(57)【要約】【課題】  機械部材表面の摩擦および摩耗を減少でき、相手部材の寿命をも高めることができる被覆を提供する。【解決手段】  耐摩耗性被覆を、少なくとも２つのＣｒＮx相を含む少なくとも１つのナノ結晶機能層（４）により形成する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部材（１）の所定の面（２）の摩擦の減少及び耐摩耗性の増加のために、少なくとも２つのＣｒＮｘ相を含む少なくとも１つのナノ結晶機能層（４）からなる、特に内燃機関の、摩擦摩耗をこうむる機械部材（１）の所定の面（２）の上の耐摩耗性被覆（３、４）。
【請求項２】
少なくとも１つの耐摩耗性被覆（４）が主としてＣＲ2Ｎ結合及びＣｒＮ結合を含む準安定混合層からなることを特徴とする、請求項１に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項３】
準安定混合相のＣｒ2Ｎ結合の割合が少なくとも７０％であることを特徴とする、請求項２に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項４】
少なくとも１つの機能層（４）が１０ｎｍの範囲内の粒度を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項５】
少なくとも１つの機能層（４）が２，５００ＨＶ〜３，２００ＨＶの硬さを有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項６】
少なくとも１つの機能層（４）が最大０．０４μｍの平均粗さＲaを有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項７】
少なくとも１つの機能層（４）が０．１μｍないし４．０μｍ、とりわけ２．０μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項８】
少なくとも１つの機能層（４）が少なくとも２つのＣｒＮx相を含む複数のナノ結晶個別層からなり、個々の層が段階的に又は一定不変の層組成で被着されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項９】
少なくとも１つの機能層（４）がサブプランテーションした炭素を有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１０】
機械部材（１）の所定の面（２）とＣｒＮx機能層（４）の間に少なくとも１つの支持層（３）及び／又は少なくとも１つの付着仲介層（３）が設けられ、上記の層（３）が例えばＰＶＤ（物理蒸着）法により金属含有、例えばタングステン含有炭素層として、遷移金属の炭化物及び／又は窒化物を有する層として、熱処理により肌焼、炭窒化又は浸炭窒化層として、熱化学的方法により窒化又はホウ素化層として、電気メッキ法によりクロム含有層等として形成されていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１１】
少なくとも１つの支持層（３）及び／又は少なくとも１つの付着仲介層（３）が約０．１μｍないし４．０μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１０に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１２】
機械部材（１）の所定の面（２）が１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２等からなることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１３】
機械部材（１）の所定の面（２）が最大０．０３μｍの平均粗さＲaを有することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１４】
タペット（５）、ドラッグレバー又はロッカアーム（１１）として形成された機械部材の上の摺動接触層として使用されていることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆（３、４）。
【請求項１５】
バケットタペット（５）のカム接触面（５０）又はバケットタペット（５）のカム接触面（５０）及びバケット外周面（５１）の全部又は一部を形成していることを特徴とする請求項１乃至９いずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１６】
弁駆動機構部品、機械式又は油圧式バケットタペット、弁軸又は弁軸ささえ、油圧式支持又は差込み部材、ころがり軸受部品、特にエンジン区域の噴射ノズルのための制御ピストン、解放用軸受、ピストンピン、軸受ブシュ、リニアガイド等の所定の面の上の層として設けられていることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の耐摩耗性被覆。
【請求項１７】
特に内燃機関の、摩擦摩耗をこうむる機械部材（１）の所定の面（２）の耐摩耗性被覆（３、４）の製造方法において、
機械部材（１）の所定の面（２）の摩擦の減少及び耐摩耗性の増加のために、機械部材（１）の所定の面（２）に少なくとも２つのＣｒＮx相からなる少なくとも１つのナノ結晶機能層（４）を被着することを含む方法。
【請求項１８】
少なくとも１つのナノ結晶機能層（４）をＰＶＤ法、とりわけ反応性ＰＶＤスパッタリング法により機械部材（１）の所定の面（２）に析出することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの機能層（４）を、主としてＣｒ2Ｎ結合及びＣｒＮ結合を含む準安定相から形成することを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
準安定混合相のＣｒ2Ｎ結合の割合が少なくとも７０％である少なくとも１つの機能層（４）を形成することを特徴とする、請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
少なくとも２つのＣｒＮx相を含む複数のナノ結晶個別層からなる少なくとも１つの機能層（４）を形成し、その際個々の層を段階的に又は一定不変の層組成で被着することを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの機能層（４）に炭素のサブプランテーションを行うことを特徴とする、請求項１７乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
機械部材（１）の所定の面（２）と四面体アモルファス炭素層（４）との間に少なくとも１つの支持層（３）及び／又は少なくとも１つの付着仲介層（３）を設け、上記の層（３）を例えばＰＶＤ法により金属含有、例えばタングステン含有炭素層として、遷移金属の炭化物及び／又は窒化物を有する層として、熱処理により肌焼、炭窒化又は浸炭窒化層として、熱化学的方法により窒化又はホウ素化層として、電気メッキ法によりクロム含有層、例えば窒化クロム層等として形成することを特徴とする、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
析出の前に機械部材（１）の所定の面（２）を肌焼き及び／又は炭窒化し、焼戻すことを特徴とする請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの析出した機能層（４）の機械的再加工を行わないことを特徴とする請求項１７乃至２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの機能層（４）の析出を、機械部材（１）の焼戻し温度より低い被覆処理温度で行うことを特徴とする請求項１７乃至２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
機械部材（１）の所定の面（２）の再熱処理を行わないことを特徴とする請求項１７乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦摩耗をこうむる機械部材の所定の面の耐摩耗性被覆及び特に内燃機関の機械部材のためのこのような耐摩耗性被覆の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明及びその根底にある課題は、任意の機械部材に適用できるが、内燃機関の機械部材について、特に弁駆動機構部品、例えばバケットタペットについて詳しく説明する。
【０００３】
例えば往復ピストンを備えた自動車エンジンに取り付けられたカムタペット装置は周知である。エンジンは吸気弁と排気弁を有し、これらの弁はクランクシャフトの回転に同調して又はこれと同期して開閉される。カムシャフトがエンジンのクランクシャフトと共転する場合は、弁駆動機構はカムシャフトに取り付けられたカムの運動を弁に伝達するために使用される。その場合カムシャフトのカムは所属のバケットタペットの接触面と摩擦接触する。
【０００４】
一般に近代的な弁駆動機構部品、例えばバケットタペット及びポンプタペットは、耐摩耗性や資源保全に関して高まる要求に直面する。高い耐摩耗性の必要性の原因は、制御カム及び制御タペットからなるトライボロジー的系統の負荷と負担がますます高くなることにある。その原因は絶えず上昇する噴射圧力、潤滑剤中の摩耗性粒子の割合の増加、摩擦相手の給油不足（これは大きな割合の混合摩擦をもたらす）及びコストと重量の抑制のためにトライボロジー的に不利なスチールカムの使用が増えていることにある。弁駆動機構の摩擦損失の減少は資源保全のための重要な寄与であり、その結果燃料の節約と同時に弁駆動機構全体の寿命が増加する。摩擦損失を効果的に減少するために、広い回転数範囲にわたって摩擦モーメントを低下することが必要である。
【０００５】
内燃機関の弁制御のためのこの種のバケットタペットを軽合金タペットとして形成し、このタペットがタペット本体及び弁制御装置の制御カムとの接触面に挿入された焼入れ面付きスチールプレートを有することは周知である。
【０００６】
ところがこの手法の欠点として、このようなバケットタペットは約１３０℃以下の冷機始動で内燃機関の運転中に３０℃に及ぶ比較的大きな温度変動をこうむることが判明した。その場合使用する材料の様々な熱膨張が起こることが問題である。耐摩耗性挿入物として軽合金タペットに挿入されるスチールプレートは確かに優れた耐摩耗性を有するが、しかし当該の熱負荷のもとで剥離する傾向がある。このため熱負荷容量が限られている。もう一つの応用技術的欠点は、機能面又は弁制御装置の制御カムが接触するカム接触面としての比較的広い周縁部の形の取付けスペースがなくなることである。
【０００７】
また摩擦摩耗をこうむる機械部材の接触面に、適用例に応じてとりわけ電気メッキにより被覆した金属又は熱溶射法で被覆した金属及び／又は場合によっては超硬材料添加物を含む金属化膜からなる摩耗保護層を設けることも先行技術による手法で知られている。
【０００８】
ところがこの手法では、熱溶射金属層の強度が比較的低いことが欠点であることが判明した。そこで強度の改善のために金属層を被着の後に例えばプラズマビーム、レーザビーム、電子線又はアークによって再溶解し、溶射材料及びそれと共に表面区域で融解した基材とを溶融状態で混合し、合金することが知られている。ところが再溶解合金処理の際に種々の組成の不均質区域が発生し、ここでは基材も層材料も優勢となる。基材の割合が高すぎれば層の摩耗があまりに高く、基材の割合が小さければ種々の層組合せでマクロクラックの発生の危険があるので、このような層は使用できない。このような場合は摩擦荷重が層の望ましくない付着摩耗を引き起こす恐れがある。
【０００９】
またバケットタペットの接触面を熱化学的処理により浸炭及び／又は浸炭窒化する手法は出願人の知るところである。ところがこの手法では、十分な摩擦係数が得られず、あまりに低い耐摩耗性が生じることが欠点であることが判明した。
【００１０】
またタペットの接触面をリン酸マンガン層又は潤滑塗料で被覆することは出願人の知るところである。この場合も十分な摩擦係数と耐摩耗性が得られない。しかもこのような材料によって環境に不要な負担が掛かる。同じく接触面に被着される電気メッキ層にも同じことが当てはまる。
【００１１】
また被覆材料として超硬合金及び快削鋼（ＡＳＰ２３）が先行技術で周知である。ところがこれは不十分な摩擦係数及び不十分な耐摩耗性に加えて、不利な大きな重量を有する。またその製造はもっぱら高い製造費を伴う。
【００１２】
さらに、例えばＰＶＤ法又は（ＰＡ）ＣＶＤ（プラズマ化学蒸着）法により作製される硬い層、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎは出願人の知るところである。ところがこの手法の欠点として、これらの層は再加工しなければ、相手部材の大きな摩耗をもたらすことが判明した。再加工の場合は表面が反応性であるため、不確定な表面状態が生じる。
【００１３】
表層に２０ないし６０原子％の水素を含む炭素ベースのＰＶＤ及び（ＰＡ）ＣＶＤ層、いわゆる金属含有炭水素層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ）及びアモルファス炭水素層（ａ−Ｃ：Ｈ）が米国特許第５，２３７，９６７号により周知である。しかしこれらの層は耐摩耗性があまりに小さく、化学的安定性が低い。またこれらの層は油潤滑状態で減摩を保証しないから、あまりに高い液体摩擦係数を有する。
【００１４】
前述のように弁駆動機構の摩擦の減少は、燃料節約及び資源保全のために不可欠な寄与である。固体摩擦及び混合摩擦の領域を減少し、こうして完全に材料を分離して液体摩擦の領域を増加することにより、この目標を達成することができる。バケットタペットとカムシャフトからなるトライボロジー系のなるべく小さな全粗さＲGesによってこれが達成される。全粗さＲGesは次式から出てくる。
ＲGes＝（（ＲTassenstoessel）2＋（ＲNockenwelle）2）0.5
ここにＲTassenstoesselはバケットタペットの表面粗さ、ＲNockewelleはカムシャフトの表面粗さを表す。
【００１５】
このために必要なバケットタペットの表面粗さを全寿命にわたって維持するために、高い耐摩耗性、相手部材に対する小さな付着傾向及び環境に対する低い反応性を有するように表面を形成することが必要である。 また表面はとりわけ摩耗性粒子、例えばドロップレットを含んではならない。
【００１６】
鉄炭素合金製のバケットタペットは熱処理状態、例えば炭窒化、浸炭窒化又は窒化状態でも、これに必要な耐摩耗性及びトライボロジー的に有利な表面状態にならない。例えば窒化物層を特に（微細）研削、ラッピング、研摩、ブラスチング等で機械的に再処理すれば、表面構造だけでなく表面の化学組成及び反応性も変化させられる。この変化には大きなバラツキがあり、このため不変の品質を実現することはできない。他方ではトライボロジー的に類縁的な表面は不利なトライボロジー的性質を有し、相手部材に対して付着の傾向がある。また研削及び研摩工程によって表面近傍区域に固有圧縮応力が誘起され、それが超硬材料層の既存の高い固有圧縮応力に累加される。
【００１７】
さらに誘導された転位と掻き取られたドロップレットは欠陥やミクロクラックをもたらすから、バケットタペットの層の局部的疲れ強さが減少し、付着強さが低下して、層の再加工の際に剥離が起こるようになる。
【００１８】
ところが例えばアーク法で析出した層で事後の研摩をやめれば、硬いドロップレットが相手部材の摩耗又は少なくとも相手部材の不規則な研摩をもたらし、このため予測しがたい不利な結果を招く。しかもドロップレットは運転中に層を突き破って脱出し、このため層の損傷及び遊離した摩耗作用粒子が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
そこで本発明の根底にあるのは、上記の欠点を取り除き、特に全使用分野で摩擦モーメントを減少し、被覆された機械部材及び相手部材の寿命を高める被覆及びこのような被覆の製造方法を提供するという課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この課題は本発明に基づき装置の面では、請求項１の特徴を有する耐摩耗性被覆によって、方法の面では請求項１７の特徴を有する方法によって解決される。
【００２１】
本発明の根底にある着想は、耐摩耗性被覆が機械部材の所定の面の摩擦の減少及び耐摩耗性の増加のために、少なくとも２つのＣｒＮx相を含む少なくとも１つのナノ結晶機能層からなることにある。
【００２２】
こうして本発明は先行技術による公知の手法と比較して、摩擦係数が大幅に減少され、被覆した機械部材及び当該の相手部材の寿命が増加される利点がある。またドロップレットを形成せず、表面粗さを増加しないように、被覆を形成することができる。また熱処理した表面と比較して明らかに高い硬さが得られる。こうして相手部材に対する低い付着傾向及び相手部材からの分離の改善が保証される。被覆のＣｒＮx混合相によって最適な化学組成、最適なミクロ構造及び最適な形態を得ることができる。
【００２３】
請求項１に示された耐摩耗性被覆及び請求項１７に示された方法の有利な実施態様及び改善が従属請求項で明らかである。
【００２４】
好ましい改良によれば、少なくとも１つの機能層は主としてＣｒ2Ｎ及びＣｒＮを含む準安定混合相からなる。準安定混合相中のＣｒ2Ｎの割合は少なくとも７０％であることが好ましい。ナノ結晶質のＣｒ2Ｎ及びＣｒＮ格子の間にこのような準安定混合相を形成することによって、層系の有利なトライボロジー的及び機械的性質が得られる。機能層を適当な混合相により最適化することが好ましい。少なくとも１つの機能層は１０ｎｍの範囲内の粒度を有することが好ましい。小さな粒度及び主としてＣｒ2Ｎと小さな割合のＣｒＮからなる混合相によって、ナノ結晶層は欠陥が少なく、粗さの増加が明らかに少ない。またナノ結晶構造は変位密度を減少するから、割れ発生の危険が低減される。しかも約１０ｎｍの粒度に基づき最大割れ長さも約１０ｎｍに過ぎないから、小さな粒界が効果的な割れ障壁の役割をする。そこで粒界に到達したときの割れ先端部の応力拡大係数は、粒界に打ち勝つことができないほど小さいから、割れの広がりが起こらない。
【００２５】
別の好ましい実施例によれば、少なくとも１つの機能層は２，５００ＨＶ〜３，２００ＨＶの硬さを有する。そこで被覆体の摩耗保護は熱処理した面と比較して明らかに増加し、相手部材に対する付着傾向が減少し、潤滑膜による相手部材からの分離が改善される。用途によっては、摩擦接触する相手部材をいたわるために、被覆層の硬さを１，６００ＨＶ以下の硬さに減少することができる。
【００２６】
別の好ましい実施例によれば、少なくとも１つの機能層は最大０．０４μｍの平均粗さＲaを有する。このように小さな表面粗さ並びに特徴的な有利な材料割合及び偏平な斜面傾斜角又は勾配を有する微細構成によって、相手部材がなめらかに平滑化され、例えばバケットタペットと相手部材からなるトライボロジー系の全粗さＲGesが減少する。小さな全粗さＲGesによってストライベック曲線が左に偏るから、固体接触による摩擦状態、即ち摩耗の危険がある状態及び摩擦が減少する。さらに高い耐摩耗性と高い硬さは、摩擦を伴う運転時に平滑な表面と層厚を維持する。
【００２７】
少なくとも１つの機能層は少なくとも２つのＣｒＮx相を含む複数のナノ結晶個別層からなり、個々の層を段階的に又は一定不変の層組成で被着することが好ましい。
【００２８】
別の好ましい実施例によれば、機械部材の所定の面と四面体アモルファス炭素層の間に少なくとも１つの支持層及び／又は少なくとも１つの付着仲介層を設ける。支持層及び付着仲介層は例えばＰＶＤ法により金属含有、例えばタングステン含有炭素層、遷移金属の炭化物及び／又は窒化物を有する層として、熱処理により肌焼、炭窒化又は浸炭窒化層として、熱化学的方法により窒化又はホウ素化層として及び／又は例えば電気メッキ法によりクロム含有層として形成される。少なくとも１つの支持層及び／又は付着仲介層はそれぞれ０．１μｍ〜４．０μｍの厚さを有することが好ましい。一方、厚さは当該の必要条件又は顧客の要望に適応させねばならない。
【００２９】
機械部材の所定の面は例えば１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２等からなる。
【００３０】
本発明に基づく被覆の好ましい用途はバケットタペット、ドラッグレバー又はロッカアームとして形成された内燃機関の摺動体の摺動接触層、カム接触面又はバケットタペットのカム接触面及び／又はバケット外周面、弁駆動機構部品、特に機械式及び油圧式バケットタペット、油圧式支持及び差込み部品、弁軸又は弁軸ささえ、ころがり軸受部品、制御ピストン、解放用軸受、ピストンピン、軸受ブシュ、リニアガイド等の所定の表面である。その場合個々の機械部材の所定の面だけ又は機械部材の全表面を本発明に基づく被覆で形成することが好ましい。
【００３１】
機械部材の所定の面は最大０．０３μｍの平均粗さＲaを有することが好ましい。これは被覆する前に基体を適当に加工することによって調整することができる。
【００３２】
別の好ましい実施例によれば、少なくとも１つのナノ結晶機能層をＰＶＤ法、とりわけ反応性ＰＶＤスパッタリング法により機械部材の所定の面に析出する。その場合さらに少なくとも１つの機能層に炭素のサブプランテーションを行うことが好ましい。少なくとも１つの機能層の析出は、機械部材の焼戻し温度より低い被覆処理温度で行うことが好ましい。
【００３３】
別の好ましい実施例によれば、少なくとも１つの析出した機能層の機械的再加工は行わない。それによって小さな表面粗さが保たれるから、摩擦モーメントがさらに減少する。また万一再加工を行ったときに、析出した被覆の当初得た性質に変化が生じないように、機械部材の再熱処理を行わないことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、添付した図面の図を参照して、実施例に基づき本発明を詳述する。
【００３５】
図面の図で同じ参照符号は、逆のことを示さない限り、同じ又は同機能の部品を示す。
【００３６】
図１はカム接触面５０及びバケット外周面５１を有するバケットタペット５並びにカム６からなる摩擦対偶を示す。バケットタペット５の細部を図２に斜視図で示す。バケットタペット５は一般に内燃機関の機械部材で弁の軸７と結合される。軸７はカム面とバケットタペット５のカム接触面５０との接触によって弁を開閉する。
【００３７】
一般に近代的弁駆動機構部品、例えばバケットタペット及びポンプタペットは特に接触面５０の耐摩耗性及び資源保全に関して高い要求が課せられる。
【００３８】
本発明の好ましい実施例に基づく機械部材１、例えばバケットタペット５の耐摩耗性被覆の横断面概略図を示す図４に関連して、本発明の実施例を以下で詳しく説明する。
【００３９】
カム接触面５０の区域、又は必要によってはカム接触面５０とバケット外周面５１の区域の摩擦係数の減少及び耐摩耗性の増加のために、バケットタペット５を本発明に基づく耐摩耗性被覆で被覆する。バケットタペット５のバケット外周面５１の開放側の変形が大きい場合は、選択に応じてバケット外周面５１を部分的に被覆し、又はカム接触面５０だけを被覆し、又はバケットタペット５のバケット外周面５１の区域の耐摩耗性被覆を後で少なくとも部分的に除去することができる。
【００４０】
この場合は差当りバケットタペット５のカム接触面５０を機械部材の所定の面２とみなすこととする。任意の機械部材の任意の所定の面を本発明に基づく被覆で被覆し得ることは、当業者に明白である。
【００４１】
所定の面２、即ちここではバケットタペット５のカム接触面５０を、被覆する前に肌焼き又は炭窒化し、焼戻すことが好ましい。
【００４２】
とりわけ安価な鋼材、例えば１６ＭｎＣｒ５、Ｃ４５、１００Ｃｒ６、３１ＣｒＭｏＶ９、８０Ｃｒ２等からなる基体、この場合はバケットタペット５のカム接触面５０は、本例に基づき続いて支持層３及び／又は付着仲介層３で被覆される。支持層３又は付着仲介層３は例えばそれぞれ金属含有炭素、例えばタングステンと炭素の化合物、さらには他の金属材料（例えばＣｒ、Ｔｉ）及び遷移金属のホウ素化物、炭化物及び窒化物からなることができる。支持層３及び／又は付着仲介層３は熱処理例えば肌焼、炭窒化、浸炭窒化により、熱化学的方法例えば窒化、ホウ素化により、電気メッキ法例えばクロム含有層の被着により、又はＰＶＤ法例えばＭｅ−Ｃ、遷移金属の炭化物及び窒化物の被着により形成することができる。ＰＶＤ法、例えばスパッタリング又はアーク技術では、場合によっては金属を蒸発し、反応性ガス（例えば窒素）を添加して基体上に層として被着する。その場合クロムは固体素材として蒸発され、高いエネルギーを送り込んで窒素原子を富化することにより、バケットタペット５の所定の面２に半結晶層として析出される。
【００４３】
ただ１つの支持層３又は付着仲介層３、複数の支持層３又は複数の付着仲介層３もしくはこれらの２つの層の組合せを基体又はバケットタペット５の所定の面２の上に形成できることをここで指摘しておこう。基体の上にさらに形成される耐摩耗性被覆又は支持層の付着の改善が望まれる場合は、付着仲介層３としての層を例えば０．１μｍ〜２．０μｍの厚さで基体の上に形成する。しかしこの層を支持層即ち基体とさらに形成される耐摩耗性被覆の間の機械的ささえとして利用する場合は、例えば２．０μｍ〜４．０μｍの厚さが好ましい。支持層によって疲れ強さを高め、即ち塑性変形、割れの発生と成長及び層系の破壊を阻止するのである。このような疲れ現象はカムの負荷及びそれによって誘起されるバケットタペット５の材料応力により発生し、個々の層又は基体及び耐摩耗性被覆の硬度、弾性係数、変形能の差異によって助長される。この場合層３を支持層３として単独で、又は適当な付着仲介層と組み合わせて、形成することが好ましい。
【００４４】
図４に示すように、本例に基づき支持層及び／又は付着仲介層３を形成した後に、耐摩耗性被覆４をその上に形成する。耐摩耗性被覆４は少なくとも２つのＣｒＮx相を含むナノ結晶機能層４又は複数のこのような機能層４からなることが好ましい。被覆される表面は例えば反応性ＰＶＤスパッタリング法によりＣｒＮx相のナノ結晶層で被覆し、その場合層は主としてＣｒ2Ｎ結合を含む準安定混合相からなる。Ｃｒ2Ｎ結合の割合は７０％以上であり、従ってＣｒ（Ｎ）結合の割合が３０％以下であることが好ましい。
【００４５】
被覆処理の際に基材が焼戻されないように、最高被覆処理温度は２６０℃であることが好ましい。
【００４６】
被覆工程で例えば被覆処理室の中でクロムを蒸発し、窒素ガスを反応性ガスとして被覆処理室に導入し、イオン化し、被覆される表面に対して加速する。それと同時に例えばアルゴンイオンによってたたき出されたクロムイオンとの結合が起こる。たたき出されたクロムイオンは導入された窒素と結合し、被覆される部材に印加されるバイアス電圧によって、被覆される表面に導かれる。Ｃｒ2Ｎ結合は例えば７０％のクロムと３０％以下の窒素からなる。Ｃｒ2Ｎ結合とＣｒＮ結合の割合もおよそ７０：３０である。この比率は幾つかのプロセス関連のパラメータ、例えば被覆される表面に印加されるバイアス電圧、アルゴン体積流量、窒素体積流量、被覆される機械部材の被覆処理室内での回転速度、印加される磁界等によって決まる。
【００４７】
事情によっては、炭素をサブプランテーションによってナノ結晶機能層４に導入する。即ち炭素原子をナノ結晶機能層４の高エネルギーの第１の原子位置に導入し、これに結合する。ナノ結晶機能層４へのこのような炭素サブプランテーションによって、在来の窒化クロム層より低い摩擦係数及び大きな耐付着摩耗性が生じる。
【００４８】
ナノ結晶機能層４は機械部材１の所定の面２の上に直接に又は上記の支持層３又は付着仲介層３により、段階的に又は一定不変の層組成で析出することができる。反応性ＰＶＤスパッタリングによる被覆処理は、熱処理した部材の焼戻し温度以下で行うことが好ましい。
【００４９】
層系の有利なトライボロジー的及び機械的性質を得るために、ナノ結晶状態のＣｒ2N及びＣｒＮ格子の間に準安定混合相を形成することによって、相手部材と接触するナノ結晶機能層４が化学組成、ミクロ構造及び形態に関して最適化される。１０ｎｍの範囲内の小さな粒度及び主としてＣｒ2Ｎ結合と小さな割合のＣｒ（Ｎ）結合からなる混合相によって、Ｘ線位相解析で干渉線の明瞭な広がりと低い強度の反射が得られる。回折式を満足するように配向されているのは少数の微結晶だけだからである。他の層と比較して、ナノ結晶層は欠陥が少なく、粗さの増加が明らかに小さい。またナノ結晶構造は転移密度の減少をもたらすから、割れ発生の危険が低減される。さらに約１０ｎｍの粒度に基づき最大割れ長さも約１０ｎｍに過ぎないから、粒界が効果的な割れ障壁の役割をする。こうして粒界に到達した割れ先端部の応力拡大係数は、粒界に打ち勝つことがでず、割れの広がりが起こらないほど小さい。
【００５０】
被覆は約０．１μｍ〜約４．０μｍ、とりわけ２．０μｍの厚さで形成することが好ましい。それによって寸法及び表面粗さの変化は、再加工が必要でないほど小さい。被覆工程は、ドロップレットが形成されず、最大粗さ増加が平均粗さ値Ｒa０．０４μｍまでであるように行うことが好ましい。
【００５１】
最良のトライボロジー的及び機械的性質を保証するために、被覆処理の後にタペット５のカム接触面５０をもはや再加工しないことが好ましい。基材の焼戻し効果が起こらず、例えば無被覆の弁軸ささえが再熱処理なしで少なくとも６５０ＨＶの硬さを有するように、被覆処理時に入熱が少ないことが好ましい。基材、特に弁軸ささえの再熱処理を行わないことによって、全系の不変の高い、再現性ある品質が保証される。
【００５２】
被覆処理の後に、被覆した表面例えばカム接触面５１を例えば研削、ラッピング、研摩、ブラスチング等により機械的に再加工しないことによって、機能と品質に関して堅固な表面及び最大平均粗さ０．０４μｍの欠陥の少ない表面が保証される。
【００５３】
本例に基づく被覆４又は３、４は熱処理した表面と比較して、明らかに高い約２，５００ＨＶ〜３，２００ＨＶの硬さ、相手部材に対する小さな付着傾向及び潤滑膜による相手部材からの分離の改善を示す。最大Ｒa＝０．０４μｍの小さな表面粗さ値により、また特徴的な有利な材料割合と偏平な斜面傾斜角及び勾配を有する微細構成が得られることにより、相手部材がなめらかに平滑化され、それとともにバケットタペット５及びカムシャフト６からなるトライボロジー系の全粗さＲGesが減少する。高い耐摩耗性と高い硬さは、機械部材又は内燃機関の全寿命の間に平滑な表面と層厚を維持する。
【００５４】
次に本発明に基づく被覆の別の有利な使用を詳述する。図３はピストン９及びハウジング１０を有する油圧式支持部品８を示す。油圧式支持部品８はドラッグレバー１１と連結され、ドラッグレバー１１はころがり軸受１２により旋回自在に支承される。図３でさらに明らかなように、ピストン９はピストン９とドラッグレバー１１の間に接触区域９０を有する。またピストン９はピストン９とハウジング１０の間に接触区域９１を有する。ピストン９とドラッグレバー１１の間の接触区域９０の摩耗を減少するために、接触区域９０も例えば支持層及び／又は付着仲介層を介在して、ＣｒＮx混合相からなる本発明のナノ結晶機能層で被覆される。その場合耐摩耗性被覆は図１、２により第１の実施例で説明した被覆に相当する。
【００５５】
また用途と製造技術によっては、ピストン９とハウジング１０の間の接触区域９１もこのような被覆３、４で被覆することができる。こうして図示のトライボロジー系の全寿命が増加するから、個々の機械部材の使用中の故障を減少するとともに、全体としてコストを節減することができる。
【００５６】
またころがり軸受１２の特定のころがり軸受部品、例えば転動体、ころがり軸受１２の内輪及び外輪、ころがり軸受保持器、アキシャルプレート等も耐摩耗性の増加及び摩擦の減少のために、例えば支持層及び／又は付着仲介層３を介在して上記のナノ結晶機能層４で被覆することができる。
【００５７】
上記の層系はもちろん他の構造及び機能ユニット、例えば弁軸又は弁軸ささえ、支持及び差込み部材、ころがり軸受部品、解放用軸受、ピストンピン、軸受ブシュ、例えばエンジン区域の噴射ポンプのための制御ピストン、リニアガイド、その他の機械的及びトライボロジー的に高い負担がかかる部材にも適している。
【００５８】
ナノ結晶機能層４は、支持層３又は付着仲介層３を間に被着せずに、被覆される機械部材の基体に直接析出することもできることを、ここで指摘しておこう。
【００５９】
こうして本発明は耐摩耗性被覆及びこのような耐摩耗性被覆の製造方法を提供し、それによって摩擦摩耗をこうむる機械部材の耐摩耗性を高め、この機械部材と当該の相手部材の間の過大な摩擦モーメントを防止する。厚さ約０．１μｍ〜４．０μｍの被覆４又は３、４によって寸法と表面粗さはほとんど不変であり、しかも表面は反応により均質化される。層のトライボロジー的性質は改善され、機械的負荷が基体によって分配される。基体はその役割及び２６０℃以下の低い被覆処理温度に基づき、安価な鋼で製造することができる。このため慣用の安価な製造技術を採用することができる。
【００６０】
本発明を好ましい実施例に基づき上記の通り説明したが、それに限定されるものでなく、様々に変更することができる。
【００６１】
上記の構成は炭素含有機能層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈ：ａ、ｔａ−Ｃ）でも実現できることをここで指摘しておこう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】内燃機関の弁の操作のためのバケットタペット及びカムシャフトからなる摩擦対偶の前面図を示す。
【図２】図１のバケットタペットの斜視図を示す。
【図３】ころがり軸受部品を介してドラッグレバーと連結される油圧式支持部品の斜視図を示す。
【図４】本発明の実施例に基づく耐摩耗性被覆を有する機械部材の横断面概略図を示す。
【符号の説明】
【００６３】
１  機械部材
２  機械部材の所定の面
３  支持層／付着仲介層
４  ナノ結晶機能層／ＣｒＮx相層
５  バケットタペット
６  カム
７  弁軸
８  油圧式支持部品
９  ピストン
１０  ハウジング
１１  ドラッグレバー
１２  ころがり軸受
５０  カム接触面
５１  バケット外周面
９０  ピストンとドラッグレバーの間の接触区域
９１  ピストンとハウジングの間の接触区域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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