Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf Verschleissschutz-Beschiehtungen für Komponenten, Bauteile und Werkzeuge welche in der Anwendung hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Komponenten, Bauteile und Werkzeuge werden im Folgenden gemeinsam als Substrate bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung

Applikationen bei „hohen" Temperaturen stellen extreme Anforderungen an die Oberflächenfunktionalität von Bauelementen, Komponenten und Werkzeugen im Hinblick auf mechanische, strukturelle und chemische Stabilität dar. Um die langzeitstabile Oberflächenfunktionalität zu gewährleisten und somit die industrielle Prozessproduktiviiät zu sichern, stellt die vorliegende Erfindung Hartstoffschichtsysteme für Bauelemente, bewegliche Komponenten und Form- und Schneidwerkzeuge zur Verfügung, die in zufriedenstellender Weise den Verschleiss der Komponenten und der Werkzeuge bei verschiedenen industriellen Applikationen mit deutlich erhöhten thermischen Belastungen (d.h. Temperaturen von meh als 400°C, im folgenden Boehtemperaturapplikation genannt) verbessert. Die grundlegenden Eigenschaften dieses hochtemperaturstabilen Hartstoffschichtsystems sind wie folgt: i) Ausreichender Abrasiv-Verschleissschutz, it) ausreichender Adhäsiv-Verschleissschutz, Iii) ausreichende Schichthaftung und iv) ausreichende Temperaturstabilität (Phasenstabilität und Oxidatiönsbestätidigkeit).

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäss wird ein Besehichtungssystem vorgeschlagen, welches im Wesentlichen als Basis ein Mehrlägenschichtsystem umfasst. Auf diesem Mehrlagertschichtsystem ist ein Top-Schmierschichtsystem mit mindestens einer Lage vorgesehen. Dieses Top- Schmierschichtsystem schJiesst das Beschich^ngssystem nach aussen hin ab. Das Top- Schmierschichtsystem enthält als Hauptbestandteil Molybdän und kann je nach vorherrschendem Hochtemperatur-Triboköntakt und der daraus resultierenden mechanischen und chemischen Beanspruchung der Oberfläche, eine angepasste Architektur/Mikröstruktur sowie eine angepasste Zusammensetzung aufweisen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE litt Folgenden werden nähere Äusföhrtpgeo zur bevorzugten ArchitekturMikrostrukiur und Züsammetisetzun gegeben. Vereinfachend wird im Folgenden das Top-. Schmiersehiehtsystem auch Top-Sehmierschicht genannt. Figur 1 zeigt eine Erfindungsgemasse BescMchtung

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemässen Beschiehutig (Nanolagen)

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfihdungsgemässen Beschichung (Nanolagen)

Die Architektur dieser Top-Schmierschicht kann charakterisiert sein durch i) einen Monolayer Aufbau, ii) einen Bilayer Aufbau, Iii) einen Multilayer Aufbau oder iv) einen nanoiaminiertenÄufbau, wobei im Fall ii)-iy) durch den Aufbau die Mikrostruktur oder der Chemismus verändert wird. Gradierüngeh der Mikrostruktur und/oder der Zusammensetzung sind jedoch in allen Fallen i)-iv) möglich und angebracht, um für die jeweilige Applikation das Schmierverhalten in Abstimmung mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Grundsätzlich sind in allen Fällen die Schichten von nanoskaliger Natur.

Die chemische Zusammensetzung der Top-Schmierschicht ist im Allgemeinem wie folgt charakterisiert: Mo _a -X _b -Y _c wobei a, b und c die atomare Konzentration der jeweiligen Bestantteile angibt und a+b+c=l gilt und Molybdän als dominierendem Bestandfeil realisiert ist, d.h. 0<b<a und 0<c<a gilt, mit X als variablem Metall-Bestandteil: B, Si, V, W, Zr, Cu und Ag oder eine Kombination daraus, mit Y als variablem Nichtmetall-Bestandteil: C _? O und N oder eine Kombination daraus.

Besonders bevorzugt bei Hochterriperatorapplikationen oberhalb von 500°C sind Top- Schmierschichten mi folgenden Zusammensetzungen:

o Mo und/oder Mo-Cu

ö Mö-N und/oder Mo-Cu- N

o Mo-Ö- und/oder Mo-Cu-O-N

O Mo-Si-B und/öder Mo-Si-B-N

o Mo-Si-B-O-

Bevorzugt enthält die Top-Schmierschicht mindesten 95at% Molybdän. Besonders bevorzugt enthält die T p-Schmierschicht kein Aluminium. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Top-Schinierschicht zwischen 0.25 und 1.5 μτη, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 1.0 μιη. Bevorzugter Weise wird für eine bestimmte Hoehtemperaturapplikation (Temperatur, tribologischer Kontakt, Umgebungsatmospriäre und Datier) ein passendes Paar aus Top- Schmierschicht und darunterliegendem Schichtsystem evaluiert.

Im Folgenden soll beispielweise das Zusammenspiel einer Mo-X-Y Top-Schmierschicht mit einem darunterliegenden Mehrlagenschichtsystem erläutert werden. Der Wirkungsmechanismus der Top-Schrnierschicht in Kombination mit dem darunterliegenden Mehrlagenschichtsystem kann im Hinblick auf mechanische, strukturelle und chemische Stabilität bei diversen Hochtemperaiurapplikationen vermutlich wie folgt beschrieben werden: Während die op-Schmierscmcht ausschliesslich im Initialstadium des tribologischen Kontakts zum Einsatz kommt, indem diese Schmierschieht bei erhöhten Temperaturen unter Bildung einer Festkorperschmierphase (v.a. Metailoxide) kontinuierlich aufgebraucht wird, und somit das tribologische Einlaufverhalten optimiert (d.h. also den initialen tribologischen Kontakt für den weiteren Verlauf optimal konditioniert), ist das darunterliegende Mehrlagenschichtsystem (nach erfolgter Oberflächenkonditionierung durch die Top-Schmierschicht) für eine langanhaltende und hochtemperaturstabile Aufrechterhaltung des (abrasiven und adhäsiven) Versehleissschutzes zuständig. Es ist atminebmen, dass bei Temperaturen ab ca. 400°C die Oxidation der Top-Schmierschicht einsetzt (in Abhängigkeit von der genauen Mikrostruktur und Zusammensetzung). Die Oxidation der in der Top-Schmierschicht enthaltenden Metalle wie B, V, W, Zr, Cü, Ag und Mo kann zur Bildung von sogenannten„Magneli Phasen" führen. Es ist bekannt, dass solche Magneli Phasen exzellente Schmiereigenschaften (Festkörperschmierung) haben. Das darunter liegende Mehrlagenschichtsystem dagegen bietet durch seine Architektur in Abstimmung mit dem Schichtlagenchemismus nicht nur die erforderliche mechanische, strukturelle und chemische Hochtemperaturstabilität, sondern auch die wünschenswerte und im vorliegenden Fall kontrollierbare Bildung von Festkörperschmierphasen (v.a. Metalloxide es kan zur Bildung von sogenannten „Magneli Phasen" kommen) im stabilen Langzeiteinsatz bei hohen Temperaturen bis zu 1OO0°C.

Erfindungsgemäss umfasst das Mehrlagenschichtsystem zumindest eine hochtemperaturstabilisierte Schicht (HT-Schicht). Eine solche kann beispielsweise eine Zusammensetzung entsprechend (Mel , Me2, Mo)N.

In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung enthalt das Mehrlagenschichtsystem zumindest zwei Schichtpakete in welchen mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine schmieraktiv Schicht auf eine HT-Schicht folgt. Eine schmieraktive Schicht kann der HT-Schicht entsprechend, jedoch mit erhöhtem Moiybdänanteii aufgebaut sein. Dementsprechend würden die molybdänarmen ^' ScHehten die HT-Schichten bilden während die molybdänreichen Schichten die schmieraktiven Schichten bilden können. Vorzugsweise liegt die maximale Molybdänkonzentration in den molybdänreichen Schichten bei mindestens 10 at:%, besonders bevorzugt mindestens 20 at.% über der minimalen Molybdähkonzenlrätion 'di^^£Miε^hi>artel» 1ΐld ^' α^m Schichten. Die molybdänreichen Schichten des Wechselschichtsystems können beispielsweise sowohl mittels PVD-Veifahren unter Verwendung von Einzelkomponenten Materialquellen (Targets) als auch mittels PVD- Verfahren unter Verwendung von Mehrkomponenten Materialquellen abgeschieden werden.

Die molybdänreiehen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Schmierung weiter zu verbessern, ein oder mehrere weitere Elemente aus der Gruppe gebildet durch C, O, B, Si, V, W, Zr, Cu ₅ und Äg enthalten.

Die molybdänarmen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Hochtemperaturstabilität weiter zu verbessern, z.B. durch Verbesserun der mechanischen und chemischen Eigenschaften, ein oder mehrere weitere Elemente und dere Mischungen aus der Gruppe gebildet durch B, Si, W und Zr enthalten.

Auf dieses Mehrlagettschichtsystem wird erfiödungsgemäss eine Top-Schmierschicht wie oben angegeben angeordnet. Effindungsgemässe Substrate, d.h. mit dem erfindungsgemässen Beschichtungssystem beschichtete Substrate können überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo es in der Anwendung zu hohen Temperaturen und zur trtbolpgischen Beanspruchung kommt. Dies ist beispielsweise beim direkten Presshärten der Fall. Als Beispiele seien hier genannt: o Direktes Presshärten von AiSi-beschiehteten 22MnB5 ÜSSH-Blechen

o Direktes Presshärten von unbeschichteten 22MnB5 USSH-Bleehen

Weitere Anwendungsbeispiele sind

o Schmieden von hochfesten Metatlblechen o Zerspanung und Verformung insbesondere von hochfesten Titan- und ekeltegierungen

o Bauteile und bewegliche Komponenten i Verbrennungsmotoren und im

Turboladerbereieh

o Aluminium- und Magnesiumdruckguss

o Spritzgiessen und Extrusion insbesondere von hochfesten Kunststoffen oder

Aluminium.

Gemäss einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindun wird auf ein Presshärte- Formwerkzeug eine 2μηι dicke (Ti ₀ .sAio.$)N Schicht aufgebracht. Anschliessend folgen 5 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5μΐη dicke ( io.3Alo.3Moo. )N Schicht enthält auf die eine 0.5μηι dicke (Tio.sAlo.sJN Schicht folgt. Den Abschluss dieses MeMagensehichtsystems bildet eine 0.5μη dicke (Tio aAlojMoo ^ Schiebt. Das Gesam tsch i chtsystem dagegen wird durch eine 0.5μm dicke po^Sio^Boioa als Top- Schmiersehicht abgeschlossen. Als geeignete Töp-Schmierschichten sind i diesem konkreten Fall sind auch MoN und Mpo.95Guo.05N von besonderer Relevanz.

Gemäss einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte- Formwerkzeug eine 2μη dicke Schicht aufgebracht wobei Si optional auch weggelassen werden kann. Anschliessend folgen 5 Schichtpakete, wobei jedes Schiehtpaket eine 0.5μιη dicke eine 0.5μίη dicke (Alo.yCro ₃ > Schicht folgt. Den Abschluss dieses MeMangenscbichtsystems bildet eine 0,5 ^' μι_β dicke Schicht. Das Gesamtschichtsystem dagegen wird durch eine 0.5μηι dicke MoN Schicht als Top-Schmierschicht abgeschlossen.

Bevorzugt ist ausserdem eine Beschichtung mit Mehrlagenschiehtsystcm umfassend Verbindungen (C und/oder N und/ode O) vo AI und B und den Elementen der IV und V Nebengmppe einerseits und Mo-Verbindungen (C und/oder B und/oder N und/öder O) andererseits, und mit Top-Sehmierschicht di eine Mo-Verbindun mit Mo als Hauptkomponente enthält und deren Dicke gleich gross, bevorzugt dicker als die der Mo- haltigen Schichten im Multilayer ist.

Besonders bevorzugt ist die Beschichtung mit Mehrlägehschichtsystem wie pbeh, bei dem der integrale Anteil von Mo am Gesamtanteil der Metalle kleiner 50 at.% ist. Weitere Versuche habe zu folgenden Merkmalen vo besonders bevorzugten

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geführt:

- Die schmieraktive Schichte (TiAlMoN) sollen vorteilhafter Weise einen

(gemittelten; wenn gemessen mit EDX bei lökV) Mo-Gehalt von 20-60 at.% haben, bevorzugt 25-35 at.%. besonders bevorzugt 30 at.% haben.

Der (gemittelte) Mo-Gehalt kann auch über die Architektur ( anolayer-Struktur) der schmieraktiven Schichten gesteuert werden (siehe Bilder unten). Unter Verwendung von 2 Target-Typen (Mo und TiAl) ist technisch so etwas über i) eine Änderun der

Rotationsgeschwindigkeit und oder über ii) eine Änderung der Target-Parameter aller gleichzeitig laufender Target realisierbar.

Die Dicke der MoN -reichen Schichten im TiAlMo (bellen Schichten im Nanolayer) kann variieren zischen 10-6Önm, bevorzugt zwischen 2Ö-50nm ₅ besonders bevorzugt zwischen 30-40ηηκ Die optimale Dicke der MoN-reichen Schichten im TiAlMoN scheint bei ca. 40nm zu liegen.

Ein Mo-Gehalt von ca. 30 at.% in den schmieraktiven Schichten (TiAlMoN) kann bei Temperaturen von cä. 80G-900°C sehr günstig die Oberflächenoxidation vorantreiben (ohne das Gesamtschichtgefiige nachteilig zu beeinflussen^ so dass stets ausreichend (Oxid) Schmiermittel angeboten wird, um im Langzeiteinsätz ei Aufschmiere von AISi zu unterbinden. Die haben applikationsnahe Tests (z.B. HT-SRV-Test mit kontinuierlichem Wechsel des Usibor®- Blechs wobei stets die gleiche Schicht getestet wird) gezeigt.

Sehr vorteilhaft ist auch die Tatsache, dass bei Variation des Mo-Oehalts im Bereich von 20-40 at.% in den sehmieraktiven Schichten (TiAlMoN), die mechanischen Eigenschaften (Härte^ E-Modul, Haftung), die strukturellen Eigenschaften (Phasenbestand) wie auch die OxidationSeigenschaften (Wachstum einer Oxidschischt bei 800°C für 1 h in Umgebungsatmoshpäre) der Gesamtschicht nicht signifikant verändert werden. Das ermöglicht gezielt die Architektur sowie die Zusammensetzung für diverse HT-Applikationeh in Bezug auf Beständigkeit gegen Abrasi v- und Adhäsiv- Verschleiss zu optimieren.