Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Haftvermittlerschicht und mehrere, auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht angeordnete Funktionsschichten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil umfassend ein metallisches Substrat und auf dem Substrat angeordnet ein derartiges Schichtsystem. Dabei soll das Schichtsystem als Verschleißschutzschicht dienen.

Schichtsysteme und Bauteile der eingangs genannten Art sind hinreichend bekannt. So offenbart die DE 10 201 1 006 294 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Metallbauteils. Das auf das Metallbauteil aufgebrachte Schichtsystem um- fasst wenigstens eine, unter anderem metallische, Haftvermittlerschicht und eine Funktionsschicht. Die Funktionsschicht ist beispielsweise eine nitridische Hartstoffschicht oder eine Nanokompositschicht aus einem nitridischen Hartstoff und einer me- tallischen Komponente, die beispielsweise durch ein Element der 3. bis 5. Hauptgruppe oder der 1. bis 8. Nebengruppe des Periodensystems der chemischen Elemente gebildet ist.

Aus der WO 2012/078151 A1 sind nitridische Verschleißschutzschichten und damit beschichtete Bauteile bekannt. Die Verschleißschutzschicht weist Molybdännitrid- Körner mit einer Korngröße im Bereich von 5 bis 100 nm verteilt in einer Kupfermatrix auf, wobei die Kupfermatrix zu 0, 1 bis 50 Gew.-% in der Verschleißschutzschicht vorhanden ist und die einzelnen Molybdännitrid-Körner umschließt.

Es hat sich gezeigt, dass die im Stand der Technik beschriebenen Kompositschichten, umfassend eine Metallmatrix und darin eingebettete Körner eines nitridischen Hartstoffs, zwar eine Verschleißschutzschicht ausbilden, dass allerdings eine ausreichende Reduzierung der Reibung gegenüber einem Reibpartner, insbesondere unter Verwendung von Schmiermitteln im Bereich einer Kontaktfläche zwischen dem Schicht- System und dem Reibpartner, nicht erreicht wird. Während diamantartige Schichten, auch DLC-Schichten genannt, sowohl eine Verschleißschutzschicht ausbilden als auch bei Einsatz von Schmiermitteln für eine effiziente Reibungsreduzierung gegenüber einem Reibpartner sorgen, ist dies bei den beschriebenen Kompositschichten umfassend eine Metallmatrix und darin eingebettete Körner eines nitridischen Hartstoffs nicht in der gleichen Weise beobachtbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Schichtsystem enthaltend mindestens einen nitridischen Hartstoff bereitzustellen, das sowohl als Verschleißschutzschicht dient und bei einem reibenden Verschleiß unter Schmiermitteleinsatz eine Reibungsreduzierung gegenüber dem Reibpartner bewirkt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bau- teil bereitzustellen, das zumindest partiell mit einem derartigen Schichtsystem beschichtet ist.

Die Aufgabe wird durch ein Schichtsystem gelöst umfassend:

- mindestens eine Haftvermittlerschicht; und

- mehrere, auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht angeordnete Funktionsschichten, wobei jede Funktionsschicht eine erste Nanolage aus einem ersten Metallnitrid umfassend eine erste Metallkomponente sowie eine metallische zweite Nanolage (3b, 4b, 5b, 6b) umfasst, wobei jede Funktionsschicht (3, 4, 5, 6) eine Schichtdicke d im Bereich von 1 bis 100 nm aufweist.. Unter einer„Nanolage" wird im Sinne der Erfindung eine Einzelschicht verstanden, die eine Schichtdicke im Bereich von 0, 1 bis 99,9 nm aufweist. Dabei bilden zwei Nanola- gen zusammen eine Funktionsschicht mit der Schichtdicke d aus. Insbesondere liegt eine Schichtdicke einer Nanolage im Bereich von 1 bis 20 nm.

Es hat sich überraschender weise gezeigt, dass das erfindungsgemäße Schichtsys- tem eine hohe Verschleißschutzwirkung bereitstellt und weiterhin einem Reibpartner gegenüber unter Einsatz von Schmiermitteln zu einer effektiveren Reduzierung der Reibung führt, als wenn eine eingangs genanntes Kompositschicht zum Einsatz kommt. Unter einem Schmiermittel werden hier Schmieröl, Schmierfett, Wachse, Festschmierstoffe, und dergleichen, sowie deren Kombinationen, sowie auch Schmieröle enthaltend herkömmliche Motorenadditive, verstanden. Bevorzugt ist es dabei, wenn die metallische zweite Nanolage gebildet ist aus mindestens einem Metall der 3. bis 7. Nebengruppe des Periodensystems der chemischen Elemente. Besonders bevorzugt ist es, wenn die metallische zweite Nanolage gebildet ist aus mindestens einem Metall aus der Gruppe umfassend Kupfer, Palladium, Silber, Platin, Iridium, Gold. Insbesondere ist dabei eine zweite Nanolage gebildet aus Kupfer bevorzugt.

Bevorzugt umfasst die mindestens eine Haftvermittlerschicht eine erste Haftvermittlerschicht aus einem weiteren Metall oder einem zweiten Metallnitrid umfassend eine zweite Metallkomponente. Dabei kann das weitere Metall oder die zweite Metallkomponente gleich oder unterschiedlich zur ersten Metallkomponente des ersten Metallnitrids der ersten Nanolagen gewählt sein. Insbesondere ist die erste Haftvermittlerschicht aus Chrom, Chrom-Aluminium-Legierungen, Titan, Molybdän oder Zirkon gebildet. Alternativ hat es sich bewährt, wenn die erste Haftvermittlerschicht aus einem Chromnitrid CrN, Titannitrid TiN, CrAIN oder Molybdännitrid MoN gebildet ist.

Die erste Haftvermittlerschicht weist eine bevorzugte Schichtdicke im Bereich von 0,01 bis 2 pm auf. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die mindestens eine Haftvermittlerschicht eine zweite Haftvermittlerschicht umfasst, wobei diese die erste Metallkomponente des in der Funktionsschicht vorgesehenen ersten Metallnitrids und weiterhin das in der ersten Haftvermittlerschicht enthaltene weitere Metall oder die zweite Metallkomponente umfasst. Die zweite Haftvermittlerschicht weist dabei insbesondere einen Gradientenver- lauf auf, wobei der Anteil des weiteren Metalls oder der zweiten Metallkomponente, das/die in der ersten Haftvermittlerschicht enthalten ist, in Richtung der Mehrzahl von Funktionsschichten abnimmt und der Anteil der ersten Metallkomponente des in der Funktionsschicht vorgesehenen ersten Metallnitrids entsprechend zunimmt. Die zweite Haftvermittlerschicht stellt damit einen Übergang zwischen der ersten Haftvermitt- lerschicht und der an die zweite Haftvermittlerschicht angrenzenden Funktionsschicht her.

Die zweite Haftvermittlerschicht weist eine bevorzugte Schichtdicke im Bereich von 0,01 bis 2 pm auf. Dabei ist bevorzugt, dass nacheinander die erste Haftvermittlerschicht, auf der ersten Haftvermittlerschicht die zweite Haftvermittlerschicht und auf der zweiten Haftvermittlerschicht die mehreren Funktionsschichten angeordnet sind.

Insbesondere ist eine Anzahl n an Funktionsschichten im Bereich von 10 bis 10000, besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 1000, vorhanden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsys- tem, umfassend die mindestens eine Haftvermittlerschicht und die mehreren Funktionsschichten, eine Gesamtschichtdicke D im Bereich von 0, 1 pm bis 10 pm auf. Bei einer derartigen Gesamtschichtdicke ist einerseits eine ausgezeichnete Haftung des Schichtsystems an einem Substrat bei gleichzeitig geringer Herstelldauer und geringen Prozesskosten erzielbar, sowie andererseits ein effizienter Verschleißschutz und eine Reibungsreduzierung bei Verwendung von Schmiermitteln.

Bevorzugt ist das erste Metallnitrid der ersten Nanolage durch Molybdännitrid MoN gebildet. Alternativ kann das erste Metallnitrid aber auch durch einen anderen nitridischen Hartstoff, wie CrN, Cr ₂ N, TaN, NbN, TiN, Ti ₂ N, ZrN, VN, AIN, gebildet sein.

Es hat sich bewährt, wenn die erste Nanolage einer jeden Funktionsschicht dicker ausgebildet ist als die der Funktionsschicht zugehörige zweite Nanolage. Dadurch lassen sich die reibmindernden Eigenschaften des Schichtsystems optimieren. Eine Summe der Funktionsschichten des Schichtsystems weist vorzugsweise einen mittleren Gehalt an Metall der zweiten Nanolage im Bereich von 0,1 bis 20 At.-% auf.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem ist/wird bevorzugt mittels eines PVD- Verfahrens (PVD = Physical Vapour Deposition) bei Temperaturen kleiner als 350°C ausgebildet.

Das Schichtsystem weist insbesondere eine Vickers-Härte im Bereich von 1000 bis 4000 HV auf. Dadurch ist ein hoher Verschleißschutz gewährleistet. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Bauteil, umfassend ein metallisches Substrat und ein zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats angeordnetes erfindungsgemäßes Schichtsystem , wobei die mindestens eine Haftvermittlerschicht, insbesondere die erste Haftvermittlerschicht, angrenzend an das Substrat angeordnet ist.

Das metallische Substrat ist bevorzugt aus Stahl gebildet. Insbesondere sind dabei Stahlsorten wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2, 42CrMo4 und dergleichen bevorzugt.

Das Bauteil ist insbesondere als ein Maschinenbauteil, insbesondere in Form eines Tassenstößels, einer Kettenkomponente, einer Wälzlagerkomponente, eines Steuerkolbens, einer Lagerbuchse, eines Schlepphebels, einer Rollenstößelkomponente, einer Gleitlagerkomponente und dergleichen ausgebildet.

Zur Ausbildung des Schichtsystems in einem PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapour Deposition) wird bevorzugt eine Apparatur zur Kathodenzerstäubung eingesetzt.

In einem ersten Schritt wird die mindestens eine Haftvermittlerschicht zumindest parti- eil auf mindestens ein Substrat aufgebracht. Insbesondere wird eine metallische erste Haftvermittlerschicht, beispielsweise aus Chrom, auf der Oberfläche des mindestens einen Substrats abgeschieden. Dabei kann eine vollflächige oder partielle Abschei- dung der ersten Haftvermittlerschicht auf dem Substrat erfolgen.

Anschließend wird eine zweite Haftvermittlerschicht, insbesondere aus Chrom und Molybdän, auf der ersten Haftvermittlerschicht abgeschieden. Dabei nimmt der Gehalt an Chrom ausgehend von der ersten Haftvermittlerschicht in Richtung der Funktionsschicht bevorzugt ab.

Zur Ausbildung der Funktionsschichten werden die Substrate beispielsweise auf einem Substrathalter angeordnet, der in einer Vakuumkammer der Apparatur zur Ka- thodenzerstäubung mittig um eine senkrechte Achse rotierbar ist. An sich gegenüberliegenden Seitenwänden der Vakuumkammer werden Targets angeordnet, die aus unterschiedlichen Zerstäubungsmaterialien gebildet sind. Hier wird die Vorgehenswei- se anhand von Funktionsschichten umfassend jeweils eine erste Nanolage aus Molybdännitrid MoN und eine zweite Nanolage aus Kupfer beispielhaft beschrieben. An einer ersten Seitenwand der Vakuumkammer wird mindestens ein Kupfertarget und auf der gegenüberliegenden Seitenwand mindestens ein Molybdäntarget angeordnet. Ein oder mehrere Substrate werden derart an dem Substrathalter und in der Vakuumkammer um die senkrechte Achse rotierbar angeordnet, dass ein jedes abwechselnd in den Einflussbereich des mindestens einen Kupfertargets und den des mindestens einen Molybdäntargets gelangt. In die Vakuumkammer wird als Reaktionsgas Stickstoff eingebracht, welches im Bereich des mindestens einen Molybdäntargets mit dem zerstäubten Molybdän, welches ein Nitridbildner ist, reagiert und auf dem Substrat als erste Nanolage aus Molybdännitrid MoN abgeschieden wird. Das Substrat wird durch den Substrathalter nun in Richtung des mindestens einen Kupfertargets rotiert und auf der gebildeten ersten Nanolage aus MoN eine zweite Nanolage aus Kupfer Cu abgeschieden, wodurch eine erste Funktionsschicht fertiggestellt ist. Um weitere Funkti- onsschichten aufzubringen, wird das Substrat durch den Substrathalter nun weiter in Richtung des mindestens einen Molybdäntargets rotiert und auf der gebildeten zweiten Nanolage aus Kupfer eine weitere erste Nanolage aus MoN gebildet. Das Substrat wird durch den Substrathalter erneut in Richtung des mindestens einen Kupfertargets rotiert und auf der gebildeten weiteren ersten Nanolage aus MoN eine weitere zweite Nanolage aus Kupfer abgeschieden, wodurch eine zweite Funktionsschicht fertiggestellt ist. Es werden nun so viele weitere Funktionsschichten in gleicher Art aufgebracht, bis vorzugsweise eine Gesamtschichtdicke D des Schichtsystems im Bereich von 0, 1 bis 10 pm erreicht ist. Dabei wirkt sich die Drehgeschwindigkeit des Substrathalters unmittelbar auf die Schichtdicke und die Anzahl der Nanolagen aus. Je höher die Drehgeschwindigkeit bei ansonsten gleichbleibenden Abscheidebedingungen gewählt ist, desto geringer ist die Schichtdicke einer Nanolage und desto höher ist die Anzahl n an Nanolagen im Schichtsystem.

Es können aber auch Durchlaufanlagen zur Kathodenzerstäubung eingesetzt werden, um das Schichtsystem herzustellen, bei welcher die Substrate in einer Durchschub- richtung durch eine Vakuumkammer transportiert werden. Dabei können die Substrate zusätzlich zu einer Bewegung in Durchschubrichtung weiterhin um ihre Längsachse gedreht oder gewendet werden. Nachfolgend werden einige besonders bevorzugte erfindungsgemäße Schichtsysteme beschrieben:

Schichtsvstem 1 :

Erste Haftvermittlerschicht: Chrom

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Molybdän

Funktionsschicht: erste Nanolage: MoN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 2:

Erste Haftvermittlerschicht: Chrom

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Niob

Funktionsschicht: erste Nanolage: NbN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 3:

Erste Haftvermittlerschicht: Chrom

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Titan

Funktionsschicht: erste Nanolage: TiN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 4:

Erste Haftvermittlerschicht: Chrom

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Tantal

Funktionsschicht: erste Nanolage: TaN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 5:

Erste Haftvermittlerschicht: Chrom Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Zirkon

Funktionsschicht: erste Nanolage: ZrN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 6:

Erste Haftvermittlerschicht: Chromnitrid

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Zirkon

Funktionsschicht: erste Nanolage: ZrN

zweite Nanolage: Pd

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 7:

Erste Haftvermittlerschicht: Chromnitrid

Zweite Haftvermittlerschicht: Chrom, Molybdän

Funktionsschicht: erste Nanolage: MoN

zweite Nanolage: Ag

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 100 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 8:

Erste Haftvermittlerschicht: Titan

Zweite Haftvermittlerschicht: Titan, Molybdän

Funktionsschicht: erste Nanolage: MoN

zweite Nanolage: Au

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 100 Mal vorhanden.

Schichtsvstem 9:

Haftvermittlerschicht: Molybdän

Funktionsschicht: erste Nanolage: MoN

zweite Nanolage: Cu

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden. Schichtsystem 10:

Erste Haftvermittlerschicht: Titannitrid

Zweite Haftvermittlerschicht: Titan, Molybdän

Funktionsschicht: erste Nanolage: MoN

zweite Nanolage: Ir

Die Funktionsschicht ist dabei mindestens 10 Mal vorhanden.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem und ein Bauteil in Form eines damit zumindest partiell beschichteten Substrats soll mittels der Figuren 1 und 2 beispielhaft erläutert werden.

So zeigt:

Figur 1 ein Bauteil mit einem Schichtsystem; und

Figur 2 eine Apparatur zur Bildung des ersten Schichtsystems auf einem

Substrat im Querschnitt in der Draufsicht.

Figur 1 zeigt ein Bauteil 100 mit einem Schichtsystem 1 , das auf einen Teil einer Oberfläche 10a eines Substrats 10 aufgebracht ist. Das Substrat 10 ist hier aus Stahl gebildet. Das Schichtsystem 1 umfasst ausgehend von der Oberfläche 10a des Substrats 10 eine Haftvermittlerschicht 2, welche eine erste Haftvermittlerschicht 2a aus Chrom und eine zweite Haftvermittlerschicht 2b aus Chrom und Molybdän umfasst. Der Gehalt an Chrom der zweiten Haftvermittlerschicht 2b folgt einem Gradienten und sinkt ausgehend von der ersten Haftvermittlerschicht 2a in Richtung der Funktionsschichten 3, 4, 5, 6. Es sind hier der Übersichtlichkeit halber lediglich vier der vorgesehenen Anzahl an n = 15 Funktionsschichten dargestellt. Auf der zweiten Haftver- mittlerschicht 2b ist eine erste Funktionsschicht 3 aufgebracht, welche eine erste Nanolage 3a aus Molybdännitrid MoN und darauf eine zweite Nanolage 3b aus Kupfer Cu umfasst. Auf der ersten Funktionsschicht 3 ist eine zweite Funktionsschicht 4 aufgebracht, welche ebenfalls eine erste Nanolage 4a aus MoN und darauf eine zweite Nanolage 4b aus Cu umfasst. Auf der zweiten Funktionsschicht 4 ist eine dritte Funk- tionsschicht 5 aufgebracht, welche ebenfalls eine erste Nanolage 5a aus MoN und darauf eine zweite Nanolage 5b aus Cu umfasst. Auf der dritten Funktionsschicht 5 ist eine vierte Funktionsschicht 6 aufgebracht, welche ebenfalls eine erste Nanolage 6a aus MoN und darauf eine zweite Nanolage 6b aus Cu umfasst. Die Gesamtschichtdicke D des Schichtsystems 1 beträgt hier 0,5 pm. Die Schichtdicke einer jeden Funktionsschicht 3, 4, 5, 6 beträgt hier 15 nm, wobei eine jede erste Nanolage 3a, 4a, 5a, 6a eine Schichtdicke von ca. 10 nm und jede zweite Nanolage 3b, 4b, 5b, 6b eine

Schichtdicke von etwa 5 nm aufweist.

Figur 2 zeigt lediglich beispielhaft und schematisch eine Apparatur zur Bildung des Schichtsystems 1 gemäß Figur 1 auf dem Substrat 10 im Querschnitt und in der Draufsicht. Die Apparatur ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst eine Vakuumbehälter 200 mit einer Vakuumkammer 201 , in welcher ein Substrathalter 202 an- geordnet ist. Der Substrathalter 202 ist in Form eines, um eine senkrechte Achse 205 rotierbaren Hohlzylinders (siehe Pfeile zur Kennzeichnung der Drehrichtung in Figur 2) ausgebildet, an dessen Außenseite eine Mehrzahl an Substraten 10 befestigt ist. An sich in der Vakuumkammer 201 gegenüberliegenden Seitenwänden des Vakuumbehälters 200 sind Targets 203, 204 angeordnet. Das Target 203 ist mindestens ein Mo- lybdäntarget zur Zerstäubung von Molybdän und Ausbildung der ersten Nanolagen 3a, 4a, 5a, 6a (vergleiche Figur 1 ), während das weitere Target 204 mindestens ein Kupfertarget zur Zerstäubung von Kupfer und Ausbildung der zweiten Nanolagen 3b, 4b, 5b, 6b ist. In der Vakuumkammer 201 ist ein Unterdruck eingestellt, wobei eine Atmosphäre enthaltend Stickstoff als Reaktionsgas vorliegt. Bei der Kathodenzerstäu- bung wird das Molybdän des Targets 203 zerstäubt und reagiert mit dem Stickstoff in der Vakuumkammer 201 . Auf den Substraten 10, die sich bei Rotation des Substrathalters 202 jeweils zwischen dem Target 203 und dem Substrathalter 202 befinden, wird eine erste Nanolage 3a, 4a, 5a, 6a aus MoN abgeschieden. Aufgrund der Rotation des Substrathalters 202 werden die mit der ersten Nanolage 3a, 4a, 5a, 6a be- schichteten Substrate 10 daraufhin in Richtung des Targets 204 transportiert, bis diese sich zwischen dem Target 204 und dem Substrathalter 202 befinden. Nun wird auf der ersten Nanolage 3a, 4a, 5a, 6a die zweite Nanolage 3b, 4b, 5b, 6b gebildet. Durch Weiterdrehen des Substrathalters 202 erfolgt ein weiterer Auftrag von weiteren Funktionsschichten, bis die gewünschte Anzahl n an Funktionsschichten erreicht ist. Bezugszeichenliste:

1 Schichtsystem

2 Haftverm ittlerschicht

2a erste Haftvermittlerschicht 2b zweite Haftvermittlerschicht

3, 4, 5, 6 Funktionsschicht

3a, 4a, 5a, 6a erste Nanolage

3b, 4b, 5b, 6b zweite Nanolage

10 Substrat

10a Oberfläche des Substrats

100 Bauteil

200 Vakuumbehälter

201 Vakuumkammer

202 Substrathalter

203 Target

204 Target

205 senkrechte Achse n Anzahl an Funktionsschichten d Schichtdicke einer Funktionsschicht D Gesamtschichtdicke des Schichtsystems