DE102006027502A1

DE102006027502A1 - Verschleißfeste Beschichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102006027502A1
Application number: DE102006027502A
Authority: DE
Inventors: Tim Matthias Dr. Hosenfeldt; Joachim Dr. Hering; Gudrun Martin; Yashar Dr.-Ing. Musayev
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-09-10
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-03-22
Also published as: WO2007028791A3; WO2007028791A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung und eine verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen (2) von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (1), bestehend aus mindestens einer auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1) aufgebrachten metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mit sp·2·- und sp·3·-hybridisiertem Kohlenstoff für eine Reibungsreduzierung und eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche (2) des Maschinenteils (1) sowie eine elektrische Isolierung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen, welche beispielsweise aus widerstandsfähigen Stählen bestehen, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen verschleißfesten Beschichtung, insbesondere für Maschinenteile in Kraftstofffördereinheiten oder für Lager oder andere Bauteile, die elektrisch isoliert werden sollen.
Obwohl auf viele Arten von Maschinenteilen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in bezug auf Maschinenteile anhand eines elektrisch isolierenden Lagers näher erläutert.

Aus der WO 03/064874 ist für Kugellager grundsätzlich eine Beschichtung aus einem Kohlenstoff in diamantartiger Struktur bekannt um die Reibungseigenschaften insgesamt und besonders die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern.

Aus der EP 454616 ist ein Wälzlager bekannt, das teilweise mit einem chemisch abgeschiedenen Diamantwerkstoff beschichtet ist um die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern, die Belastbarkeit und die Lebensdauer zu vergrößern.

Aus der DE 698 12 389 T2 ist für Wälzelementlagerungen eine Beschichtung aus sp3 und sp2 hybridisierten Kohlenstoff-verbindungen, bekannt, die 5 bis 25% Silizium enthält (vgl JP 06341445 A ).

In vielen Fällen ist es wünschenswert, dass eine verschleißfeste Beschichtung zusätzlich elektrisch isolierend ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine mechanische Einrichtung, die verschleißfest beschichtet werden soll, mit einer elektronischen Einrichtung zur Messung oder Steuerung verbunden oder gekoppelt ist. Oft können zum Beispiel Drehlager zur Potentialtrennung eingesetzt werden. Zu diesem Zweck sind hochfeste und verschleißresistente, elektrisch isolierende Stoffe notwendig.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfeste Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beschichtung zu schaffen, mit welchen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden, und mit welchen insbesondere die Haltbarkeit eines Maschinenteils über die gesamte Lebensdauer mit einem verringerten Reibungskoeffizienten gewährleistet wird. Zudem soll die Beschichtung elektrisch isolierend ausgeführt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch eine verschleißfeste Beschichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und verfahrensseitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung gemäß Patentanspruch 16 und ein Wälzlager gemäß Patentanspruch 36.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten, beispielsweise aus einem Wälzlagerstahl bestehenden Bauteilen aus mindestens einer auf die vorbestimmte Fläche des Bauteils aufgebrachten metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht mit sp²- und sp³- hybridisiertem Kohlenstoff für eine Reibreduzierung und eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche besteht.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Verschleißbeständigkeit beispielsweise bei einer Anwendung im Kontaktbereich zwischen zwei Teilen eines Lagers bei voller Überrollfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik erhöht wird. Ferner wird eine Reduzierung der Reibung im Gleitkontakt gegenüber dem Stand der Technik gewährleistet. Dabei ist die erfindungsgemäße Kohlenwasserstoffschicht durch die Metallfreiheit der Kohlenstoffschicht zudem elektrisch isolierend und kann somit zur elektrischen Potentialtrennung eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Eigenschaften des Maschinenteils, also im Beispiel des Wälzlagers bezüglich des Gefüges sowie die funktionsbedingten Bauteiltoleranzen bei einer Aufbringung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung vorteilhaft nicht verändert werden. Somit kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung auf einen kostengünstigen Wälzlagerstahl als Unterbau zurückgegriffen werden, so dass das Bauteil wettbewerbsfähig herstellbar ist. Die auf dem Grundmaterial aufgebrachte Beschichtung stellt eine haftfeste und die Bauteileigenschaften nicht verändernde verschleißfeste Beschichtung dar, welche die Lebensdauer der Reibpartner vorteilhaft verlängert.

Dies ist bei Anwendung der Erfindung auf Teile eines Wälzlagers besonders vorteilhaft nutzbar, wenn beispielsweise der Außenring, der Innenring oder die Wälzkörper oder mehrere dieser Komponenten beschichtet werden. Zusätzlich kann mit der erfindungsgemäßen Beschichtung das Lager elektrisch isoliert werden. Je nach dem angestrebten Isolationsniveau wird nur eines der Teile des Lagers (Innenring, Wälzkörper, Außenring) oder werden 2 oder 3 Elemente des Lagers erfindungsgemäß beschichtet. Besonders sinnvoll ist die erfindungsgemäße Beschichtung bei Lagern mit einem Innendurchmesser von weniger als 70 mm, bei denen ein Umspritzen mit einem Keramikwerkstoff zur Isolation nicht möglich ist. Eine derartige Spritzschicht würde auch so dick ausfallen, dass eine mechanische Nachbearbeitung notwendig würde. Die bei der Erfindung entstehende Kombination weist tribologisch insbesondere gute Gleiteigenschaften auf. Um die Beschichtung noch widerstandsfähiger, insbesondere härter und fester zu machen, ist die Dotierung der Kohlenstoffschicht mit nicht metallischen Stoffen, wie beispielsweise Si und/oder O vorteilhaft. Die isolierenden Eigenschaften der Schicht bleiben bei solchen Dotierungen erhalten.

Die Erfindung bezieht sich in soweit auch auf ein Wälzlager, das an wenigstens einer seiner Komponenten die erfindungsgemäße Beschichtung aufweist. Ein solches Lager kann zur Potentialtrennung eingesetzt werden. Dabei kann für die Herstellung der Lagerkomponenten an sich üblicher Lagerstahl wie 16 Mn Cr5, C45, 100 Cr6, 31 CrMo V9, 80 Cr2 usw. eingesetzt werden. Diese Stähle liefern den Unterbau für die harte und verschleißfeste Beschichtung.

Vorteilhaft sind dabei so dünne Beschichtungen, dass keine Nacharbeit zur Anpassung der Teile notwendig ist. Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich insoweit besonders für Lager, die klein, dünnwandig oder nicht symmetrisch sind, da bei solchen Lagern eine Nachbearbeitung besonders aufwändig wäre.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen verschleißfesten Beschichtung und des im Anspruch 22 angegebenen Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Beschichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die amorphe Kohlenwasserstoffschicht einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atom-% auf. Dadurch weist die vorbestimmte Fläche des Maschinenteils eine geringe Adhäsionsneigung zum metallischen Gegenkörper, einen hohen abrasiven Verschleißwiderstand, eine hohe chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeiten und hohe Härte/E-Modul-Verhältnisse auf. Ein höherer Wasserstoffanteil könnte zu unerwünschten Verbindungen mit Schmierstoffen oder dergleichen führen.

Vorzugsweise weist die amorphe Kohlenwasserstoffschicht prozessbedingte Verunreinigungen, beispielsweise O- oder Ar-Atome, Metalle oder dergleichen, von weniger als 1 Atom-% auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht mindestens eine Zwischenschicht oder mindestens eine Haftvermittlungsschicht oder eine Kombination dieser beiden vorgesehen. Die mindestens eine Zwischenschicht ist dabei vorzugsweise als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht ausgebildet, wobei die Metallkomponenten aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, Ni oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen, oder als Keramikschicht aus einem Oxid oder Nitrid (TiO₂, Al₂O₃, TiN, AlN). Die Zwischenschicht weist vorteilhaft eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm auf. Die mindestens eine Haftvermittlungsschicht besteht vorzugsweise aus metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle. Vorzugsweise besitzt die Haftvermittlungsschicht eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm.

Die Gesamtbeschichtung besitzt gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 2,0 μm bis 10,0 μm, wobei die amorphe Kohlenwasserstoffschicht vorzugsweise eine Dicke von 1,0 μm bis 10 μm, insbesondere 1,0 μm bis 4,0 μm besitzt. Durch derartige Schichtdicken ändern sich die Abmessungen der Maschinenteile in einem so geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist und die eingestellte Oberflächenstruktur bzw. Topographie erhalten wird. In Bereichen, die keiner direkten Überrollbelastung ausgesetzt sind, also bei einem Wälzlager der innere Umfang des Innenrings und/oder der äußere Umfang des Außenrings, können zur Verbesserung der elektrischen Isolation Schichtdicken bis zu 70 μm vorgesehen werden. Eine Nachbearbeitung ist auch in diesen Fällen nicht notwendig.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die amorphe Kohlenwasserstoffschicht mittels eines PVD- oder eines (PA)CVD-Verfahrens auf der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils abgeschieden. Dabei kön nen etwaige nicht metallische Dotierungen in demselben Prozess mit abgeschieden werden. Eine Abscheidung der mindestens einen Zwischenschicht und/oder der mindestens einen Haftvermittlungsschicht erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens.

Es wird vorzugsweise keine thermische und/oder mechanische Nachbearbeitung der abgeschiedenen amorphen Kohlenwasserstoffschicht durchgeführt.

Vorzugsweise wird vor einer Abscheidung der amorphen Kohlenwasserstoffschicht die vorbestimmte Fläche des Maschinenteils einer Reinigung unterzogen, beispielsweise einer Badreinigung in verschiedenen Reinigungsbädern mit einem anschließenden Ausgasungsvorgang in einem Trocken- oder Vakuumofen oder dergleichen. Dadurch wird eine dauerhafte Anhaftung der Beschichtung an dem Grundkörper gewährleistet.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die amorphe Kohlenwasserstoffschicht, die mindestens eine Zwischenschicht und/oder die mindestens eine Haftvermittlungsschicht bei jeweils einer Beschichtungstemperatur abgeschieden, welche jeweils kleiner sind als die Anlasstemperatur des Maschinenteils. Dadurch erfährt das Maschinenteil keinen Härteverlust und keinen Verzug.

Beispielhafte Verwendungen der verschleißfesten Beschichtung umfassen außer den erwähnten Wälzlagerkomponenten auch hydraulische Abstütz- und Einsteckelemente, Steuerkolben, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Kreuzgelenkbuchsen, Linearführungen, Elemente mechatronischer Systeme oder dergleichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
1 eine vergrößerte Ansicht der auf einer Kontaktfläche abgeschie denen verschleißfesten Besichtung im Querschnitt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 schematisch ein Wälzlager im Querschnitt.
Es ist wünschenswert, diese Kontaktflächen 2 der Hubscheibe 1 mit einem Verschleißschutz bzw. einer verschleißfesten Beschichtung zu versehen, um den Verschleißwiderstand der Hubscheibe 1 für eine verlängerte Lebensdauer derselben zu erhöhen.
1 illustriert eine vergrößerte schematische Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines beschichteten Bauteils 1. Wie in 1 ersichtlich ist, ist auf einer vorbestimmten Fläche 2 eine verschleißfeste Beschichtung 3, 4, 5 für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes sowie für eine Reduzierung des Reibmomentes vorgesehen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Grundkörper des Bauteils ein metallischer Grundkörper aus einem Wälzlagerstahl, insbesondere aus einem gehärtetem Wälzlagerstahl, verwendet. Durch Verwendung derartiger Grundkörpermaterialien kann auf gängige Fertigungstechnologien zurückgegriffen und der Grundkörper wettbewerbsfähig hergestellt werden.
Wie in der 1 ferner illustriert ist, wird auf die vorbestimmte Fläche bzw. auf die Kontaktfläche 2 eine Haftvermittlungsschicht 3 aufgebracht. Die Haftvermittlungsschicht 3 kann beispielsweise mittels eines PVD-Verfahrens (Physical Vapour Deposition) auf die vorbestimmte Fläche 2 abgeschieden werden. Die Haftvermittlungsschicht 3 besteht vorzugsweise aus metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden, Oxiden oder Nitriden der Übergangsmetalle oder dergleichen und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 μm bis 0,5 μm auf. Die Haftvermittlungsschicht 3 dient einer verbesserten Anbringung bzw. einer verbesserten Vernetzung der Atome einer anschließend aufzubringenden Zwischensicht oder Funktionsschicht am Grundkörper 1. Die Dicke der Haftvermittlungs schicht 3 ist in Abhängigkeit der verwendeten Zwischenschicht 4 bzw. der Kundenwünsche und -anforderungen auszuwählen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird anschließend eine Zwischenschicht 4, wie in 1 ersichtlich ist, auf der Haftvermittlungsschicht 3 mittels beispielsweise ebenfalls eines PVD-Verfahrens abgeschieden. Die Zwischenschicht 4 kann beispielsweise als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H:Me) aufgebracht werden, wobei die Metallkomponenten W, Ti, Hf, Ge, Cr Ni oder dergleichen einzeln oder zu mehreren auftreten können. Die Zwischenschicht 4 weist beispielsweise eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm auf und dient einer verbesserten Anbringung der Funktionsschicht auf der Haftvermittlungsschicht 3 bzw. im Falle eines Fehlens der Haftvermittlungsschicht 3 für eine verbesserte Anbringung der Funktionsschicht auf dem Grundkörper 1 in physikalisch mechanischer und chemischer Hinsicht. Die Dicke der Zwischenschicht 4 ist dabei wiederum an Zusammensetzungen der verwendeten Schichten und an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
Wie in 1 ferner dargestellt ist, wird anschließend die eigentliche Funktionsschicht 5 auf der Zwischenschicht 4 abgeschieden. Dabei kann die Funktionsschicht 5 entweder direkt auf dem Grundkörper 1, direkt auf der Haftvermittlungsschicht 3 oder, wie in 3 dargestellt, direkt auf der Zwischenschicht 4 abgeschieden werden. Vorzugsweise wird ein spezieller Übergang von der Zwischenschicht 4 zu der Funktionsschicht 5 entwickelt, welcher eine optimale Anbindung der Funktionsschicht 5 sicherstellt und möglichst geringe Spannungen in das Schichtsystem bzw. in die kritische Schnittstelle zwischen dem porigen Grundmaterial und dem Schichtsystem induziert, wodurch ein Abplatzen sowohl in kohäsiver als auch in adhäsiver Form vermieden wird. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auf die Haftvermittlungsschicht 3 und/oder die Zwischenschicht 4 bei bestimmten Anwendungsbereichen auch verzichtet werden kann.
Die Zwischenschicht kann zur Erreichung einer erhöhten Stabilität und Haltbarkeit auch so gestaltet sein, dass eine sinnvolle Stufung der Metallhärte von dem Maschinenteil bis zur Funktionsbeschichtung erreicht wird.
Die Funktionsschicht 5 ist als amorphe Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H) ausgebildet und wird vorzugsweise mittels eines PVD- und/oder (PA)CVD-Verfahrens (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) auf einer vorgesehenen Schicht, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Zwischenschicht 4, abgeschieden.
Bei einem PVD-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial derart mit Inertgasionen, z. B. Argon beschossen, dass einzelne Atome aus dem Target herausgeschlagen und ionisiert und dann auf das negativ geladene Substrat hin beschleunigt werden. Dabei kann die zu beschichtende Oberfläche einmal oder mehrmals in einer Prozesskammer an dem Target zum Bilden einer oder mehrerer Schichten vorbeigeführt werden. Gleichzeitig kann in der Prozesskammer der einzubringende nicht metallische Stoff in Gas- oder Dampfform vorhanden sein und zu der Oberfläche mit gerissen werden.
Bei einem (PA)CVD-Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Plasmas ein Gasgemisch in die Prozesskammer eingebracht, in welche die zu beschichtenden Materialteile eingebracht sind. Bei vorbestimmten Temperaturen reagieren die vorhandenen Gase chemisch miteinander und führen zu einer dünnen Kondensschicht auf den Oberflächen der zu beschichtenden heißen Materialteile.
Eine Aufgabe des gesamten Schichtsystems, bestehend aus dem Grundkörper 1, der Haftvermittlungsschicht 3, der Zwischenschicht 4 sowie der amorphen Kohlenwasserstoffschicht 5, besteht darin, die Reibung zwischen dieser Beschichtung und einem Gegenkörper zu reduzieren und die Lebensdauer des beschichteten Grundkörpers 1 sowie die des Gegenkörpers zu erhöhen.
Die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 weist daher vorzugsweise einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atom-% auf, wodurch eine geringe Adhäsionsneigung zum metallischen Gegenkörper, ein hoher abrasiver Verschleißwi derstand, eine hohe chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeiten und hohe Härte/E-Modul-Verhältnisse gewährleistet werden. Ansonsten besteht die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 aus sp²- und sp³-hybridisiertem Kohlenstoff, wobei vorzugsweise prozessbedingte Verunreinigungen von weniger als 1 Atom-% vorgesehen sind.
Die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 1,0 μm bis 10,0 μm, im Falle geringer mechanischer Belastung bis 70 μm auf. Die gesamte Dicke der Beschichtung, bestehend aus den einzelnen Schichten 3, 4 und 5, beträgt vorzugsweise etwa 2,0 μm. Durch eine solche Dicke der Gesamtbeschichtung ändern sich die Abmessungen des Maschinenteils in einem derartig geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist und die eingestellte Oberflächenstruktur bzw. Topographie beibehalten wird. Die tribologischen Aufgaben übernimmt die Oberfläche der Beschichtung, die durch die eingestellte Struktur das Mischreibungsgebiet reduziert und aufgrund der reibungsarmen Beschichtung die Reibkraft und folglich die Oberflächenbeanspruchungen reduziert. Die mechanischen Aufgaben hingegen übernimmt das Schichtsystem im Verbund mit dem Grundkörper.
Als Gegenkörper können vorzugsweise im Sinne des Leichtbaus und der Kosteneinsparung Eisen-Kohlenstoff-Legierungen realisiert werden. Darüber hinaus sind niedrig viskose und niedrig additivierte Öle einsetzbar. Ferner kann eine Minimalschmierung bzw. ein erhöhtes Ölwechselintervall realisiert werden.
Vorzugsweise wird vor einer Beschichtung des Grundkörpers die vorbestimmte Fläche 2 desselben gereinigt, beispielsweise mittels einer Badreinigung in verschiedenen Reinigungsbädern. Dadurch wird die Anhafteigenschaft der Beschichtung an dem Grundkörper vorteilhaft verbessert.
Die Beschichtungstemperatur der einzelnen Beschichtungsvorgänge liegt unterhalb der Anlasstemperatur des zu beschichtenden Materials. Dadurch erfährt dieses vorteilhaft weder einen Härteverlust noch einen Verzug.
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen verschleißfesten Beschichtung, wobei auf kostengünstige niedrig legierte Stähle als Unterbau zurückgegriffen werden kann, welche aber ohne die erfindungsgemäße Beschichtung der tribologischen Beanspruchung nicht standhalten würden. Aufgrund der notwendigen komplexen Teilegeometrie ist fertigungsbedingt somit vorteilhaft ein einfacher Stahl mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung einsetzbar, so dass das Bauteil wettbewerbsfähig hergestellt werden kann. Die Beschichtung kann aufgrund der geringen Gesamtschichtdicke sehr gleichmäßig und ohne nennenswerten Rauheitszuwachs aufgebracht werden. Dadurch ist das Beschichten ohne Vorhaltemaß und ohne kostenintensive Nachbearbeitung möglich.
Durch die oben beschriebene Beschichtung entsteht ein tribologisches System, welches durch die eingestellte Struktur das Mischreibungsgebiet reduziert und aufgrund der reibungsarmen Beschichtung die Reibkraft und folglich die Oberflächenbeanspruchung sowie den Verschleiß reduziert.
Neben einer Beschichtung von Kontaktflächen von Wälzlagern können selbstverständlich auch andere Maschinenteile, beispielsweise hydraulische Abstütz- und Einsteckelemente, Steuerkolben, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Linearführungen, oder dergleichen, erfindungsgemäß beschichtet werden.
In der 2 ist ein Kugellager schematisch dargestellt mit einem Außenring 10, einem Innenring 11 und Wälzkörpern 12. Die genannten Komponenten bestehen typisch aus einem bekannten Lagerstahl, wobei kostengünstige und leicht bearbeitbare Stähle gewählt werden können. Dabei ist gegenüber dotierungsfreien Kohlenwasserstoffschichten eine wesentlich größere Härte, Überrollfähigkeit (Stabilität gegen hohe Herz'sche Pressung) und ein optimiertes Verhältnis von Härte zu E-Modul wichtig. Zum Zweck einer größeren mechanischen Stabilität und Dauerhaftigkeit kann zusätzlich ein Schichtaufbau mit einer Haftvermittlungsschicht und einer Zwischenschicht vorgesehen sein, um den Härtegradienten im Schichtaufbau zu begrenzen. Eines, zwei oder alle drei der genannten Komponenten des Lagers können eine Kohlenwasserstoff schicht gemäß der Erfindung tragen, um einerseits auf dem gewünschten Isolationsniveau eine elektrische Isolierung herzustellen und andererseits die geförderten mechanischen und tribologischen Eigenschaften zu erzeugen. In der Figur sind lediglich beschichtete Wälzkörper 12, davon einer im Querschnitt, mit einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffschicht 15 als Beispiel dargestellt.
Durch die PVD-Beschichtungstechnik ist in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Schichten auch die Beschichtung von kleinen Lagern mit einem Innendurchmesser kleiner als 75 mm wirtschaftlich möglich. Erfindungsgemäße Lager können auch bei Trockenreibung und Mangelschmierung betrieben werden. Da als Schmierstoff außer Hydrauliköl und Dieselkraftstoff auch Wasser und Benzin möglich ist, ergeben sich auch neue Einsatzgebiete für die Lager.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

1: Maschinenteil
2: vorbestimmte Fläche des Maschinenteils/
3: Haftvermittlungsschicht
4: Zwischenschicht
5: amorphe Kohlenwasserstoffschicht/Funktionsschicht
10: Außenring
11: Innenring
12: Wälzkörper
15: Kohlenwasserstoffschicht

Claims

Verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen (2) von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (1), bestehend aus mindestens einer auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1) aufgebrachten metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mit sp²- und sp³-hybridisiertem Kohlenstoff.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) Anteile eines nicht metallischen Elementes eingebracht sind.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des nicht metallischen Elementes weniger als 30 Atom % beträgt.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht metallisches Element Silizium oder Sauerstoff eingebracht ist.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atom-% aufweist.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) prozessbedingte Verunreinigungen von weniger als 1 Atom-% aufweist.
Verschleißfeste Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine Dicke von etwa 1,0 μm bis 70 μm aufweist.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine Dicke zwischen 1,0 μm und 10 μm aufweist.
Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbestimmten läche (2) des Maschinenteils (1) und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) und/oder mindestens eine Zwischenschicht (4) vorgesehen ist.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) ausgebildet ist.
Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten der metallhaltigen Kohlenwasserstoffschicht (4) aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen.
Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm aufweist.
Verschleißfeste Beschichtung nach 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine keramische Schicht vorgesehen ist, die ein Oxid oder ein Nitrid enthält, insbesondere Al₂O₃, TiO₂, AlN oder TiN.
Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) wenigstens teilweise aus metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden, Oxiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle oder aus Chrom und Kohlenstoff besteht.
Verschleißfeste Beschichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (3) eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm aufweist.
Verwendung der verschleißfesten Beschichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Maschinenteil (1) aus einem Stahl besteht.
Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur elektrischen Isolierung des beschichteten Maschinenteils.
Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur Beschichtung eines Maschinenteils, das aus einem der Stähle 16 Mn Cr 5, C 45, 100 Cr 6, 31 Cr Mo V9, 80 Cr 2 besteht.
Verwendung der Beschichtung (3, 4, 5) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche als Kontaktfläche (2) einer Hubscheibe (1) zu einer Mittelplatte einer Pumpeneinrichtung einer Kraftstofffördereinheit.
Verwendung der Beschichtung (3, 4, 5) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 auf vorbestimmten Flächen (2) von Mittelplatten von Kraftstofffördereinheiten, Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise Tassenstößel, Nockenwellen, hydraulischen Abstütz- und Einsteckele menten, Wälzlagerkomponenten, Steuerkolben, Ausrücklagern, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Kreuzgelenkbüchsen, Linearführungen, Elemente mechatronischer Systeme oder dergleichen.
Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur Beschichtung wenigstens einer der Komponenten eines Wälzlagers: des Innenrings, des Außenrings oder der Wälzkörper.
Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf vorbestimmten Flächen (2) von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (1) mit folgendem Verfahrensschritt: Aufbringen mindestens einer metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mit sp²- und sp³-hybridisiertem Kohlenstoff auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1) für eine Reibungsreduzierung und eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche (2) des Maschinenteils (1).
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kohlenwasserstoffschicht ein Anteil eines nicht metallischen Stoffes, insbesondere Si oder O, eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mittels eines PVD- und/oder eines (PA)CVD-Verfahrens auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mit einem Wasserstoffanteil von maximal 20 Atom-% ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mit prozessbedingten Verunreinigungen von weniger als 1 Atom-% ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) mit einer Dicke von etwa 1,0 μm bis 70 μm, insbesondere 1 μm bis 10 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Abscheidung der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1) einer Reinigung, beispielsweise einer Badreinigung in verschiedenen Reinigungsbädern mit einem anschließenden Ausgasungsvorgang in einem Reinigungsofen oder dergleichen, unterzogen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbestimmten Fläche (2) des Maschinenteils (1) und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) und/oder mindestens eine Zwischenschicht (4) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten der metallhaltigen Kohlenwasserstoffschicht (4) aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) mit einer Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) aus Chrom und Kohlenstoff, metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden, Oxiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) mit einer Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5), die mindestens eine Zwischenschicht (4) und/oder die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) bei jeweils einer Beschichtungstemperatur abgeschieden werden, welche jeweils kleiner sind als die Anlasstemperatur des Maschinenteils (1).
Wälzlager mit einer verschleißfesten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auf der Oberfläche wenigstens einer der folgenden Komponenten: Innenring, Außenring, Wälzkörper.