(57)【要約】  トライボロジー挙動が実質的に向上したトライボロジーシステムであって、第１のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第１の接触面を有する物体と、第２のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第２の接触面を有する対向物体と、層間物としての潤滑剤とを含み、第１および第２のコーティングは各々、最外層としての層を含み、第１のコーティングの最外層の組成と第２のコーティングの最外層の組成とは、  ・最外層は、鋼とのトライボロジー接触にさらされる場合、双方とも鋼表面にスミアリングし、かつ  ・最外層は双方とも材料関連層であり、そのため、第１の最外層の元素組成は、第２の最外層の元素組成に、少なくとも６０原子パーセントまで適合する、  ように選択されることを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第１の接触面を有する物体と、
第２のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第２の接触面を有する対向物体と、
層間物としての潤滑剤とを含み、
前記第１および第２のコーティングは各々、最外層としての層を含み、
前記第１のコーティングの前記最外層の組成と前記第２のコーティングの前記最外層の組成とは、
・前記最外層は、鋼とのトライボロジー接触にさらされる場合、双方とも鋼表面にスミアリングし、かつ
・前記最外層は双方とも材料関連層であり、そのため、前記第１の最外層の元素組成は、前記第２の最外層の元素組成に、少なくとも６０原子パーセントまで適合する、
ように選択されることを特徴とする、トライボロジーシステム。
【請求項２】
前記トライボロジー接触の初めに、前記第１のコーティングの前記最外層の表面および／または前記第２のコーティングの前記最外層の表面は液滴を含み、前記液滴は、前記２つの接触面の相対運動を通して平滑化され、および／または自らが除去されるようにすることを特徴とする、請求項１に記載のトライボロジーシステム。
【請求項３】
前記液滴は前記層と強力に接合されておらず、そのため、機械的な後処理の後で、またはトライボロジーシステムの動作中のトライボロジー接触の後で、粗さ値ＲｐｋおよびＲｐｋｘは、粗さ値ＲｖｋおよびＲｖｋｘよりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載のトライボロジーシステム。
【請求項４】
前記第１のコーティングの前記最外層および／または前記第２のコーティングの前記最外層はモリブデンを含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載のトライボロジーシステム。
【請求項５】
前記第１のコーティングの前記最外層および／または前記第２のコーティングの前記最外層は窒化モリブデンを含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載のトライボロジーシステム。
【請求項６】
窒化モリブデンを含む層のうちの少なくとも１つは、元素Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｙ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｄおよびＶから選択されたドーパント元素、またはドーパント元素の組合せを含むことを特徴とする、請求項５に記載のトライボロジーシステム。
【請求項７】
少なくとも前記窒化モリブデンを含む層のうちの１つにおいて、前記ドーパント元素はＣｕであり、または、前記ドーパント元素の組合せは大部分がＣｕを含むことを特徴とする、請求項６に記載のトライボロジーシステム。
【請求項８】
前記第１および／または前記第２のコーティングは、前記最外層の下に少なくとも１つのさらなる層を含み、下層は酸化物層であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載のトライボロジーシステム。
【請求項９】
前記第１および前記第２のコーティングは各々、前記最外層の下に酸化物層を含み、２つの酸化物層の組成は、前記酸化物層が材料関連層であるように選択され、そのため、前記第１のコーティングにおける前記酸化物層の組成は、前記第２のコーティングにおける前記酸化物層の組成に、少なくとも６０原子パーセントまで適合することを特徴とする、請求項８に記載のトライボロジーシステム。
【請求項１０】
前記コーティングの少なくとも前記最外層はアーク蒸着によって堆積され、したがって、存在する液滴は、アーク蒸着プロセスが行なわれた際に生成された特徴的な液滴であることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか１項に記載のトライボロジーシステム。
【請求項１１】
前記酸化物層はアーク蒸着によって堆積され、したがって、特徴的な液滴を含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のトライボロジーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の、トライボロジー挙動が著しく向上し、対向物体の摩耗が減少したトライボロジーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トライボロジー挙動の最適化は、機械、内燃機関およびギアボックスで使用されるツールおよび構成要素の設計における本質的な目的である。多くの場合、トライボロジーシステムの対の一方（以下に「トライボロジー物体」、または単に「物体」と呼ばれる）には、層が設けられる。このコーティングで、さまざまな目的が追求される。特に、物体の、たとえば切削ツールの摩耗を減少させるべきである。それは、ツール用途にとって特にあてはまるが、構成要素にとっても重要である。（２つの構成要素がトライボロジー接触している）トライボロジーシステムではしばしば、対の一方、すなわち物体の摩耗を減少させるべきであるだけではなく、トライボロジー接触している対の他方（以下に「対向物体」と呼ばれる）の摩耗も減少させるべきである。多くの構成要素用途、たとえばエンジンの領域では、最終的にトライボロジーシステムにおける摩擦係数を減少させるべきであり、それは、トライボロジー接触における摩耗を減少させるための要件である。そのような用途のためのコーティングの使用は数十年来証明されており、ツールコーティングおよび構成要素コーティングは双方とも、工業的に施されている。
【０００３】
ツールおよび構成要素のコーティングは、多くの場合、物理気相成長（Physical Vapour Deposition：ＰＶＤ）技術またはプラズマ増強化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition：ＰＥＣＶＤ）技術によって実行される。スパッタリング、陰極アーク蒸着およびプラズマ支援ＣＶＤのそれぞれ、これらのプロセスの組合せといったコーティングプロセスは、従来技術に属する。陰極アーク蒸着のプロセスはその用途を、特に切削ツール、打抜きツールおよび成形ツールのツールコーティングの領域で見出す。それほどではないにせよ、それは構成要素コーティングにも、たとえばピストンリングの窒化クロム（ＣｒＮ）コーティングにも使用される。このコーティングプロセスは頑丈で信頼性が高く、広範囲のコーティング材料がそれと合成可能である。このプロセスの欠点ははね（splash）であり、それらは陰極材料の蒸着プロセス中に生じ、いわゆる液滴としてコーティングに部分的に埋込まれる。これはそれらの表面粗さを増加させ、それは、低い摩擦係数が要求される用途のためにこれらのコーティングを後処理しなければならないことを必要とする。ピストンリング上に施されたＣｒＮ層では、通常のコーティング厚さは３０μｍ〜５０μｍである。層表面の要求される表面粗さを達成するために、およそ３〜５μｍが後処理によって除去される。一方、後処理が実行されない場合、（Ｒｐｋ値およびＲｐｋｘ値によって特徴付けられる）ＣｒＮコーティングの上部粗さで対向物体が非常にひどく摩耗され、加えて、はねまたはコーティング粒子の急増が生じ得るという危険がある。それらは対向物体よりも大きい硬度を有するため、「金剛砂（emery）効果」によってさらにより速く対向物体を摩耗させる。しかしながら、施された層を平滑化するための述べられた後処理ステップは標準的な手順であり、大量生産で長く導入されている。ここでは、後処理の具体的なタイプについて取扱わないものの、この用語は、たとえば研磨、ラッピング、ブラッシング、研削などといった、表面粗さのあらゆる種類の改良を含むものとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
課題
もちろん、後処理なしで済ますことは有利であるが、それは、現在の技術水準では、選ばれたコーティング法についてのみ、およびいくつかの炭素ベースの材料についてのみ可能である。しかしながら、層表面の後処理および改良を行なっても、すべての課題が解決されるとは限らない。多くの場合、コーティングされた物体は、たとえばピストンリングの場合のように潤滑欠乏状態で短時間動作されることがある。したがって、そのようなトライボロジーシステムにとって、潤滑欠乏時にまったく機能しなくなることはないということ、すなわち層の破壊も対向物体の破壊もないということは、重要な要件である。層材料はその機械的特性が対向物体材料よりも硬くなるよう選択されているため、潤滑欠乏時に対向物体材料がコーティング材料に移動し、またはコーティング材料上にスミアリングされるという危険がある。物体および対向物体の挙動が検査されるそのようなトライボロジーシステムの検査のために、往復運動摩耗試験（ＳＲＶ試験、ドイツ語でSchwingungs-Reib-Verschleisstest）が開発された。以下に、この試験に従って、スミアリングの課題を明らかにし、発明の結果を説明するものとする。ＳＲＶ試験における測定はすべて、頻度、滑走斜面（glideslope）、試験負荷および試験温度に関して同じパラメータで実行されたものであり、そのため、試験結果はすべて比較可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
試験用に、反応性陰極アーク蒸着のプロセスを用いて、物体を異なる材料でコーティングした。鋼（９０ＭｎＣｒＶ８、１．２８４２）からの研磨された円板（φ２２ｍｍ×５．６ｍｍ）を、ロックウェル硬度が＞６２ＨＲＣ、表面粗さＲａが≦０．０５μｍの物体として使用した。１００Ｃｒ６（硬化鋼、６０〜６８ＨＲＣ、φ１０ｍｍ）からの鋼球を、対向物体として使用した。比較すべき層材料の機械的特性をナノインデンテーションのプロセスによって求め、表１にまとめた。これらの値は、コーティングプロセスへの修正によっても変更可能であり、ここでは、それらは単に、規模の典型的な関係を示すために、およびＳＲＶ試験からの結果をよりよく理解できるようにするために述べられている、ということが当業者には理解される。ＣｒＮ、窒化モリブデン（ＭｏＮ）およびモリブデン銅窒化物（ＭｏＣｕＮ）に対し、異なる条件について、ＳＲＶ試験を実行した：
Ａ．  乾式［Ａ１］（すなわち、油などの潤滑がない）、または潤滑式［Ａ２］（本試験では常にディーゼル油を潤滑剤として使用）
Ｂ．  コーティングされた物体＋コーティングされていない対向物体［Ｂ１］、またはコーティングされた物体＋コーティングされた対向物体［Ｂ２］
Ｃ．  コーティングの後処理あり［Ｃ１］、またはコーティングの後処理なし［Ｃ２］
【０００６】
【表１】
2017514017.tif 000002
【０００７】
１．ＳＲＶ試験：乾式、コーティングされた物体およびコーティングされていない対向物体、層の後処理なし
図１に、ＣｒＮ、ＭｏＮおよびＭｏＣｕＮでコーティングされた物体についてのＳＲＶ試験で得られた、時間に対する摩擦係数のグラフを示す。それらは、潤滑剤を使用せず、層の後処理なしで、研磨された鋼球との接触で得られたものである。ＣｒＮ（１）の摩擦係数は０．７〜０．８の範囲にあり、このため、調査された層のうち最大である。ＭｏＣｕＮ（３）も最初は０．７という摩擦係数を示し、それはまもなく０．６以下まで低下する。このグラフは、高いノイズによって特徴付けられる。ＭｏＮ（２）は０．５という最小の摩擦係数で始まり、それは試験の終わりにＭｏＣｕＮの摩擦係数に接近し、０．５〜０．６の範囲にある。グラフ推移にはいくつかの「急増」があり、それらは、対向物体材料の短時間のスミアリングで説明することができる。このスミアリングは毎回再度消滅しているようである。ＭｏＣｕＮのグラフにおいておよそ１０分後に生じたより大きい「ノイズ」は、このコーティングがより多くの特により大きいはねを含むという事実に起因する。その理由は、アーク蒸着用カソードとして使用されるＭｏＣｕターゲットは通常、純Ｍｏターゲットと比較して、はね生成のより高い傾向を示すためである。これらのはねは、堆積層で部分的に見つけることができる。
【０００８】
図２は、層上の摩耗痕（ａ〜ｃ）および対向物体の対応する摩耗（ｄ〜ｆ）を特徴付ける、ＳＲＶ試験後に光学顕微鏡で作成された記録を示す。表の上段は、摩擦軌跡における層の摩耗を示す。このため、ＣｒＮ（ａ）（ＥＤＸ分析を通しても示される）では、層表面上への対向物体材料（１００Ｃｒ６）のスミアリングが生じ、一方、ＭｏＮ（ｂ）層およびＭｏＣｕＮ（ｃ）層では、そのようなスミアリングは検出できない、ということが見て分かる。対向物体の摩耗を図２の下段に示す。ＳＲＶ試験中に摩耗したコーティングされていない対向物体の一部である摩耗キャップの直径は、ＣｒＮでコーティングされた物体の場合に最大である（ｄ）。ＭｏＮ（ｅ）については、最もささいな摩耗が見られる。この場合、Ｍｏ含有層材料から対向物体への部分的移動が起こる（摩耗キャップの暗い着色）。ＭｏＣｕＮ（ｆ）は、摩耗に関して中位を占めるが、対向物体に対するＭｏおよびＣｕ含有移動も示す。対向物体のこのスミアリングは、層への材料移動がない本質的な理由であるようである。
【０００９】
要約すると、ＣｒＮコーティングとは対照的に、ＭｏＮ層では、層が後処理されず、潤滑剤が使用されなくても、層上への対向物体材料のスミアリングはない。その理由は、対向物体がＭｏ含有層によって少なくとも部分的にスミアリングされるためである。ＣｒＮと比較して、対向物体のスミアリングは、その硬度への適応よりも、その摩耗減少のためにより重要である、と結論付けることができる。たとえばＣｒＮの場合、コーティング硬度への適応は、鋼の対向物体のためにコーティング硬度が減少されるように実行され、それはコーティングパラメータを修正することによって実現され得る。コーティング硬度がより小さくなると、潤滑欠乏の場合の対向物体の摩耗がより少なくなるが、その一方で、より大きい層摩耗の危険を当然もたらす。
【００１０】
また、炭素質の層の中には、それ自体の層材料の一部を犠牲にすることにより、対向物体上に黒鉛状炭素をスミアリングし得るものがあることにも注目すべきである。しかしながら、高い表面圧力では、これらの層系は機能しなくなる。それはおそらく、対向物体のスミアリングが良好な付着を有さず、加えて、より高温での層の「犠牲」が制御できず、あまりにも速く起こる、という事実に起因する。加えて、スミアリング接触でスミアリングするこの炭素の信頼性は、潤滑剤に強く依存する。
【００１１】
完全を期すために、および結果が詳細に示されることなく、これらの乾式試験条件下では、層の後処理は、層摩耗の減少についても対向物体摩耗についても実質的な改良をもたらさない、ということが述べられる。層の研磨はこの課題を幾分低減させる。なぜなら、低い摩擦係数で慣らし運転（running-in）挙動が起こるためである。ただし、それは課題を解決しない。なぜなら、短い摩擦接触の後には大抵、特にコーティング材料が対向物体上にスミアリングしていない場合に、層上への対向物体材料のスミアリングが新たに始まるためである。
【００１２】
２．ＳＲＶ試験：潤滑式、コーティングされた物体およびコーティングされていない対向物体、層の後処理なし
さらなる試験で、上述の場合についての潤滑式条件を調査した。後処理なしのコーティングされた物体、およびコーティングされていない研磨された対向物体を用いて、試験を実行した。標準的なディーゼル油を潤滑剤として使用した。他の油を用いた試験を実行し、それらは、たとえば０Ｗ２０  Ｍｏ−ＤＴＣ油の摩擦係数はディーゼル油の摩擦係数よりも有意に小さいものの、質的に同じ結果を提供した。ディーゼル油を用いて識別された摩擦係数を図３に示す。潤滑式条件下では、それらは有意により小さく、およそ０．１５〜０．２の狭帯域にともに割り当てられている。慣らし運転後のＣｒＮの摩擦係数は多かれ少なかれ安定しているものの、ＭｏＮおよびＭｏＣｕＮについては、摩擦係数の安定したわずかな減少が検出され得る。対応する摩耗画像を図４に示す。層の摩耗はほとんど検出できない。本質的に、層の平滑化が生じる。おそらく、これらの単純化された試験条件において強制的潤滑剤移送を通して押し流されなかった個別のはねが、層上の微小の引掻き傷をもたらすと思われる。対照的に、コーティングされていない対向物体の摩耗は、はっきり目に見える。この試験では、ＭｏＮについての摩耗キャップ直径が最大であり、それは、この材料が最大硬度も含むためかもしれない。ＣｒＮとＭｏＣｕＮとの間には有意差はない。
【００１３】
要約すると、乾式試験条件と比較して、追加の潤滑剤は、摩擦係数およびコーティング摩耗の強い減少に寄与するということ、ならびに、すべての場合において、乾式条件下でＣｒＮについて観察されたような対向物体から層への材料移動がないということが言える。乾式条件と比較して、対向物体摩耗はより少なくなるが、コーティングのうち最も硬いもの、すなわちＭｏＮについては顕著なままであり、最大である。
【００１４】
３．ＳＲＶ試験：ＭｏＮコーティングに対する比較調査
まず、潤滑式で、コーティングされ、かつコーティングが後処理された物体、およびコーティングされていない研磨された対向物体から生じる、ＭｏＮコーティングについての結果を示す。これらは、それらがトライボロジーシステムのための従来技術で今日使用されるような条件であり、良好な結果をもたらす。したがってそれらは、以下に続く進歩性をよりよく評価することができるために、基準として機能するものとする。これらの条件について、潤滑剤としてディーゼル油を使用して、摩擦係数についてのグラフ（１）が図５から得られる。それは最終的に０．２という値で安定する。ここで、摩擦係数は各特定の潤滑剤に著しく依存しており、たとえば、それ以外は等しい試験条件について、０Ｗ２０  Ｍｏ−ＤＴＣ油を等しい条件下で用いると、０．０７となる、ということを再度述べる。加えて、時間に対する摩擦係数のさらに２つのグラフを図５に示す。グラフ（２）は、乾式条件で、コーティングされ後処理された物体、およびコーティングされていない研磨された対向物体についての推移を示す。試験の終わりでの摩擦係数は、グラフの広い領域で０．５〜０．６であり、このため、後処理なしの層から生じる摩擦係数と大して変わらない（図１と比較）。しかしながら、グラフの終わりでそれは突然上昇し、次に再度低下する。対向物体材料の短時間のスミアリングが、その理由であり得る。加えて、乾式条件で、コーティングされた物体およびコーティングされた対向物体を用いるものの、両側の後処理層がない場合から生じる摩擦係数の推移（３）が、図に組込まれている。驚くべきことに、このグラフは大抵（２）より下で推移しており、このグラフよりかなり下で終わっている。ＭｏＮ層および対応する対向物体の摩耗を図６に示す。（１）については、層の摩耗は検出できない。対向物体上にも摩耗はない。コーティングおよび対向物体上の模様は潤滑剤の装飾から生じ、対向物体の装飾の直径はもっぱら、ヘルツ接触におけるその弾性変形から生じる。これは、所望のトライボロジー接触についての典型的な結果であり、コーティングを使用したトライボロジー接触の最適化の目的である。グラフ（２）は、層の摩耗をほとんど示さない（着色はここでも、油による装飾である）。しかしながら、対向物体は、図１のＡ１／Ｂ１／Ｃ２の場合とほとんど変わらない著しい摩耗を有する。グラフ（３）については、時間に対する摩擦係数の曲線は、興味深い挙動を示す。図５の（１）と（３）とを比較すると、後者の推移において、ある時間の後で、０．５〜０．６の領域から約０．４の値への摩擦係数の連続的な減少が見て分かる。この効果は、一種の自己平滑化として説明され得る。０．４という摩擦係数は、大抵の用途にとって依然として大きすぎる。しかしながら、物体および対向物体用の同様の後処理されなかったコーティングでの自己平滑効果が示されたことは、依然として驚くべきものであった。
【００１５】
この理由により、試験が実行され、そこでは、物体および対向物体双方が実際に同じ層材料でコーティングされた。コーティング後、コーティングされた物体もコーティングされた対向物体も後処理されなかった。図７に、測定された摩擦係数を時間の関数として示す。ＣｒＮ系は、０．４という最低摩擦係数で慣らし運転し、試験中、０．４〜０．５の値まで上昇する。ＭｏＣｕＮは約０．５という摩擦係数で始まり、数分後、ほぼＣｒＮの値まで低下する。最も硬いコーティングとしてのＭｏＮの摩擦係数（このグラフはすでに図５に示されたものである）は、最初に０．５〜０．６の値を有し、試験の終わりに同様に０．４〜０．５の値まで低下する。図８に、対応する摩耗画像を示す。コーティングされていない研磨された対向物体（図２）と比較して、対向物体のコーティングは、すべての場合、摩耗キャップの有意により小さい直径、ひいてはより小さい対向物体摩耗をもたらす。これに関し、ＣｒＮとＭｏＮとの間では、違いはほとんど検出できない。ＭｏＣｕＮでさえ、摩耗キャップ直径はわずかより大きいだけである。ここで、摩耗軌跡の縁での堆積物の増加が顕著であり、それらはより大きいはね密度によって引き起こされ、それはＭｏＣｕの陰極アーク蒸着で生じる。試験の終わりでは、摩擦係数は互いに近い。これらの条件下では、スミアリングは生じない。
【００１６】
前述の結果は、以下のように要約され得る：
・乾式運転（それほど顕著ではないものの、潤滑欠乏にも準用する）では、コーティングされていない１００Ｃｒ６対向物体は、層の後処理があってもなくても摩耗される。多くの層系（ここではＣｒＮのみが例として示されているが、これは、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＴｉＡｌＮといった、ほぼすべてのＡｌ含有層に、およびＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮといった、それほど硬くない窒化物層にもあてはまる）では、対向物体がより柔らかい場合、対向物体からより硬い層への材料移動がある；
・ＭｏＮベースの層も、これらの条件下では対向物体を摩耗するが、対向物体から層への材料移動はない。その理由は、ＭｏＮベースの層はＭｏ含有層で対向物体にスミアリングするためである；
・層の後処理がない場合、コーティングされていない対向物体は、潤滑式条件下でも摩耗される。ただし、摩擦係数は低い；
・乾式条件について、物体だけでなく対向物体もコーティングすることは、トライボロジーシステムの摩擦係数および対向物体の摩耗双方を有意に減少させる。スミアリングの効果は起こらない。
【００１７】
説明されたことから、解決すべき以下の課題を導き出すことができる：
・物体のみが（たとえばＣｒＮで）コーティングされている多くのトライボロジーシステムは、それらが潤滑欠乏下でまたは乾燥摩擦条件下で短期間のみ運転する場合でさえ、機能しなくなる。考えられる原因は、不十分なまたは短期間中断された潤滑供給、もしくは摩擦対の短期間の高い接触圧力であり得る。それは、接触面から潤滑剤を予想以上に押しのける。その結果、および、コーティング材料は大抵の場合より良好な機械的特性および熱的特性を有するため、コーティングされた物体上への対向物体のスミアリングが検出され得る。対向物体材料のスミアリングは、トライボロジーシステムにおける目詰まり、および部分的または全体的な閉塞をもたらし得る。したがって、目詰まりを防止しなければならない。したがって、トライボロジーシステムが潤滑欠乏状態になった場合に、コーティングされた物体と接触する対向物体の摩耗を防止し、または減少させることは、この発明の最も重要な目的である；
・陰極アーク蒸着によって生成され（しかしながら、通常、たとえばスパッタリングによって生成されるものなどといった、他のＰＶＤコーティングも含む）、トライボロジー用途の要件を満たさなければならない層は通常、それらの表面粗さ、ひいては対向物体の摩耗を減少させるために、後処理されなければならない。後処理は、基板形状寸法に依存して多大な努力を必要とし、加えて、最適な後処理は対向物体にも整合すべきである（たとえば表面品質）。したがって、潤滑条件下での使用が予測されるコーティングされた部品の後処理はもはや必要とされないということが、この発明のさらなる目的である；
・層に機械的に適応する対向物体材料の自由な選択は、多くの場合存在しない。その理由としては、高い材料費、そのような材料の入手しやすさ、または、そのような材料の処理があまりにも難しく高価であることが挙げられる。この制限を解消するものとする。
【００１８】
発明の解決策の説明
上述の課題は、物体だけでなく対向物体もコーティングすることによって解決され、物体および対向物体のコーティングは本質的に、同じ材料関連層をそれらの表面上に含む。
【００１９】
層は、潤滑剤を添加した状態で、物体および対向物体の本質的に種類に関連するコーティングが、どの層についても後処理を必要とすることなく、自らを平滑化するように選択される。
【００２０】
本発明の文脈では、材料関連コーティングは、絶対に等しいとは限らないものの、少なくとも６０原子パーセントまで適合する元素組成を含む層である。
【００２１】
これは、第１の層またはコーティングの元素組成が第２の層またはコーティングに対し少なくとも６０原子パーセント適合する場合、第１の層または第１のコーティングと、第２の層または第２のコーティングとは、材料関連層または材料関連コーティングである、ということを意味する。
【００２２】
課題を解決するためのさらなる条件は、対向物体に少なくとも部分的にスミアリングするための層材料の特性である。
【００２３】
課題を解決するためのさらなる条件は、層またはその表面に存在するはね（液滴とも呼ばれる）が層と強力に複合されない、つまり、それらは容易に除去可能である、という層材料の特性である。それはたとえば、後処理および表面品質の判断によって実証可能であり、後処理の後で、ＲｐｋおよびＲｐｋｘは、ＲｖｋおよびＲｖｋｘよりも小さい。
【００２４】
解決策は、他の元素の追加のドーパントを含み得るＭｏＮベースの層材料を含むＭｏまたはＭｏＮを含むコーティングに基づく。
【００２５】
物体および対向物体のコーティングは、ＰＶＤプロセス、またはＰＥＣＶＤプロセス、またはこれらのプロセスの組合せによって実現される。コーティングのための好ましいプロセスは、反応性陰極アーク蒸着である。このプロセスでは、Ｍｏからのカソード（＝ターゲット）またはＭｏからの合金および１つ（以上）の対応するドーパント元素が真空で陰極アークによって蒸着され、対応する反応性ガスがガス流制御装置によってプロセスに添加される。反応性ガスの添加は、ガス流または全圧力によって制御される。このプロセスは当業者には周知であり、長年、工業規模でコーティングに使用されている。もちろん、ドーパントは、ドーパント材料からさらなるターゲットを通して、またはガスの添加によって、コーティングに導入され得る。後者の場合、アーク放電または別のガス放電の対応するガスは、制御可能なガス注入口によって供給され、アーク放電のプラズマまたは別の補助プラズマにおいて完全にまたは部分的に分解され、もしくは刺激を受ける。このように、たとえば、ＭｏＮまたはＭｏＣｕＮ（Ｃｕドーパントを有するＭｏＮ層を意味する）を生成することができる。層表面の粗さは、アーク蒸着によって生成された層について特徴的であり、それは主として、アーク蒸着中に生成されるものの、たとえばスパッタリングによる蒸着によっても生成され得るマクロ粒子（またははね）によって引き起こされる。しかしながら、これらのはねによる層中／層上の粗さの増加は、アーク蒸着で特に著しい。たとえば研磨またはブラッシングまたはマイクロブラスティングによる後処理は、アーク蒸着によって生成されたすべての層による粗さの著しい減少を示さない。これは、層へのはねの導入が異なって安定しているという事実に起因しており、それは、層が多かれ少なかれ効率的に後処理され得る理由である。しかしながら、ＭｏＮベースの層の場合、後処理は、純ＭｏＮ層およびドーパントを有する層双方についてうまくいく。これを図９に示す。図９では、後処理（ここではたとえばブラッシングによるが、これはこのプロセスへの限定として理解されないものとする）の前後で、多かれ少なかれ等しい厚さのＭｏＮ層の粗さを、ＭｏＣｕＮを用いた層の粗さと比較する。試験用の研磨された鋼基板の初期粗さは、Ｒｚ＝０．２μｍおよびＲａ＝０．０２μｍであった。それは、コーティングにより、コーティングされていない研磨された基板の初期粗さが著しく増加したことを意味する。ＭｏＮ（黒）層およびＭｏＣｕＮ（グレー）層についての図における値が証明するように、コーティングの種類に依存して、粗さの増加は異なり得る。図では、２μｍというほぼ同じ層厚を含む２層を比較する。しかしながら、アークコーティングでの層粗さは、コーティング材料に依存するだけではなく、表面に当たるはねの数が累積するにつれて、層厚とともに増加する、ということも経験によって示される。層の後処理は層表面からはねを除去すべきであり、または、はねは自らが容易に平滑化されるようにすべきである。図９におけるデータは、これがＭｏＮ層およびＭｏＣｕＮ層にあてはまることを立証する。図では、後処理前の層の粗さパラメータを左象限に示し、後処理後のものを右象限に示す。比較すると、一方で、後処理が著しい効果を含むことが見て分かる。これは特に、Ｒｚ値およびＲａ値の著しい減少に次いで、上部粗さＲｐｋおよびＲｐｋｘで認識され得る。後処理されたＭｏＮ層およびＭｏＣｕＮ層は、それらの粗さ値に関して互いにほとんど変わらないということも、驚くべきことである。後処理前では、これはまったく異なっていた。ＭｏＮおよびＭｏＣｕＮについてのＲｚ値およびＲａ値は互いに著しく異なっており、ＭｏＣｕＮはＭｏＮの約２倍大きい値を呈した。さらにより著しいのは、後処理前のＲｐｋ値およびＲｐｋｘ値の差、ならびに後処理後のわずかに小さい差であった。後処理後のＲｖｋ値およびＲｖｋｘ値についても著しい減少が見て分かるが、他の粗さパラメータと比較して、２層間の差はより著しいままである。
【００２６】
図９の調査は、コーティング前によく研磨された基板表面を有する基板に対して実行された。多くの用途では、そのようなよく研磨された表面はないこと、および、これらは生成できず、または多大な経済的努力でのみ生成できることが明らかである。したがって、粗さ値が層粗さの範囲にあるかまたはそれを超える「技術的表面」も調査した。コーティング前後のバルブシャフトの典型的な表面の測定値を、表２にまとめた。バルブシャフト上のＲｐｋｘ値として、１．３３μｍが識別された。バルブシャフトの後処理をブラッシングによって実現し、その後、粗さ測定を再度実行した。これを通して、Ｒｐｋｘ値は初期値の約２５％まで減少した。つまり、コーティングと後処理との組合せを通して、バルブシャフトの表面の初期粗さは著しく減少した。これは、たとえば、冷間加工鋼および高速加工鋼の場合のように、硬度および弾性率に関して著しくより高い値を含むＭｏＮ層（表１と比較）の、機械的特性としての局面下でも驚くべきことである。それについての説明は提供できない。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
要約すると、ＭｏＮベースの層は容易に後処理可能であり、それは上部粗さ特性値ＲｐｋおよびＲｐｋｘの著しい減少をもたらす、と言うことができる。さらに、コーティングと後処理との組合せを通して初期基板粗さを減少させることが可能である。
【００２９】
ＭｏＮベースの層の生成およびそれらの後処理の能力に関する特性を説明した後で、ここまで明瞭でない態様でこれらの特性に相互に関連し得る本発明について、より詳細に説明する。図７および図８に関して、ＳＲＶ試験で物体および対向物体双方がコーティングされ、かつ乾式条件下である場合に、ＳＲＶ試験は幾分驚くべき結果を提供する、ということは、すでに述べられた：
・ＭｏＮについての摩擦係数は、コーティングされ後処理された物体、およびコーティングされていない研磨された対向物体の場合（０．５〜０．６）と比較して、有意により小さかった（０．４〜０．５）；
・潤滑式条件について、対向物体摩耗は、コーティングされ後処理されていない物体、および、研磨されコーティングされていない対向物体の場合と比較して、有意により小さかった。
【００３０】
特に後者は、トライボロジー接触している対の摩擦係数、表面粗さ、および摩擦対の硬度に関する対向物体摩耗の複雑な挙動を示す。低い摩擦係数は、低い対向物体摩耗にとっての十分条件ではない、ということも示される。摩擦係数および対向物体摩耗は、トライボロジーシステムのために必然的に最適化されなければならない。
【００３１】
４．ＳＲＶ試験：潤滑式、コーティングされた物体およびコーティングされた対向物体、コーティングの後処理なし
上述の結果に基づいて、ここで、潤滑式条件下でコーティングされた物体およびコーティングされた対向物体を用いてＳＲＶ試験を実行することは、非常に興味深いことであった。これらの試験についての摩擦係数の推移を図１０に示す。グラフはすべて、図３のグラフ１のノイズとのみ比較され得る非常に低いノイズを示す。約０．２という最大の摩擦係数は、ＣｒＮでコーティングされた対を含む。ＭｏＮおよびＭｏＣｕＮは、互いにほとんど区別できない。これは、慣らし運転についてもあてはまる。試験の終わりに、摩擦係数は０．１６〜０．１７の値を示した。これらの摩擦係数はまた、０．１７である図３のグラフ２からの摩擦係数よりも大きくない。しかしながら、上述の検査から、低い摩擦係数は、特に対向物体摩耗に関して、低い摩耗のための保証にはならない、ということが分かる。摩耗検査を表２に示す。層についての摩耗はほとんどない。ＣｒＮの場合にのみ、縞が検出でき、それは、潤滑油による装飾、および層から生じたはねからの引っ掻き双方を示す。ＣｒＮでは、対向物体もそのような縞を含む。注目に値するのは、ＭｏＣｕＮでは、より大きい表面粗さにもかかわらず、そのような縞が対応する対向物体にはない、という事実である。ＭｏＮおよびＭｏＣｕＮ双方では、層上でも対向物体上でも摩耗は測定できない。ヘルツ圧縮を通した変形によって面積が規定される両側での平滑化のみが観察できる。これらの結果は、潤滑式条件下で物体および対向物体をコーティングすると、ＭｏＮベースの材料における自己平滑化が生じること、すなわち、図５のグラフ１に示すような理想的条件を得るために、２つのコーティングのいずれも後処理してはならないことを示す。
【００３２】
本発明は、トライボロジー挙動の改良、および以下の摩耗の減少のための卓越した解決策である：
・ウォーム歯車、遊星歯車、差動歯車、クランク機構、ローラーギア、ホイールギア、ねじ歯車、ロッキングギア、たとえば嵌歯歯車、平歯車、ボールホイールの部品、ならびに、それらの軸および軸受
・ピストン、ウィング、ブレード、回転羽根といったコンプレッサの部品
・ボール、ケージ、ロール、ローラーといった玉軸受の部品
・圧力ボルト、タペット、ピストンといったポンプの部品
・成型ツール、成形および打抜きツール、ねじ切りツール、切削ツールといったツール
・締付システム、接続部品、誘導レールといった工作機械の部品
・糸案内、スピンドル、紡績リング、撚糸ホルダといった繊維機械の部品
・内燃機関およびそれらの動力伝達システムの部品、たとえばシリンダ、ピストン、ピストンボルト、タペット、カップタペット、ポットタペット、フラットタペット、マッシュルームタペット、ロールタペット、ピストンリング、ピストンポンプ、接続ロッド、接続ロッド軸受、ラジアルシャフトシール、軸受、スリーブ、シャフト、クランクシャフト、クランクシャフト軸受、カムシャフト、カムシャフト軸受、車輪駆動、オイルポンプ、ウォータポンプ、噴射システム、ロッカーアーム、スイングアーム、カムフォロア、ハウジング、ターボチャージャ部品、ウィング、ボルト、バルブ制御、バルブギア、入口および出口バルブ、冷却剤ポンプの軸受、噴射ポンプの部品
・時計仕掛けおよびそれらの構成要素
・ブースターポンプ、ルーツポンプおよびターボ分子ポンプといった真空ポンプの部品、特に軸受
・シールおよびバルブ
・軸受およびロッドといったタービンの部品
・軸受といった風力発電機の部品
図の凡例：
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】物体のＣｒＮ（１）、ＭｏＮ（２）およびＭｏＣｕＮ（３）コーティングについての、Ａ１／Ｂ１／Ｃ２というＳＲＶ試験条件下での、時間に対する摩擦係数のグラフを示す図である。
【図２】Ａ１／Ｂ１／Ｃ２という試験条件についての、ＣｒＮ（ａ）、ＭｏＮ（ｂ）およびＭｏＣｕＮ（ｃ）層上の摩耗痕（上段）、ならびにコーティングされていない対向物体の対応する摩耗（ｄ〜ｆ、下段）の、光学顕微鏡による記録を示す図である。
【図３】物体のＣｒＮ（１）、ＭｏＮ（２）およびＭｏＣｕＮ（３）コーティングについての、Ａ２／Ｂ１／Ｃ２というＳＲＶ試験条件下での、時間に対する摩擦係数のグラフを示す図である。
【図４】Ａ２／Ｂ１／Ｃ２という試験条件についての、ＣｒＮ（ａ）、ＭｏＮ（ｂ）およびＭｏＣｕＮ（ｃ）層上の摩耗痕（上段）、ならびにコーティングされていない対向物体の対応する摩耗（ｄ〜ｆ、下段）の、光学顕微鏡による記録を示す図である。
【図５】Ａ２／Ｂ１／Ｃ１（１）、Ａ１／Ｂ１／Ｃ１（２）、およびＡ１／Ｂ２／Ｃ２という試験条件についての、ＭｏＮコーティングの場合の、時間に対する摩擦係数のグラフを示す図である。
【図６】ＳＲＶ試験での異なる条件についての、ＭｏＮ層の摩耗の比較であり、Ａ２／Ｂ１／Ｃ１（ａ対ｄ）、Ａ１／Ｂ１／Ｃ１（ｂ対ｅ）、およびＡ１／Ｂ２／Ｃ２（ｃ対ｆ）という条件についての、摩耗痕（上段）および対向物体の対応する摩耗（下段）の、光学顕微鏡による記録を示す図である。
【図７】物体のＣｒＮ（１）、ＭｏＮ（２）およびＭｏＣｕＮ（３）コーティングについての、Ａ１／Ｂ２／Ｃ２というＳＲＶ試験条件下での、時間に対する摩擦係数のグラフを示す図である。
【図８】Ａ１／Ｂ２／Ｃ２という試験条件についての、ＣｒＮ（ａ）、ＭｏＮ（ｂ）およびＭｏＣｕＮ（ｃ）層上の摩耗痕（上段）、ならびに同じ層でコーティングされた対向物体の対応する摩耗（ｄ〜ｆ、下段）の、光学顕微鏡による記録を示す図である。
【図９】後処理の前（左）および後（右）でのＭｏＮ層とＭｏＣｕＮ層との比較を示す図である。後処理はＲｐｋ値およびＲｐｋｘ値の著しい減少をもたらすことが見て分かる。これは、Ｒｖｋ値およびＲｖｋｘ値についてもあてはまる。しかしながら、これらの値の減少は、Ｒｐｋ値およびＲｐｋｘ値ほどはっきりしていない（これらの値の定義については、［２］を参照）。
【図１０】物体のＣｒＮ（１）、ＭｏＮ（２）およびＭｏＣｕＮ（３）コーティングについての、Ａ２／Ｂ２／Ｃ２というＳＲＶ試験条件下での、時間に対する摩擦係数のグラフを示す図である。
【図１１】Ａ２／Ｂ２／Ｃ２という試験条件についての、ＣｒＮ（ａ）、ＭｏＮ（ｂ）およびＭｏＣｕＮ（ｃ）層上の摩耗痕（上段）、ならびにコーティングされていない対向物体の対応する摩耗（ｄ〜ｆ、下段）の、光学顕微鏡による記録を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
実際には、この発明は、第１のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第１の接触面を有する物体と、第２のコーティングで少なくとも部分的にコーティングされた、第２の接触面を有する対向物体と、層間物としての潤滑剤とを含み、第１および第２のコーティングは各々、最外層としての層を含み、第１のコーティングの最外層の組成と第２のコーティングの最外層の組成とは、
・最外層は、鋼とのトライボロジー接触にさらされる場合、双方とも鋼表面にスミアリングし、かつ
・最外層は双方とも材料関連層であり、そのため、第１の最外層の元素組成は、第２の最外層の元素組成に、少なくとも６０原子パーセントまで適合する、
ように選択されることを特徴とする、トライボロジーシステムに関する。
【００３５】
本発明の好ましい一実施形態によれば、第１のコーティングの最外層の表面および／または第２のコーティングの最外層の表面は後処理されず、そのため、（物体および対向物体の接触面間の）トライボロジー接触の初めに、第１のコーティングの最外層の表面および／または第２のコーティングの最外層の表面は液滴を含み、液滴は、２つの接触面の相対運動を通して自らを平滑化し、および／または自らが除去されるようにする。液滴を有するそのような最外層は、たとえばアーク蒸着によって堆積され得る。アーク層は通常、優れた層品質を有するが、同時に、それらは液滴を含むという欠点を有する。したがって、そのような層は、トライボロジー用途の前に、液滴が平滑化され、または除去されるようなやり方で後処理されなければならない。しかしながら、本発明のこの好ましい実施形態に従った液滴は不利ではなく、逆に非常に有利である。なぜなら、これらの液滴は、層損傷または層剥離を生成することなく、互いの平滑化に寄付するためである。
【００３６】
本発明に従ったトライボロジーシステムにおいて、発明者らは、液滴が層と強力に複合されない場合に、本質的に良好なトライボロジー挙動を観察した。発明者らはさらに、機械的な後処理の後で、またはトライボロジーシステムの動作中のトライボロジー接触の後で、これらの検査された最外層の場合における粗さ値ＲｐｋおよびＲｐｋｘは、粗さ値ＲｖｋおよびＲｖｋｘよりも小さかったことを観察した。
【００３７】
さらに好ましい一実施形態によれば、第１のコーティングの最外層および／または第２のコーティングの最外層はモリブデンを含む。さらにより好ましくは、第１のコーティングの最外層および／または第２のコーティングの最外層は窒化モリブデンを含む。
【００３８】
特に有利なこととして、発明者らは、窒化モリブデンを含む層のうちの少なくとも１つは、元素Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｙ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｄおよびＶから選択されたドーパント元素、またはドーパント元素の組合せを含むことを見出した。好ましくは、少なくとも窒化モリブデンを含む層のうちの１つにおいて、ドーパント元素はＣｕであり、または、ドーパント元素の組合せは大部分がＣｕを含む。
【００３９】
本発明の別のさらに好ましい実施形態によれば、第１および／または第２のコーティングは、最外層の下に少なくとも１つのさらなる層を含み、下層は酸化物層である。この実施形態は、トライボロジーシステムが最初に低温に、たとえば室温に設定され、次により高い温度で動作される場合に、特に有利である。これらの場合、酸化物層はアーク蒸着によって堆積されることもあってもよい。最外層は次に犠牲層として機能でき、そのため、それらはコーティングされた接触面の平滑化を開始する。このように、酸化物層の液滴は、酸化物層における液滴を損傷することなく、またはコーティングの剥離を引き起こすことなく、穏やかに平滑化され、または除去される。
【００４０】
好ましくは、第１および第２のコーティングは各々、最外層の下に酸化物層を含み、２つの酸化物層の組成は、酸化物層が材料関連層であるように選択され、そのため、第１のコーティングにおける酸化物層の組成は、第２のコーティングにおける酸化物層の組成に、少なくとも６０原子パーセントまで適合する。
【００４１】
好ましくは、コーティングの少なくとも最外層はアーク蒸着によって堆積される。このように、最外層に存在する液滴は少なくとも、「アーク蒸着により生成された液滴によって特徴的」であり、層は、さらなる層特性に関して優れた層品質を含む。
【００４２】
好ましくは、酸化物層はアーク蒸着によって堆積され、したがって、「特徴的な液滴」および優れた層品質を含む。
【００４３】
しかしながら、第１および第２のコーティングは、さらなる下層も含み得る。それらはたとえば、コーティングと基板との付着を高めるための１つ以上の支持層または１つ以上のアンダーコーティングを含み得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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