(57)【要約】  コーティングされた構成部材であって、金属の基板（２）と、該基板（２）上に施された、２μｍ未満の厚さを有する、クロムから成るＰＶＤコーティング（３）とを有しており、前記ＰＶＤコーティング（３）は、前記構成部材の表面を形成しており、該構成部材の表面には、クロムと少なくとも１つの別の元素とから成る化合物が形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングされた構成部材であって、
金属の基板（２）と、
該基板（２）上に施された、２μｍ未満の厚さを有する、クロムから成るＰＶＤコーティング（３）とを有しており、
前記ＰＶＤコーティング（３）は、前記構成部材の表面を形成しており、該構成部材の表面には、クロムと少なくとも１つの別の元素とから成る化合物が形成されていることを特徴とする、コーティングされた構成部材。
【請求項２】
前記別の元素は、酸素である、請求項１記載の構成部材。
【請求項３】
前記別の元素は、窒素である、請求項１又は２記載の構成部材。
【請求項４】
前記ＰＶＤコーティング（３）の硬度は、少なくとも８００ＨＶ０．０５である、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項５】
前記ＰＶＤコーティング（３）の硬度は、最高１２００ＨＶ０．０５である、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項６】
前記ＰＶＤコーティング（３）の厚さは、５００ｎｍ未満である、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項７】
前記ＰＶＤコーティング（３）の厚さは、１００ｎｍ以上である、請求項１から６までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項８】
当該構成部材は、転がり軸受部品として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項９】
コーティング（３）を製造する方法であって、
金属の基板（２）を用意し、
該基板（２）上にＰＶＤ法で、２μｍ未満の厚さを有するクロム層（５）を施し、
このとき該クロム層（５）の更なる被覆は行わないことを特徴とする、コーティングを製造する方法。
【請求項１０】
前記クロム層（５）は、スパッタリングにより施される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記スパッタリング中、前記クロム層（５）の表面には、窒素との化合物が形成される、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
コーティング室を、１３０℃〜１６０℃の温度において通気することにより、前記クロム層（５）の表面に酸化クロム層が形成される、請求項９又は１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼から成るコーティングされた構成部材、特に転がり軸受構成部材に関するものであり、この場合、コーティングはクロムを有している。本発明は更に、前記のようなコーティングを金属の基板上に形成する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
コーティングされた転がり軸受構成部材は、例えば独国特許出願公開第１０２００９０２３８１８号明細書から公知である。この場合、コーティングとしては、化学的な堆積方法で生ぜしめられ、約２μｍの厚さを有するニッケル合金が想定されている。
【０００３】
独国特許第１０２００８０１７２７０号明細書から公知の構造化クロム固体粒子層は、クラックのネットワークを備えており、このクラックのネットワークに固体粒子が埋め込まれている。この層は電気分解により形成され、ピストンリング用に適している。
【０００４】
電気分解により析出された多層のクロム層が、例えば独国特許出願公開第１０２００９０４５８８９号明細書から公知である。この場合、個々の層の厚さは、例えば最大７μｍ、特に最大３μｍである。これらの層は、クロムに加えて付加的に、カーバイドイオン、モリブデンイオン、バナジウムイオン、又はタングステンイオン等の異質イオンを含んでいてよい。物理気相成長（ＰＶＤ）により保護層を形成する手段は、この独国特許出願公開第１０２００９０４５８８９号明細書でもやはり述べられている。しかしながら、この形成法は、経済的理由から数ナノメートル〜数マイクロメートルの範囲の薄い層に関してしか考慮されないという事実から、摩耗保護層の形成用には推奨され得ないと考えられる。
【０００５】
ＰＶＤ(physical vapour deposition)法で堆積される摩耗保護層は、主として炭素から形成されていてよく、ＤＬＣ(diamond like carbon)層とも呼ばれる。このようなコーティングの一例は、独国特許出願公開第１０２００６０２９４１５号明細書に開示されている。炭素層と基材との間には、例えばクロムを含有する支持層が位置していてよい。
【０００６】
発明の課題
本発明の根底を成す課題は、金属構成部材、例えば転がり軸受構成部材のコーティングを、特に潤滑剤との協働において重要な特性に関して改良することにある。
【０００７】
発明の概要
前記課題は本発明に基づき、請求項１記載の特徴を備えるコーティングされた構成部材、並びに請求項９記載の特徴を備えるコーティング形成方法により解決される。以下で構成部材との関連において説明する本発明の構成及び利点は、形成方法に関しても有意に当てはまると共に、その逆も然りである。
【０００８】
コーティングされた構成部材は、金属の基板、並びにこの基板上にＰＶＤ法で施された、２μｍ未満の厚さを有する、クロムから成るコーティングを有している。クロム層上に別のコーティングは一切施されない。但し、構成部材の表面、即ちクロム層の表面には、クロムと少なくとも１つの別の元素とから成る化合物が形成される。この化合物は、構成部材の製造プロセスの枠内で、或いは構成部材の使用開始後に初めて、支配的な運転条件、特に潤滑剤の供給により生ぜしめられる。クロム層の厚さは、別の元素との化合によっては事実上、増大されない。
【０００９】
本発明は、転がり軸受技術において潤滑剤は、軸受の耐用年数にポジティブにもネガティブにも影響を及ぼし得る、という思想から出発する。ネガティブな影響は、特に潤滑剤からの分解生成物又は劣化生成物によるものが考えられる。
【００１０】
金属の構成部材の表面における損傷の仕組みには、水素が関与している。原子の水素は、金属層を電気めっき式に析出させる場合には、プロセスに基づき金属層に取り込まれ、このときに水素が基材内部に拡散することもあり得る。付加的に、構成部材の連続運転中では、発生期水素による影響も考えられる。
【００１１】
水素による損傷の仕組みは、転がり軸受技術ではいわゆるホワイトエッチングクラック(WEC= white etching cracks)又はホワイトエッチングエリア(WEA= white etching areas)に関連付けられる。このテーマについては、例えば国際公開第２００９／０６５５１５Ａ２号で検討されている。
【００１２】
前記従来技術では、金属のコーティング、特にクロムコーティングの抵抗力を、層厚さの増大、多層構造、又は付加的なコーティング成分の取込みにより最適化しようとするのに対して、本発明では、層厚さは最大２μｍ、好適には１μｍ未満、特に好適には５００ｎｍ未満の極めて小さな値に制限されており、しかも層は、湿式化学式に生ぜしめるのではなく、気相から堆積させられる。
【００１３】
本発明の場合は常に、気相から堆積されたクロム層を簡単にＰＶＤ層と呼んで、水相から析出された層とは区別する。よって、ＣＶＤ(chemical vapour deposition)法、ＰＡ−ＣＶＤ(physical assisted chemical vapour deposition)法、又はＭＯ−ＣＶＤ(metal organic chemical vapour deposition)法により形成された層も、「ＰＶＤコーティング」という概念に含まれる。このコーティングはいずれの場合も、亀裂の生じないバリアを環境影響、特に水素に対して形成する、という利点を有している。意外にも、２μｍ未満の小さな層厚さは、極端な環境条件下でさえも十分な保護作用を発揮することが分かった。
【００１４】
コーティング表面において、クロムは外部から作用する酸素と共に、酸化クロムを形成してよい。表面層として生じる酸化クロムは、構成部材の運転の過程で増加可能な、構成部材のコーティングの統合された成分を形成し、この場合、コーティング全体は引き続き、クロム層と呼ばれる。
【００１５】
有利な方法では、コーティング室内で行われるコーティングプロセスの終了間際に、コーティング室を、１３０℃〜１６０℃の温度、特に約１５０℃の温度において通気し、これにより、既に完成したクロム層の表面に、意図的に酸化クロムを形成する。これに関して通気とは、酸素を含む合成ガス混合物又は純酸素の供給をも意味する。いずれにしろ、コーティング過程の終了時に前記温度範囲内で酸素を追加供給することは、極めて厚く密な酸化物層を生ぜしめるために役立ち、酸化物層は、この酸化物層により被覆された構成部材、特に軸受構成部材の運転中に、潤滑剤からの有害な元素又は化合物による、あらゆる不都合な相互作用を阻止する。
【００１６】
酸素の代わりに、別の元素として窒素がクロム層と化合してもよく、この場合には環境影響に対して特に抵抗力のあるバリアとして、窒化クロムが形成される。
【００１７】
窒化クロムは、総じてクロム層と呼ばれるＰＶＤコーティングの形成の枠内で、例えば反応性ＰＶＤスパッタリング法により施されている。好適には、窒化クロムはコーティング中に、複数の異なるＣｒＮｘ相の形態の、ナノ結晶で存在している。この場合、Ｃｒ２Ｎ結合の割合は、好適には７０％を上回っている。ＣｒＮｘ相の別の有利な特徴や、ＰＶＤコーティングの表面におけるＣｒＮｘ相の製造方法は、例えば独国特許第１０２００４０４３５５０号明細書に開示されている。
【００１８】
好適な構成では、クロムと、クロム以外の少なくとも１つの別の元素を含有する少なくとも１つの化合物とから成るコーティングの硬度は、８００〜１２００ＨＶ０．３である。このコーティングの厚さは、好適には少なくとも１００ｎｍである。
【００１９】
コーティングを製造する方法は、技術的な適用分野に関係無く、以下の特徴を有している。即ち：
−ワーク、特に転がり軸受部品を金属の基板から製造し、
−該基板上に気相成長により、ワーク表面を形成し更に被覆はされない２μｍ未満の厚さのクロム層を施す。
【００２０】
このクロム層は、中間層無しで基材上に直接に形成され、且つ転がり軸受の適用分野では、クロム層上をロール加工することができる。ワークは、例えば風力発電設備の軸受の軸受輪又は転動体である。
【００２１】
本発明による方法の特別な利点は、コーティングの傑出した保護特性の他に、コーティング過程を通じてワークの寸法が極めて僅かにしか変化しない、という事実にある。コーティングは、例えばスパッタリングによって施される。このことは、電気化学的なコーティング法とは異なり、層に亀裂が生じないことに加え、ワーク表面の複数の異なる領域における層厚さが、ワークの幾何学形状、例えば縁部にはほとんど左右されない、という利点を有している。
【００２２】
図面の詳細な説明
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に基づきＰＶＤ法でクロムによりコーティングされた構成部材を示す図である。
【図２】比較用に、電気めっき式に生ぜしめられたクロム層を備える構成部材を示す図である。
【００２４】
図１において全体的に符号１で示された構成部材、つまり転がり軸受構成部材、例えば内輪、外輪又は転動体は、基板２とも呼ばれる金属の基材から製造されており、基板２の上にはコーティング３が施されている。
【００２５】
コーティング３は大部分がクロムから成っており、ＰＶＤ法で形成されている。製造直後はまず、純粋なクロムから成る層として存在しているコーティング３は、同時にワーク表面でもあるその表面上に、周辺環境からの酸素と相まって酸化クロム層４を形成する。この酸化クロム層４は、その下に位置する、基材、つまり転がり軸受鋼、例えば１００Ｃｒ６又はＭ５０ＮＩＬに直接に隣接するクロム層５とは区別される。コーティング３の全体の厚さに対する酸化クロム層４の厚さは、図１では縮尺どおりには示されていない。コーティング３の全体の厚さは、１〜２μｍである。このことは、構成部材１の平らな表面部分に当てはまるのと同様に、例えば１ｍｍをはるかに下回る狭小な曲率半径を備えた、湾曲した表面部分にも当てはまる。コーティング３は、欠損箇所と、例えばいわゆるドロップレットの形態の隆起部の、いずれも有してはいない。
【００２６】
有害な環境影響、特に水素に対し、酸化クロム層４は非透過性のバリアを成している。基材までには到らない、コーティング３の僅かな傷においてさえ、その保護作用は永続的に保持され続ける。それというのも、新たな酸化クロム層４が拡散バリアとして、構成部材１上に形成されるからである。コーティング３の作用は、その遮蔽層としての機能の他に、触媒作用によっても発揮されている。
【００２７】
コーティング３の保護作用は、酸化クロム層４にのみ起因するのではなく、電気めっき式に形成される層とは異なり気相から堆積させることによるコーティング３の製造に基づき、コーティング３中には水素が一切取り込まれていない、という事実にも起因する。つまり最初から、場合によってはコーティング中に存在し得る水素原子が構成部材１の内部に拡散することは排除されている。
【００２８】
従来の電気化学的な摩耗保護層６の構成が、図２に図１と同様に図示されている。図１に示したコーティング３とは異なり、摩耗保護層６は複数の亀裂７を有している。これらの亀裂７の少なくとも一部は、基材２（基板）にまで達している。亀裂７により形成された摩耗保護層６の中断部では、特に水素８の形態の環境影響が、妨げられずに構成部材１の基材２に作用する恐れがある。このような影響を止める仕組みは全く存在していない。図２に点として書き込まれた、外部から作用する水素８に加えて付加的に、摩耗保護層６の内部には、かなりの有害な量の水素８が存在している。この水素８は、時間の経過と共に基板２の内部に拡散し、そこで最終的には他の影響、特に機械的な負荷と相まってＷＥＣをもたらしかねない、有害な作用を発揮する。
【００２９】
このような損傷の仕組みは、図１に示したコーティング３により、確実に回避される。同時に、図１に示した構成部材１の、主にクロムから成るコーティング３は、機械的耐負荷能力が高く、剥離の危険なしで永続的に基板２と結合されている。コーティング３の硬度は、８００〜１２００ＨＶ０．０５である。コーティング３をＰＶＤ法で施す場合には、例えば基板２の焼戻し温度の超過により、構成部材１が重大な熱負荷に晒されることは一切ない。コーティング３は、製造プロセスの進行中に別の保護層によって被覆されることも、機械的に後処理されることもない。
【符号の説明】
【００３０】
１  構成部材、  ２  基板、基材、  ３  コーティング、  ４  酸化クロム層、  ５  クロム層、  ６  摩耗保護層、  ７  亀裂、  ８  水素
【図１】
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【図２】
2016524042.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月28日(2016.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングされた構成部材であって、
金属の基板（２）と、
該基板（２）上に施された、１００ｎｍ〜５００ｎｍ未満の厚さを有する、クロムから成るＰＶＤコーティング（３）とを有しており、
前記ＰＶＤコーティング（３）は、前記構成部材の表面を形成しており、該構成部材の表面には、クロムと少なくとも１つの別の元素との化合物から成るバリアが形成されており、前記少なくとも１つの別の元素は、酸素及び／又は窒素であることを特徴とする、コーティングされた構成部材。
【請求項２】
前記金属の基板（２）は、転がり軸受鋼により形成されている、請求項１記載の構成部材。
【請求項３】
前記金属の基板（２）は、１００Ｃｒ６又はＭ５０ＮＩＬにより形成されている、請求項１又は２記載の構成部材。
【請求項４】
前記ＰＶＤコーティング（３）の硬度は、少なくとも８００ＨＶ０．０５である、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項５】
前記ＰＶＤコーティング（３）の硬度は、最高１２００ＨＶ０．０５である、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項６】
前記窒素は、クロム層の前記クロムと共に、窒化クロムから成るバリアを形成している、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項７】
前記窒化クロムは、ナノ結晶の形態で存在しており、Ｃｒ２Ｎ相の割合は、７０％を上回っている、請求項６記載の構成部材。
【請求項８】
当該構成部材は、転がり軸受部品として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の構成部材。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の少なくとも１つの構成部材を、軸受輪及び／又は転動体の形態で有している、転がり軸受。
【請求項１０】
コーティングされた構成部材を製造する方法であって、
金属の基板（２）を用意し、
該基板（２）上にＰＶＤ法で、前記構成部材の表面を形成するように、１００ｎｍ〜５００ｎｍ未満の厚さを有するクロム層（５）の形態のＰＶＤコーティング（３）を施し、
前記クロム層（５）のクロムと少なくとも１つの別の元素との化合物から成るバリアを、前記構成部材の表面に形成し、
前記少なくとも１つの別の元素として酸素及び／又は窒素を用いる
ことを特徴とする、コーティングされた構成部材を製造する方法。
【請求項１１】
前記クロム層（５）は、スパッタリングにより施される、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記構成部材の表面に、前記クロム層（５）のクロムと化合する窒素を用いた反応性スパッタリングにより、窒化クロムから成るバリアが形成される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記クロム層（５）の形成に使用されるコーティング室を、１３０℃〜１６０℃の温度において通気することにより、前記構成部材の表面に酸化クロムから成るバリアが形成される、請求項１０又は１１記載の方法。
【国際調査報告】
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