DE3623360A1

DE3623360A1 - Device with adjacent surfaces, between which high pressures and/or high friction loads occur

Info

Publication number: DE3623360A1
Application number: DE19863623360
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Biester
Original assignee: Cameron Iron Works GmbH
Current assignee: Cameron Iron Works GmbH
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1988-01-14

Abstract

Published without abstract.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Einrichtungen sind beispielsweise bei der Erdöl- oder Erdgasförderung Ventile und Schwerstangenstangenverbinder, bei Verbrennungsmotoren die Zylinder, Kolben, Ventilstößel und Kurbelwellen oder dergleichen. Es ist bekannt, die einander benachbarten Flächen solcher Einrichtungen durch Härtung oder durch Einfügung besonders harter oder widerstandsfähiger Teile den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Bei den bekannten Einrichtungen haben die so getroffenen Maßnahmen jedoch häufig unangenehme Nebenwirkungen. So wird gehärtetes Material spröde und bricht leichter. Hochbelastete Gewinde fressen sich bei unzureichender Härte ihrer Oberflächen leicht fest. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter gehärteter Flächen zu vermeiden und eine Oberflächen- und Materialbeschaffenheit zu erreichen, die sehr hohen Beanspruchungen für lange Zeit widerstehen kann.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1. Such devices are for example for oil or natural gas production, valves and connecting rod connectors, the cylinders in internal combustion engines, Pistons, valve lifters and crankshafts or the like. It is known the adjacent surfaces of such Equipment by hardening or by insertion especially hard or resistant parts to the respective requirements adapt. In the known facilities However, measures taken in this way often have unpleasant side effects. This way, hardened material becomes brittle and breaks lighter. Highly stressed threads eat at insufficient ones Hardness of their surfaces slightly firm. The invention the task is based on the disadvantages of known hardened Avoid surfaces and a surface and material quality to achieve the very high demands can withstand for a long time.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by those described in claim 1 Features solved. Developments of the invention are in the Subclaims marked.

Es ist zwar bekannt (Physik in unserer Zeit, Vol. 17, No. 3, 1986 Seiten 71-79) Substrat-Oberflächen zu sputtern (ionenplattieren), d. h. mit dünnen Schichten anderer Materialien zu überziehen, doch ist bei diesen bekannten Verfahren nicht an den Einsatz für höchste Beanspruchung gedacht wie hohe Last, hohe Flächenpressung und hoher Verschleiß.It is well known (physics in our time, Vol. 17, No. 3, 1986 pages 71-79) sputtering substrate surfaces (ion plating), d. H. with thin layers of other materials to coat, but is not in these known methods thought of the use for highest demands like high Load, high surface pressure and high wear.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen inIn order to explain the invention in more detail, there are several Exemplary embodiments described with reference to the drawings. These show in

Fig. 1 ein Scherschluß-Ventil mit Dichtplatte und Dichtring in Perspektiv-Darstellung Fig. 1 shows a shear valve with a sealing plate and sealing ring in a perspective view

Fig. 2a Perspektiv-Darstellung eines Mehrwege-Ventils Fig. 2a perspective view of a multi-way valve

Fig. 2b Seitenansicht der Fig. 2a Fig. 2b side view of Fig. 2a

Fig. 3 eine Schwerstangenverbindung Fig. 3 is a drill collar connection

Fig. 4 einen Zahnantrieb mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern Fig. 4 shows a toothed drive with two intermeshing gears

Fig. 5 den Zylinder eines Verbrennungsmotors Fig. 5 shows the cylinder of an internal combustion engine

Fig. 6 den Kolben eines Verbrennungsmotors Fig. 6 shows the piston of an internal combustion engine

Fig. 7 den Kolbenring für einen Verbrennungsmotor Fig. 7 shows the piston ring for an internal combustion engine

Fig. 8 einen Bolzen für den Kolben des Verbrennungsmotors Fig. 8 shows a bolt for the piston of the internal combustion engine

Fig. 9 die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors Fig. 9 shows the crankshaft of an internal combustion engine

Fig. 10 die Nockenwelle eines Motors mit Schlepphebel und Ventilstößel Fig. 10 shows the camshaft of an engine with rocker arm and valve lifter

In Fig. 1 ist ein Scherschlußventil 1 dargestellt, dessen wesentliche Bestandteile eine Dichtplatte 2 und ein Dichtring 3 sind. Die Dichtplatte 2 ist über ein Handrad 4 mit Gewindebolzen 5 senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verschiebbar und verschiebt dabei eine nicht sichtbare Öffnung 6 in der Dichtplatte 2 relativ zu dem Dichtring 3, der in den ortsfesten Teil 7 des Strömungsweges 8 eingesetzt ist. Die Stirnseite des Dichtringes 3 und die Dichtplatte 2 liegen dicht gleitend aufeinander und bilden dabei eine Metall-Metall-Dichtung. Wegen des außerordentlich hohen Druckes (bis 2000 bar Arbeitsbereich) sind das Ventil 1 und die Dichtung zwischen den beiden Teilen 2, 3 hohem Verschleiß ausgesetzt. Die aufeinander gleitenden Teile des Ventils wurden daher zum Beispiel aus hochwertigem Stahl gefertigt und gehärtet. Dennoch unterlagen diese Teile hohem Verschleiß und zusätzlich meist noch einer gewissen Korrosion. Die Oberflächen von Dichtplatte 2 und Dichtring 3 werden daher mit einer Hartmetallschicht ionenplattiert, insbesondere mit einer Schichtdicke von bis zu 4 µm. Als Hartstoff hat sich für diesen Anwendungszweck zum Beispiel Titannitrid (TiN) bewährt. Wegen dieser Hartstoffbeschichtung ist es nicht mehr erforderlich, die Oberfläche der benachbarten Teile 2, 3 zu härten. Es kann jetzt für die beiden Teile 2, 3 ein Material verwendet werden, wie es für die Belastung des Bauteils an sich optimal ist, beispielsweise ein Stahl, nur vergütet. Statt des Hartstoffes TiN können auch andere Hartstoffe wie TiC, TiCxNy, (TiAl)Nx, CrN, iC, Me-C, WN verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß die Haftfestigkeit der Schicht umso besser ist, je feiner die Oberfläche des Substrats ausgebildet ist. Die Substrat-Oberfläche vor Beschichtung sollte also eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit haben. Wesentlich sind auch die Ebenheit und Planität des Substrats im beanspruchten Bereich. Durch das Ionenplattieren werden die Hartstoffmoleküle so fest in den Substrat (den zu beschichtenden Körper) eingelagert, daß eine hohe Haftfestigkeit der Schicht am Substrat erreicht wird. Die Mikrohärte solcher Schichten ist höher als 2000 kp/mm² (bei TiCxNy bis zu 4500 kp/mm²) und die maximale Einsatztemperatur 700° (bei TiCxNy 450°C). In Fig. 1, a shear valve 1 is shown, the essential components of which are a sealing plate 2 and a sealing ring 3 . The sealing plate 2 can be displaced perpendicularly to the flow direction of the medium via a handwheel 4 with threaded bolts 5 and thereby displaces an invisible opening 6 in the sealing plate 2 relative to the sealing ring 3 , which is inserted into the fixed part 7 of the flow path 8 . The end face of the sealing ring 3 and the sealing plate 2 lie close to one another and form a metal-metal seal. Because of the extremely high pressure (up to 2000 bar working range), the valve 1 and the seal between the two parts 2, 3 are exposed to high wear. The sliding parts of the valve were therefore made, for example, from high-quality steel and hardened. Nevertheless, these parts were subject to high wear and usually also a certain amount of corrosion. The surfaces of sealing plate 2 and sealing ring 3 are therefore ion-plated with a hard metal layer, in particular with a layer thickness of up to 4 μm. Titanium nitride (TiN), for example, has proven itself as a hard material for this purpose. Because of this hard material coating, it is no longer necessary to harden the surface of the adjacent parts 2, 3 . A material can now be used for the two parts 2, 3 , as is optimal for the loading of the component itself, for example a steel, only tempered. Instead of the hard material TiN, other hard materials such as TiC, TiCxNy, (TiAl) Nx, CrN, iC, Me-C, WN can be used. It has been shown that the finer the surface of the substrate, the better the adhesive strength of the layer. The substrate surface before coating should therefore have the lowest possible surface roughness. The flatness and flatness of the substrate in the stressed area are also essential. By ion plating the hard material molecules are so firmly embedded in the substrate (the body to be coated) that a high adhesive strength of the layer on the substrate is achieved. The microhardness of such layers is higher than 2000 kp / mm² (for TiCxNy up to 4500 kp / mm²) and the maximum operating temperature 700 ° (for TiCxNy 450 ° C).

Fig. 2a zeigt ein Mehrwegeventil mit Metall-zu-Metall-Dichtung aufeinander gleitender Dichtplatten 12, 13 und Fig. 2b eine zugehörige Seitenansicht. Die Dichtplatte 12 ist Oberfläche eines die Zu- und Ableitungen 14, 15, 16 enthaltenden Körpers 17. Eine gegenüberliegende Dichtplatte 13 ist die Oberfläche eines Körpers 18, der die Verbindungswege 19 für die Zu- bzw. Ableitungen 14, 15, 16 in dem Körper 17 enthält. Ein Hebel 20 oder eine nichtdargestellte Hydraulikanordnung ermöglicht die Verdrehung des Körpers 17 relativ zum Körper 18 bei voller Aufrechterhaltung der Dichtung zwischen den Platten 12, 13. Durch Ionenplattierung der gegenüberliegenden Flächen 12, 13 mit einem der zu Fig. 1 genannten Hartstoffe wird nicht nur die Verschleißfestigkeit der unter hohem Druck betriebenen Teile 12, 13 verringert, sondern durch die wesentlich verringerte Reibung auch noch die Bedienung erleichtert. Fig. 2a shows a multi-way valve with metal-to-metal seal sliding plates 12, 13 and Fig. 2b an associated side view. The sealing plate 12 is the surface of a body 17 containing the supply and discharge lines 14, 15, 16 . An opposing sealing plate 13 is the surface of a body 18 , which contains the connecting paths 19 for the supply and discharge lines 14, 15, 16 in the body 17 . A lever 20 or a hydraulic arrangement (not shown) enables the body 17 to be rotated relative to the body 18 while the seal between the plates 12, 13 is fully maintained. Ion plating of the opposing surfaces 12, 13 with one of the hard materials mentioned in FIG. 1 not only reduces the wear resistance of the parts 12, 13 operated under high pressure, but also makes operation easier due to the substantially reduced friction.

Die für den Betrieb mit korrodierenden Medien bei hohem Druck verwendeten Metalle sind meist ferritischer Natur und neigen daher zur Korrosion. In einem solchen Fall wird auf den Substrat zunächst eine relativ weiche Schicht wie Chrom (Mikrohärte der Schicht nur 500-700 kp/mm²) durch Ionenplattierung aufgebracht. Diese Schicht ist zwar für den Standardbetrieb zu weich und somit nicht verschleißfest genug. Sie ist aber selbst bei einer Dicke von nur 1 µm dicht genug, um den Substrat gegen korrodierenden Einfluß zu schützen. Diese weiche Korrosionsschicht wird nun gegen Zerstörung durch Verschleiß und/oder Schläge bei Lagerung, Austausch und/oder Betrieb durch eine weitere Beschichtung mit einer Hartstoffschicht aus CrN (Mikrohärte der Schicht bis zu 2200 kp/mm²) geschützt. Auf diese Weise ist es möglich, die vorteilhaften Eigenschaften einer weichen, korrosionshemmenden Schicht mit der zerstörungshemmenden Hartstoffschicht zu kombinieren. For use with corrosive media at high pressure Metals used are mostly ferritic in nature and tend hence to corrosion. In such a case, the substrate first a relatively soft layer such as chrome (micro hardness of Layer only 500-700 kp / mm²) applied by ion plating. This layer is too soft for standard operation and therefore not wear-resistant enough. But it is even with a thickness of only 1 µm dense enough to prevent the substrate from corroding To protect influence. This soft corrosion layer is now against destruction due to wear and / or blows during storage, Exchange and / or operation with another coating a hard material layer made of CrN (micro hardness of the layer up to 2200 kp / mm²) protected. In this way it is possible to advantageous properties of a soft, corrosion-inhibiting Combine layer with the non-destructive hard material layer.

Fig. 3 zeigt zwei Schwerstangen 30, 31 mit einem kegelförmigen Außengewinde 32 bzw. einem entsprechend ausgebildeten Innengewinde 33 zur gegenseitigen Verbindung. Solche Schwerstangen werden über dem Bohrwerkzeug eingesetzt, um die für das Bohren erforderlichen Belastungen werkzeugnah zur Verfügung zu haben. Bei der Herstellung eines Stranges aus solchen Schwerstangen werden die einzelnen Schwerstangen zur Erzielung einer sicheren Übertragung der auftretenden Belastung und zur sicheren Abdichtung gegen hohe Flüssigkeitsdrucke gegen eine Gewindeschulter kraftverschraubt. Solche Gewindeverbinder sind sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Sie verschleißen sehr schnell und müssen dann in eine Spezialwerkstatt transportiert werden. In der Werkstatt ist meist eine Nachbearbeitung des Gewindebereiches erforderlich, da durch die Beanspruchung und die häufigen Auswechselungen beim Ein- und Ausbau des Bohrstranges die Gewinde sowie deren Schulterflächen beschädigt oder zerstört werden. Ein Bohrstrang muß bekanntlich bei jedem Wechsel des Bohrwerkzeuges ausgebaut werden. Um die Beschädigungen der Gewinde herabzusetzen, wurden bisher Schwerstangen aus vergüteten hochfesten Stählen gefertigt. Selbst bei solchen Schwerstangen hat es sich nicht vermeiden lassen, daß die Gewinde nach den starken Beanspruchungen nicht mehr lösbar waren (Fressen der Gewinde). Durch Ionenplattieren des beanspruchten Bereiches, insbesondere des Gewindebereiches 32, 33 mit einem Hartstoff der zu Fig. 1 genannten Art, insbesondere eines TiN für die Außengewinde und eines TiC für das Innengewinde wird eine Beschädigung der Gewinde, insbesondere das Fressen der Gewinde weitgehend unterbunden. Ein Härten des Stahls kann entfallen. Für die Schwerstangen wird ein hochfester, zäher Stahl mit Vergütung verwendet, dessen Oberfläche also nicht spröde ist. Dieser Stahl dient zur Aufnahme und Übertragung der Grundlast. Der Verschleiß wird durch die extreme Härte der mit etwa 4 µm sehr dünnen ionenplattierten Schicht, die die Oberfläche nicht spröde macht, vermieden oder wenigstens stark verringert. Hinzu kommt eine beträchtliche Verringerung der Reibung zwischen den beiden Gewinden 32, 33 und damit auch die Neigung zum "Fressen". Diese Neigung wird noch weiter vermindert durch Wahl unterschiedlicher Hartstoffe für die einander benachbarten Gewinde 32, 33. Die Beschichtung mit ionenplattierten Hartstoffen ist besonders vorteilhaft bei nichtmagnetischen Schwerstangen, die weich sind und daher leicht zum Fressen der Gewinde neigen. Fig. 3 shows two collars 30, 31 with a conical external thread 32 and an internal thread 33 formed in accordance with the mutual connection. Such drill collars are used above the drilling tool so that the loads required for drilling are available close to the tool. When producing a strand from such drill collars, the individual drill collars are force-screwed against a threaded shoulder in order to achieve a safe transmission of the load occurring and for a secure seal against high liquid pressures. Such threaded connectors are exposed to very high loads. They wear out very quickly and then have to be transported to a special workshop. A reworking of the thread area is usually necessary in the workshop, since the stress and the frequent changes when installing and removing the drill string damage or destroy the threads and their shoulder surfaces. As is well known, a drill string must be removed each time the drilling tool is changed. In order to minimize the damage to the threads, drill collars have been made from tempered, high-strength steels. Even with such drill collars, it could not be avoided that the threads could no longer be loosened after heavy use (thread seizure). By ion plating the stressed area, in particular the threaded area 32, 33 with a hard material of the type mentioned in FIG. 1, in particular a TiN for the external thread and a TiC for the internal thread, damage to the threads, in particular the threading, is largely prevented. There is no need to harden the steel. A high-strength, tough steel with tempering is used for the drill collar, the surface of which is therefore not brittle. This steel is used to absorb and transfer the base load. The wear is avoided or at least greatly reduced by the extreme hardness of the ion-plated layer, which is very thin at about 4 µm and does not make the surface brittle. In addition, there is a considerable reduction in the friction between the two threads 32, 33 and thus also the tendency to "seize". This tendency is further reduced by selecting different hard materials for the threads 32, 33 adjacent to one another. Coating with ion-plated hard materials is particularly advantageous for non-magnetic drill collars that are soft and therefore tend to seize the threads.

Fig. 4 zeigt einen Zahnantrieb mit einem Zahnrad 40 und einer Zahnstange 41 oder einem Gegenrad, die mit ihren Zähnen 42, 43 ineinandergreifen. Die Grundkörper sind aus zähem, nichtspröden Material gefertigt, um ein Ausbrechen der Zähne bei starker Beanspruchung aufgrund großer Sprödigkeit zu vermeiden. Zur Unterbindung des Verschleißes und zur Herabsetzung der Reibung sind die Oberflächen der beiden Körper 40, 41 mit Hartstoffen ionenplattiert. Als Grundmaterial für die beiden Körper ist beispielsweise ein unvergüteter Stahl einsetzbar. FIG. 4 shows a toothed drive with a toothed wheel 40 and a toothed rack 41 or a counter wheel, which mesh with their teeth 42, 43 . The basic bodies are made of tough, non-brittle material in order to prevent the teeth from breaking out under heavy use due to high brittleness. To prevent wear and to reduce friction, the surfaces of the two bodies 40, 41 are ion-plated with hard materials. For example, an unrefined steel can be used as the base material for the two bodies.

In Fig. 5 ist der Zylinder 50 eines Verbrennungsmotors dargestellt, dessen Körper aus Grauguß oder Aluminium hergestellt ist. Dieses Material ist hinsichtlich Gewicht und Druckaufnahmefähigkeit für die Explosionsdrucke vorteilhaft. Auch andere Materialien können verwendet werden, wobei ihre für den Einsatzzweck vorteilhaften Eigenschaften ausgewählt werden sollten und ohne Rücksicht auf ihre Verschleißeigenschaften. Eine Ionenplattierung mit einem Hartstoff dient sowohl zur Verminderung der Reibung als auch zur Vermeidung von Beschädigungen und Verschleiß. Auch eine Verbesserung des Temperaturverhaltens kann auf diese Weise erreicht werden. Bei Einsatz eines Zylinders aus Aluminium, z. B. eines Werkstoffes AlS/25 CuNiMg wird die hierbei ertragbare Betriebstemperatur erhöht. Dies ist insbesondere bei einer Ionenplattierung der Zylinderwandung 52 mit (TiAl)Nx der Fall. Dieser Hartstoff erlaubt eine hohe Einsatztemperatur von bis zu 450° bei einer Mikrohärte von 2200-2300 kp/mm². Der Hartstoff bewirkt damit eine Härteverbesserung und eine solche Reibungsverminderung bezüglich des in ihm gleitenden Kolbens oder der Kolbenringe 53, daß in bestimmten Fällen ein Einsatz ohne Ölschmierung möglich wird. In Fig. 5, the cylinder 50 is shown an internal combustion engine, whose body is made of gray cast iron or aluminum. This material is advantageous in terms of weight and pressure absorption capacity for the explosion prints. Other materials can also be used, whereby their properties which are advantageous for the intended use should be selected and regardless of their wear properties. Ion plating with a hard material serves both to reduce friction and to avoid damage and wear. An improvement in the temperature behavior can also be achieved in this way. When using a cylinder made of aluminum, e.g. B. of a material AlS / 25 CuNiMg, the tolerable operating temperature is increased. This is the case in particular when the cylinder wall 52 is ion-plated with (TiAl) Nx. This hard material allows a high operating temperature of up to 450 ° with a microhardness of 2200-2300 kp / mm². The hard material thus brings about an improvement in hardness and such a reduction in friction with respect to the piston sliding in it or the piston rings 53 that use in certain cases without oil lubrication is possible.

Fig. 6 zeigt den zum Zylinder 50 gehörenden Kolben 51, der mit seiner Wandung oder den in in eingesetzten Kolbenringen 53 im Zylinder 50 geführt wird. Die Arbeitstemperatur für den Kolben 51 liegt in der Regel bei 100-200°. Eine solche Temperatur ist für Aluminiumkolben tragbar, da Aluminium erst bei 240° gefährdet wird. Die Außenwandungen des Zylinders 51 sind vorzugsweise mit molekularem Kohlenstoff (iC) ionenplattiert oder gesputtert. Diese Hartstoffschicht wird bei einer Beschichtungstemperatur von maximal 200° aufgebracht und erträgt Arbeitstemperaturen von 300°, also mehr als es der gefährlichen Temperatur für Aluminium entspricht. Ein Kolben 51 mit einer Sputterschicht aus iC in Verbindung mit einem Zylinder 50 z. B. aus Grauguß mit einer Sputterschicht aus (TiAl)Nx kann wegen seiner vorzüglichen Reibungs- und Verschleißeigenschaften mit wesentlich engeren Toleranzen betrieben werden als es bisher üblich war. Das bewirkt wegen der besseren Abdichtung zugleich einen besseren Wirkungsgrad des Motors. Fig. 6 shows the cylinder 50 belonging to the piston 51, which with its wall or is guided in piston rings used in 53 in the cylinder 50. The working temperature for the piston 51 is usually 100-200 °. Such a temperature is acceptable for aluminum pistons because aluminum is only endangered at 240 °. The outer walls of cylinder 51 are preferably ion-plated or sputtered with molecular carbon (iC). This hard material layer is applied at a coating temperature of a maximum of 200 ° and endures working temperatures of 300 °, which is more than the dangerous temperature for aluminum. A piston 51 with a sputter layer made of iC in connection with a cylinder 50 z. B. from gray cast iron with a sputter layer made of (TiAl) Nx can be operated because of its excellent friction and wear properties with much tighter tolerances than was previously common. Because of the better sealing, this also results in better engine efficiency.

Fig. 7 zeigt den Kolbenring eines Verbrennungsmotors, wie er in den Kolben gemäß Fig. 6 einzusetzen ist. Der Kolbenring besteht aus NI-Resist. Dieses Material ist für den hier beschriebenen Zweck besonders geeignet, weil es gleiche Ausdehnung hat wie Aluminium. Zur Verminderung der Reibung ist der Kolbenring 53 mit einer Hartstoffschicht aus molekularem Kohlenstoff (iC) gesputtert. Da das Grundmaterial auch höhere Temperaturen verträgt, kann auch ein härteres Material wie TiCxNy zum ionenplattieren benutzt werden, das Mikrohärten bis zu 4500 Kp/mm² ergibt, aber auch Beschichtungstemperaturen bis zu 400°C erfordert, die für Aluminium nicht geeignet sind. FIG. 7 shows the piston ring of an internal combustion engine as it is to be used in the piston according to FIG. 6. The piston ring is made of NI resist. This material is particularly suitable for the purpose described here because it has the same expansion as aluminum. To reduce the friction, the piston ring 53 is sputtered with a hard material layer made of molecular carbon (iC). Since the base material can also withstand higher temperatures, a harder material such as TiCxNy can also be used for ion plating, which results in micro hardness up to 4500 Kp / mm², but also requires coating temperatures up to 400 ° C, which are not suitable for aluminum.

Fig. 8 zeigt einen Bolzen 56 für den Einsatz in die Bohrung 57 des Kolbens 51. Dieser Kolbenbolzen kann aus Titan gefertigt sein und mit (TiAl)Nx oder Crn ionenplattiert sein. Fig. 8 shows a bolt 56 for use in the bore 57 of the piston 51. This piston pin can be made of titanium and ion-plated with (TiAl) Nx or Crn.

Titan war aufgrund seiner schlechten Gleitstruktur sehr kritisch im Einsatz und neigte zum Fressen.Titan was very good because of its poor sliding structure critical in use and tended to eat.

In Fig. 9 ist die Kurbelwelle 60 eines Motors dargestellt. Das Grundmaterial für diese Kurbelwelle ist nach den Forderungen für die Übertragung einer Grundlast ausgewählt und bemessen. Bei dieser Bemessung ist kein Unterschied zwischen den Materialeigenschaften im Bereich der Wangen 61 und der Zapfen 62 gemacht.In Fig. 9, the crankshaft 60 is shown a motor. The basic material for this crankshaft is selected and dimensioned according to the requirements for the transmission of a basic load. With this dimensioning, no difference is made between the material properties in the region of the cheeks 61 and the pins 62 .

Als Grundmaterial kann normaler Stahlguß für die gesamte Kurbelwelle eingesetzt werden. Diese Kurbelwelle wird insgesamt oder wenigstens im Bereich der Zapfen 62 mit einem der zu Fig. 1 erwähnten Hartstoffe ionenplattiert. Das mit den Zapfen zusammenwirkende Pleuel 63 ist mit einem der genannten Hartstoffe gesputtert. Wie eingangs für die zu sputternden Flächen betont, sind auch hier die Oberflächen der Grundkörper (Substrat für den Sputtervorgang) auf geringe Oberflächenrauhigkeit zu bearbeiten.Normal cast steel can be used as the base material for the entire crankshaft. This crankshaft is ion-plated as a whole or at least in the region of the pins 62 with one of the hard materials mentioned in relation to FIG. 1. The connecting rod 63 cooperating with the pins is sputtered with one of the hard materials mentioned. As emphasized at the beginning for the surfaces to be sputtered, the surfaces of the base bodies (substrate for the sputtering process) must also be machined to a low surface roughness.

Fig. 10 zeigt die Nockenwelle 70 eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem Schlepp- oder Kipphebel 71, der wiederum auf den Ventilstößel 80 einwirkt. Alle drei Teile 70, 71, 80 sind besonderem Verschleiß durch hohen Druck und Abrieb im Dauerbetrieb ausgesetzt. Sie mußten bisher wegen der hohen Anforderungen aus hochfestem Material bestehen und zusätzlich erst gehärtet, dann abgekühlt und wieder angelassen werden. Danach mußten noch, besonders bei der Kurvenscheibe der Nockenwelle 70 das Endmaß fertiggeschliffen werden. Bei der dargestellten Ausführungsform wird jetzt ohne vorherige Härtung das Endmaß aller Teile hergestellt, danach die Teile mit einem Hartstoff gesputtert und ohne weitere Bearbeitung eingesetzt. Da bei den Teilen 70, 71 Zähigkeit des Grundmaterials Vorrang hat, kann auch der Härteverlust beim Sputtern um etwa 2 Rockwell zur Verbesserung der Zähigkeit bei einer durch die Sputterschicht größeren Härte vorteilhaft genutzt werden. Für Motoren mit kleiner Lastübertragung, z. B. Motoren für tragbare Geräte, wie Pumpen, Spritzen und Gartengeräte kann als Grundmaterial Aluminium mit einer Sputterschicht aus molekularem Kohlenstoff (iC) verwendet werden. Das Ventil 80 wird wie bisher aus Ventilstahl gefertigt. Sein einem besonderen Verschleiß unterliegender Bereich (Verschlußgefahr durch ständig gleich gerichtete Beanspruchung) mit einer Hartstoffschicht aus (TiAl)Nx gesputtert. Dadurch ist bei gleichzeitiger Reibungsverminderung eine engere Passung zur Ventilführung möglich. 70 Fig. 10 shows the camshaft of an internal combustion engine in conjunction with a drag or rocking lever 71, which in turn acts on the valve tappet 80th All three parts 70, 71, 80 are particularly subject to wear due to high pressure and abrasion in continuous operation. So far, they had to consist of high-strength material because of the high requirements and additionally had to be hardened, then cooled and then tempered again. After that, the final dimension had to be ground, especially for the cam disk of the camshaft 70 . In the embodiment shown, the final dimension of all parts is now produced without prior hardening, then the parts are sputtered with a hard material and used without further processing. Since the toughness of the base material has priority in the parts 70, 71 , the loss of hardness during sputtering by about 2 Rockwell can also be used advantageously to improve the toughness if the sputter layer increases the hardness. For motors with small load transfer, e.g. B. Motors for portable devices such as pumps, sprayers and garden tools can be used as the base material aluminum with a sputter layer made of molecular carbon (iC). The valve 80 is made of valve steel as before. Its area subject to special wear (risk of closure due to constant stress in the same direction) sputtered with a hard material layer made of (TiAl) Nx. This allows a closer fit to the valve guide while reducing friction.

Für die Ionenplattierung von elektrisch leitenden Substraten kann sowohl die Gleichstromsputterung als auch die Hochfrequenzsputterung verwendet werden. Wenn für besonders leichte Geräte sehr harte Oberflächen verlangt werden, kann mit dem Hochfrequenzsputterverfahren auch ein als Grundmaterial geeigneter Kunststoff beschichtet werden.For ion plating of electrically conductive substrates can do both direct current and high frequency sputtering be used. If for special light equipment very hard surfaces can be required with the high frequency sputtering process also as a basic material suitable plastic can be coated.

Claims

1. Device with adjacent surfaces, between which high pressures and / or high frictional loads occur, characterized in that at least one of the two adjacent surfaces ( 2, 3 ) has a hard material layer ion-plated on a substrate.

2. Device according to claim 1, characterized in that the substrate is a high-strength, tough, conductive Material, especially steel.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that on the substrate a first, to avoid a layer dimensioned for corrosion, possibly less Hardness and a second, outer hard material layer for Protect the first layer against damage by Ion plating are applied.

4. Device according to claim 3, characterized in that the first layer of chrome and the second layer consists of CrN.

5. Device according to claim 4, characterized in that the first layer has a thickness of 1-2 microns and the second layer has a thickness of 2-4 µm.

6. Device according to claim 1, characterized in that the A non-ferrous metal such as aluminum, bronze or substrate the like.

7. Device according to one of claims 1-6, characterized in that the hard material layer contains titanium.

8. Device according to claim 7, characterized in that the Hard material layer consists of TiN, TiC, TiCxNy or (TiAl) Nx.

9. Device according to claim 1, characterized in that the Hard material layer contains carbon.

10. Device according to claim 9, characterized in that the Hard material layer consists of iC or Me-C.

11. The device according to claim 1, characterized in that the Hard material layer contains tungsten.

12. The device according to claim 11, characterized in that the hard material layer consists of WN.

13. Device according to one of claims 1-12, characterized in that one surface ( 2 ) is the sealing plate and the other surface ( 3 ) of the sealing ring of a shear valve.

14. Device according to one of claims 1-12, characterized in that the surfaces ( 2, 3 ) are the flanks of a toothed drive which roll on one another.

15. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate underneath the applied layer has only low surface roughness.

16. Device according to one of claims 1-15, characterized characterized in that the substrate from a non-brittle, tough material.

17. The device according to claim 16, characterized in that the substrate consists of a hardened material and that the ion plating at a temperature of was less than 300 °.

18. Device according to one of claims 1-15, characterized characterized in that the substrate from an electrical conductive material.

19. Device according to one of claims 1-18, characterized characterized in that the substrate is made of non-magnetic Material exists.

20. Device according to one of claims 1-19, characterized characterized in that when used for a thread of A tough, high-strength metal to hold the substrate Load and with an ion-plated layer for mitigation the friction and wear is provided.

21. The device according to claim 19, characterized in that the thread with a carbonaceous material and the thread head is ion-plated with TiN.

22. Device according to claim 21, characterized in that the entire substrate is continuous with one layer is ion-plated from TiN and that in addition that Thread with a layer of carbonaceous Hard material is ion-plated.

23. Device according to one of claims 1-22, characterized characterized in that when used for a crankshaft Uniform steel or cast steel without different Treatment of predetermined areas is used the surfaces of the cone areas for low roughness are processed and that at least the pin areas are ion-plated.

24. Device according to one of claims 1-22, characterized characterized in that when used for internal combustion engines the cylinder made of tough material, preferably Gray cast iron or aluminum as a substrate and molecular Carbon (iC) as an ion-plated layer and for the piston aluminum as a substrate and molecular Carbon (iC) is used as the ion-plated layer is.

25. Device according to claim 24, characterized in that the piston pin made of steel as a substrate and in particular (TiAl) Nx as an ion-plated layer.

26. Device according to one of claims 24-25, characterized characterized in that the valve lifter is made of valve steel as a substrate and (TiAl) Nx as an ion-plated layer consists.

27. Device according to one of claims 24, 25, 26, characterized characterized in that the piston rings from a molecular carbon (iC) ion-plated substrate consist.