0. IHz 和1000Hz之间的沉积电流的脉冲频率。根据本发明可以规定，借助控制设备来调整电流脉冲序列并且因此调整随着时间可变化的电流，所述电流脉冲序列具有在衬底上的阳极和阴极电流脉冲并且必要时具有位于其间的具有零伏或更多伏的间歇电压的静止间歇。替代地或附加地，可以借助控制设备调整电压脉冲序列，并且因此电势稳定地随着时间可变化地调整电压。本发明的电流稳定的脉冲曲线可以示例性地由用Os至MOs的等待时间改善涂层的附着强度的合适的预处理、基础材料经过10至30s激活时间和又用Os 至20s等待时间的激活、以及交替地由具有Ims至IOs脉冲长度和分别具有10至100A/dm2 电流密度的脉冲和反脉冲所组成的实际脉冲序列来组成，其中对于反脉冲可以选择类似的参数。可以在铬层沉积内改变这些参数，以便达到分层次的特性。在本发明方法的一种扩展方案中，为了电镀沉积硬铬层，调整在1 1和1 10之间、 优选在1:2和1:5之间的负电流密度/正电流密度的比例。这意味着，在本方法的该扩展方案中，反脉冲具有沉积脉冲的在1/10至1/1之间的长度。有利地可以根据本发明通过仅仅控制电流过程参数和/或电压过程参数来达到铬层特性的调整。在此，可以已经单独通过带有或没有改换极性的电流/或电压控制来沉积具有所希望的不同特性的各个铬层。在此情况下，可以沉积有针对性地具有不同结构的铬层。以此方式可以在由相当软的基础材料制成的衬底上，例如首先生成由具有> 450HV 至彡700HV硬度的无裂纹的软铬制成的层，并然后生成彡700HV至彡1100HV的增加了的硬度的铬层。在本发明的一种优选的扩展方案中，根据本发明沉积在硬铬层上的DLC层可以具有在Ιμπι和ΙΟμπι之间的层厚度。这种层厚度提供了突出的磨损保护，并示出在其上的很好的干运转特性。这尤其是对于用于例如阀门构件、尤其是气体阀门构件的涂层的本发明方法的应用是有利的，因为在缺少诸如油或油脂的减摩剂的条件下也确保了阀门或阀门构件的高效能。根据本发明，可以借助用于DLC涂层的从现有技术中已知的方法，诸如化学气相沉积(Chemical Vapor D印osition，CVD)、物理气相沉积(Plasma Vapor D印osition(等离子体气相沉积)，PVD)或类似的方法，将DLC层涂敷到电镀沉积的硬铬层上。除此之外，利用本发明说明了一种层系统，该层系统具有电镀沉积在衬底表面上的第一硬铬层和涂敷在第一硬铬层上的DLC层，其中硬铬层具有在0. 5 μ m和300 μ m之间的层厚度。
本发明的层系统，作为在例如钢或甚至于烧结材料的不同基础材料上的磨损保护层，显示出突出的干运转特性以及对抗机械负荷的良好的耐久性。尤其是，本发明的层系统也在通常的机械负荷下显示出所涂敷的DLC层没有剥落或仅有很微小的剥落。在此情况下，在层系统的一种扩展方案中，硬铬层可以具有> 700HV、优选在彡750HV和彡1100HV之间的硬度。在本发明的层系统中，DLC层可以具有在1 μ m和10 μ m之间的层厚度。
以下借助实施例结合附图而不局限于此地来阐述本发明。在此，用相同的附图标记标明相同的部件。图1示出具有按照现有技术的铬保护层的衬底的示意剖面图。图2示出具有根据本发明涂敷的磨损保护层的衬底的示意剖面图。图3示出具有根据本发明涂敷的、带着多层硬铬层的磨损保护层的衬底的示意剖面图。
具体实施例方式图1示出一种按现有技术的、由沉积在衬底表面(1)上的硬铬层(2)构成的磨损保护层。电镀沉积的硬铬层(2)具有良好的机械稳定性。但是这种硬铬层(2)的干运转特性不是最佳的，以至于只能将这种层有条件地用在如下构件的范围中所述构件在同时有干运转、也就是缺少减摩剂的危险时被暴露给相应的机械负荷。图2示出一种按照本发明方法已沉积的层系统(3，4)。在对于硬铬层的电解沉积为通常的预处理(诸如去油脂步骤)之后，通过施加脉冲的沉积电流将硬铬层(3)沉积在例如由钢或烧结材料构成的阀门构件的衬底的表面(1)上。在此，可以与衬底或所希望的层特性有关地以在现有技术中已知的方式来改变脉冲长度。因此可以在30A/dm2的平均电流密度的情况下调整例如20Hz的脉冲频率用于沉积。如此沉积的层显示出50 μ m的平均层厚度和> 900HV的硬度。在选择性的冲洗和干燥步骤之后，借助CVD将DLC层涂敷到如此获得的硬铬层(3)上。为此将要涂层的衬底从已被用于电镀沉积的支架上取下，并转送到适用于CVD沉积的货物支座中。这优选自动化地、例如借助合适的工业机器人来进行。于是利用货物支座将用硬铬层(3)涂层的衬底转送到相应的CVD设备中，在该CVD设备中涂敷具有3μπι的平均层厚度的DLC层(4)。如此获得的层系统(3，4)显示出防止磨蚀性磨耗的高耐久性以及良好的缺口冲击耐久性。除此之外，层系统(3，4)显示出良好的干运转特性。图3示出一种按照本发明方法已沉积的层系统。在对于硬铬层的电解沉积为通常的预处理(诸如去油脂步骤)之后，将第一铬层(5)沉积在例如由钢或烧结材料构成的阀门构件的衬底的表面(1)上。通过施加具有20A/dm2的平均电流密度的直流电流，铬层(5)被沉积直至30 μ m的层厚度。如此获得的铬层显示出500HV的硬度。不用将衬底转换到另外的电解液中，现在通过施加脉冲的沉积电流，将硬铬层(3)沉积到如此沉积的铬层上。在此， 可以与衬底或所希望的硬铬特性有关地以在现有技术中已知的方式改变脉冲长度。因此可以在70A/dm2的平均电流密度的情况下调整例如60Hz的脉冲频率用于沉积。如此沉积的层(3)显示出70 ym的平均层厚度和> 900HV的硬度。在选择性的冲洗和干燥步骤之后，借助CVD将DLC层涂敷到如此获得的硬铬层(3)上。为此将要涂层的衬底从已被用于电镀沉积的支架上取下，并转送到适用于CVD沉积的货物支座中。这优选自动化地、例如借助合适的工业机器人来进行。于是利用货物支座将用硬铬层(3)涂层的衬底转送到相应的CVD 设备中，在该CVD设备中涂敷具有3 μ m的平均层厚度的DLC层(4)。如此获得的层系统(3， 4)显示出防止磨蚀性磨耗的高耐久性以及良好的缺口冲击耐久性。除此之外，层系统(3， 4)显示出良好的干运转特性。
权利要求
1.一种用于在衬底表面上沉积具有改善的干运转特性的层系统的方法，至少具有以下的方法步骤-通过施加脉冲的沉积电流在衬底表面(1)上电镀沉积硬铬层(3，5)； -借助PVD或CVD将DLC层(4)涂敷到电镀沉积的硬铬层上。
2.根据权利要求1的方法，其中沉积具有在0.5μπι和300μπι之间的层厚度的硬铬层 (3，5)。
3.根据以上权利要求之一的方法，其中为了电镀沉积所述硬铬层(3，5)，调整具有在 ΙΟΑ/dm2和ΙΟΟΑ/dm2之间的平均电流密度的沉积电流。
4.根据以上权利要求之一的方法，其中为了电镀沉积所述硬铬层(3)，调整在0.IHz和 IOOOHz之间的沉积电流的脉冲频率。
5.根据以上权利要求之一的方法，其中为了电镀沉积所述硬铬层(3)，调整在1:1和 1 10、优选1 2和1 5之间的负电流密度/正电流密度的比例。
6.根据以上权利要求之一的方法，其中在金属表面上沉积层系统。
7.—种层系统，具有电镀沉积在衬底表面(1)上的第一硬铬层(3，5)和涂敷在所述第一硬铬层(3，5)上的DLC层(4)，其中所述硬铬层(3，5)具有在0. 5 μ m和300 μ m之间的层厚度。
8.根据权利要求7的层系统，其中所述硬铬层(3)具有>700HV的、优选在> 750HV 和彡1100HV之间的硬度。
9.根据权利要求4的层系统，其中所述DLC层(4)具有在1μ m和10 μ m之间的层厚度。
10.一种根据权利要求7至9之一的层系统用于阀门构件、尤其是气体阀门构件的涂层的用途。
全文摘要
本发明涉及具有渐次的硬度分布的磨损保护系统。本发明涉及一种用于制造具有改善的干运转特性的层系统的方法。本发明的层系统具有至少一个电镀沉积的硬铬层和涂敷在该层上的DLC层(类似金刚石的炭)。本发明还涉及一种按照本发明的方法制造的层系统以及将这种层系统用于阀门构件、尤其是气体阀门构件的涂层的用途。
文档编号C23C14/06GK102337538SQ20111020174
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月19日 优先权日2010年7月20日
发明者黑巴赫 A., 毛斯 H., 林纳 M., 希普庆 S. 申请人:罗伯特·博世有限公司