AT503288A4

AT503288A4 - Verfahren zum aufbringen eines beschichtungsmaterials sowie beschichtung für eine metallische oberfläche

Info

Publication number: AT503288A4
Application number: AT0127306A
Authority: AT
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2007-09-15
Also published as: EP2044240B1; JP2009544844A; US8178213B2; WO2008011642A2; US20090252968A1; AT503288B1; EP2044240A2; WO2008011642A3; JP5508006B2

Description


  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer mehrlagigen verschleissfesten Beschichtung auf metallische, ggf. bereits beschichtete Oberflächen, wobei die Beschichtung aus wenigstens zwei Verschleissschutzschichten und einer jeweils zwischen zwei Verschleissschutzschichten angeordneten Zwischenschicht besteht, sowie auf eine Beschichtung für eine metallische Oberfläche.
Bei hoch belasteten Bauteilen, wie sie beispielsweise im Servoventil oder der Düse eines Einspritzinjektors in einem Common-Rail-Einspritzsystem zu finden sind, ist es Stand der Technik, zur Erhöhung von Härte bzw. Verschleissfestigkeit eine Beschichtung mit besonders harten Materialien durchzuführen.

   Auch eine Beschichtung mit mehreren Lagen ist dabei Stand der Technik.
Dabei ist es zur Erzielung der erforderlichen Verschleisswerte wünschenswert möglichst grosse Schichtdicken aufbringen zu können, wobei jedoch beim Einsatz von besonders harten Materialien als Beschichtungsmaterial die Schichtdicke durch die mit der Schichtdicke ansteigenden Eigenspannungen in der Schicht begrenzt ist. In der Regel führen Eigenspannungen in der Schicht zur Rissbildung in der Beschichtung und/oder zu einem Abplatzen.

   Aus der WO 2006/005288 AI ist in diesem Zusammenhang eine Schichtenfolge vorgeschlagen worden, bei welcher auf eine metallische Oberfläche zunächst eine Haftschicht auf Basis von Cr, auf der Haftschicht eine CrN Gradientenschicht und auf der CrN-Gradientenschicht zumindest eine Deckschicht konstanter Zusammensetzung auf Basis von CrN, Cr2N oder einem Gemisch aus beiden Phasen aufgebracht ist.

   Die CrNSchicht zeichnet sich hierbei durch relativ geringe Eigenspannungen aus, sodass sich CrN-Schichten in deutlich grösseren Schichtdicken auftragen lassen.
Der DE 102004002678 B4 ist eine mehrlagige Beschichtung für eine Ventilnadel eines Ventils zu entnehmen, wobei die Schichtenfolge aus mindestens einer ersten Haftschicht, einer ersten Verschleissschutzschicht, einer zweiten Haftschicht und einer zweiten Verschleissschutzschicht besteht, wobei diese Schichtenabfolge gegebenenfalls mehrmals wiederholt aufge bracht werden kann. Bei einer derartigen Ausbildung kann eine Vielzahl von Verschleissschutzschichten geringer Schichtdicke zu einer insgesamt ausreichend dicken Beschichtung zusammengesetzt werden.

   Die einzelnen Verschleissschutzschichten können hierbei in einer Dicke aufgebracht werden, durch die sichergestellt ist, dass keine zu hohen Eigenspannungen auftreten, die zu einem Abplatzen der Verschleissschutzschichten führen könnten. Die zwischen den einzelnen Verschleissschutzschichten angebrachten Haftschichten bestehen hierbei aus einem Material, das gegenüber dem Material der Verschleissschutzschicht deutlich weicher ist.
Gemäss dem Stand der Technik ist somit vorgesehen, dass zur Erhöhung der Gesamtbeschichtungsdicke einzelne Verschleissschutzschichten aus sehr verschleissfestem harten Material mit daran anschliessenden bzw.

   dazwischen liegenden Zwischen-, Übergangs- oder Haftschutzschichten aus einem gegenüber dem Material der Verschleissschutzschicht weicheren Material kombiniert werden, wobei durch die Zwischenschaltung des weicheren Materials die notwendige Elastizität hergestellt wird, welche ein Abplatzen des härteren Materials verhindert. Der Erhöhung der Gesamtbeschichtungsdicke steht jedoch die durch das weichere Material der Zwischenschichten bedingte bereichsweise Herabsetzung der Verschleissfestigkeit gegenüber.

   Bei extremen Belastungen ergibt sich nämlich notwendiger Weise ein Abtrag der zu oberst aufgebrachten Verschleissschutzschicht, wonach die darunter liegende Zwischenschicht aus weniger verschleissfestem Material frei gelegt wird, welche in der Folge relativ schnell abgenützt wird, sodass insgesamt ein derartiger Schichtenaufbau einem relativ schnellen Verschleiss unterliegt.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, die Verschleissfestigkeit einer mehrlagigen Beschichtung, bei welcher zwischen einzelnen Verschleissschutzschichten jeweils eine Zwischenschicht angeordnet ist, zu erhöhen, sowie ein Verfahren anzugeben, mit welchem eine derartige mehrlagige Beschichtung hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet,

   dass die Zwischenschicht aus einer Materialzusammensetzung enthaltend das Material der Verschleissschutzschicht und ein weiteres Material besteht, wobei die Aufbringung der Zwischenschicht mit über einen ersten Übergangsbereich abnehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht und über einen zweiten Übergangsbereich zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht erfolgt, wobei der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht an jeder Stelle mit mindestens 5 Gew.-% gewählt wird. Bei einem derartigen Schichtaufbau werden in der jeweiligen Zwischenschicht Übergangsbereiche ausgebildet, in welchen der Gehalt des Materials der angrenzenden Verschleissschutzschichten zu- bzw. abnimmt, wobei ein vom Material der Verschleissschutzschicht verschiedenes Material mit entsprechend steigendem bzw. sinkendem Gehalt zugemischt wird.

   Dabei ist der Gehalt des weiteren Materials in der Zwischenschicht insgesamt jedoch beschränkt, sodass erfindungsgemäss an jeder Stelle in der Zwischenschicht ein Mindestgehalt von 5 Gew.-% des Materials der Verschleissschutzschicht enthalten ist. Dabei wird sichergestellt, dass die Verschleisseigenschaften in der Zwischenschicht erhalten bleiben und gleichzeitig dennoch eine Art Entspannungszone zwischen zwei Verschleissschutzschichten hergestellt wird, der ein Abplatzen oder eine Rissbildung aufgrund der Eigenspannungen im Material dieser Schichten verhindert.
Um hierbei einen möglichst kontinuierlichen Übergang zwischen den einzelnen Schichten zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht gemäss einer Rampenfunktion verringert bzw. erhöht wird.

   Um weiters sicherzustellen, dass die Zwischenschicht auch bei hohen Belastungen eine ausreichende Verschleissfestigkeit aufweist, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht bis auf wenigstens 30 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 50 Gew.-%, verringert wird. Es ergibt sich hierbei bevorzugt ein Schichtaufbau, bei welchem an eine Verschleissschutzschicht, d.h. ein Schicht mit einem Gehalt von 100 Gew.-% an Beschichtungsmaterial, ein erster Übergangsbe reich der Zwischenschicht anschliesst, in welchem sich der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht von 100 Gew.% auf beispielsweise 50 Gew.-% verringert und sich der Gehalt des weiteren Materials entsprechend erhöht.

   Zum Übergang an die nächste darüber liegende Verschleissschutzschicht aus reinem Material ist anschliessend ein weiterer Übergangsbereich der Zwischenschicht vorgesehen, in welchem der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht wiederum auf 100 Gew.-% erhöht und der Gehalt des weiteren Materials entsprechend verringert wird. Dabei schliesst der erste Übergangsbereich bevorzugt unmittelbar an die darunter liegende Verschleissschutzschicht an und der zweite Übergangsbereich geht unmittelbar in die darüber liegende Verschleissschutzschicht über.

   Wenn gewünscht, kann zwischen dem ersten Übergangsbereich, in welchem der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht abgesenkt wird, und dem zweiten Übergangsbereich, in welchem der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht wieder erhöht wird, ein weiterer Bereich angeordnet sein, in welchem der Gehalt der Materialien gleich bleibend gewählt ist.

   Bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung, bei welcher der zweite Übergangsbereich unmittelbar an den ersten Übergangsbereich anschliesst, da die Zwischenschicht möglichst dünn ausgebildet werden soll und neben den beiden dem Materialübergang dienenden Übergangsbereichen keine weiteren funktioneilen Teilbereiche notwendig erscheinen.
Bevorzugt werden die Schichten mit einem CVD-Verfahren aufgebracht, wobei aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt sind, mit welchen die Mengenverhältnisse der einzelner Materialien beim Aufbringen der Schichten kontinuierlich verändert werden können.
Um eine möglichst verschleissfeste Ausbildung zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verschleissschutzschicht aus einem diamantartigen Kohlenstoffmaterial (DLC) besteht.

   Die Zwischenschicht enthält bevorzugt neben dem Material der Verschleissschutzschicht ein weiteres verschleissfestes Material, wie z.B. CrN. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig.l eine Mehrfachbeschichtung nach dem Stand der Technik und Fig.2 eine Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Schichtenfolge gemäss Fig.l wird auf das zu beschichtende Material 1 zuerst eine Haftschicht 2 aus einem weichen Material, beispielsweise Cr, aufgebracht. Danach erfolgt der Auftrag einer ersten Verschleissschutzschicht 3, die beispielsweise aus CrN bestehen kann.

   In einem Ubergangsbereich 4 wird die Konzentration des Materials der ersten Verschleissschutzschicht auf Null verringert und gleichzeitig die Konzentration des Materials einer zweiten Verschleissschutzschicht 5, beispielsweise DLC (diamond like carbon) erhöht. Anschliessend wird eine zweite Verschleissschutzschicht 5 aufgebracht. Im Diagramm ist die Konzentration 6 als Funktion des Abstands 7 von der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils 1 dargestellt, wobei die durchgezogene Linie 8 die Konzentration des Materials der ersten Verschleissschutzschicht und die strichpunktierte Linie 9 die Konzentration des Materials der zweiten Verschleissschutzschicht darstellt.
Fig. 2 zeigt eine Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung.

   Nach der bereits bekannten Schichtabfolge aus zu beschichtendem Material 1, Haftschicht 2, erster Verschleissschutzschicht 3, Übergangschutzschicht 4 und zweiter Verschleissschutzschicht 5 schliesst eine Zwischenschicht 10 an, in der die Konzentration des Materials der angrenzenden Verschleissschutzschichten in einem ersten Übergangsbereich a von 100% auf 50% abgesenkt und in einem zweiten Übergangsbereich b wiederum auf 100% erhöht wird, wobei ein weiteres Material, im vorliegenden Fall das Material der Schicht 3, entsprechend zugemischt wird, wobei der Gehalt des weiteren Materials im Übergangsbereich a auf bis zu 50% erhöht und im anschliessenden zweiten Übergangsbereich b wieder auf Null abgesenkt wird. An diese Zwischenschicht 10 schliesst eine weitere Lage der zweiten Verschleissschutzsicht 5 an.

   Zwischenschicht 10 und zweite Verschleissschutzschicht 5 können in weiterer Folge mehrfach wiederholt werden.
Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass die in den Verschleissschutzschichten 3 und 5 auftretenden Spannungen auf Grund der Beschichtung normaler Weise ab einer bestimmten Schichtdicke so gross werden, dass die Beschichtung nicht mehr sicher haftet. Dadurch ist die Dicke einer Beschichtung nach oben begrenzt. Durch Einführung der speziellen Zwischenschicht 10 werden die Spannungen verringert und es kann eine weitere Lage derselben Schutzschicht aufgebracht werden, sodass in der Praxis nahezu beliebig dicke Beschichtungen realisierbar sind.
Als Material der Verschleissschutzschicht 5 kann hierbei DLC (diamond like carbon) gewählt sein. Als Material der Verschleissschutzschicht 3, das auch der Zwischenschicht 10 zugemischt wird, kann beispielsweise CrN gewählt sein.

   Das der Zwischenschicht 10 zugemischt Material muss aber nicht notwendigerweise dem Material der Verschleissschutzschicht 3 entsprechen.
Weiters ist anzumerken, dass der aus der mehrfachen Aufbringung der Schichten 5 und 10 entstehende Schichtenaufbau nicht notwendiger Weise unter Zwischenschaltung der Schichten 3, 4 und ggf. 2 auf dem Bauteil 1 aufgebracht sein muss. Vielmehr ist auch eine unmittelbare Aufbringung, mit oder ohne Zwischenschaltung einer Haftschicht, denkbar. Die Anordnung der aus gegenüber dem Material der Verschleissschutzschicht 5 weicherem Material bestehenden Schicht 3 erfolgt lediglich zur Herstellung eines kontinuierlichen Übergangs vom weichen Material des Bauteils 1 zum sehr harten Material der Verschleissschutzschichten 5.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e:

1. Verfahren zum Aufbringen einer mehrlagigen verschleissfesten Beschichtung auf metallische, ggf. bereits beschichtete Oberflächen, wobei die Beschichtung aus wenigstens zwei Verschleissschutzschichten und einer jeweils zwischen zwei Verschleissschutzschichten angeordneten Zwischenschicht besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einer Materialzusammensetzung enthaltend das Material der Verschleissschutzschicht und ein weiteres Material besteht, wobei die Aufbringung der Zwischenschicht mit über einen ersten Übergangsbereich abnehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht und über einen zweiten Übergangsbereich zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht erfolgt, wobei der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht an jeder Stelle mit mindestens 5 Gew.-% gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht gemäss einer Rampenfunktion verringert bzw. erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht in der Zwischenschicht bis auf wenigstens 30 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 50 Gew.-%, verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des ersten Übergangsbereichs der Zwischenschicht mit einem sich von 100 Gew.-% ausgehend verringernden Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht und das Aufbringen des zweiten Übergangsbereichs mit einem bis zu einem Gehalt von 100 Gew.-% zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich unmittelbar an die darunter liegende Verschleissschutzschicht anschliesst der zweite Übergangsbereich unmittelbar in die darüber liegende Verschleissschutzschicht übergeht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich unmittelbar an den zweiten Übergangsbereich anschliesst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mit einem CVD Verfahren aufgebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Verschleissschutzschichten ein diamantartiges Kohlenstoffmaterial (DLC) gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als das in der Zwischenschicht enthaltene weitere Material ein verschleissfestes Material wie zB CrN gewählt wird.

10. Mehrlagige Beschichtung für eine metallische Oberfläche bestehend aus wenigstens zwei Verschleissschutzschichten und jeweils einer zwischen zwei Verschleissschutzschichten angeordneten Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (10) aus einer Materialzusammensetzung enthaltend das Material der Verschleissschutzschicht (5) und ein weiteres Material mit über einen ersten Übergangsbereich (a) abnehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) und über einen zweiten Übergangsbereich (b) zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) besteht, wobei der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) in der Zwischenschicht (10) an jeder Stelle mindestens 5 Gew.% beträgt

11. Beschichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) in der Zwischenschicht (10) gemäss einer Rampenfunktion (9) verringert bzw. erhöht.

12. Beschichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) in der Zwischenschicht (10) bis auf höchstens 30 Gew.-%, bevorzugt höchstens 50 Gew.-%, verringert.

13. Beschichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich (a) der Zwischenschicht (10) mit einem sich von 100 Gew.-% ausgehend verringernden Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) und der zweite Übergangsbereich (b) mit einem bis zu einem Gehalt von 100 Gew.-% zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) aufgebracht ist.

14. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich (a) unmittelbar an die darunter liegende Verschleissschutzschicht (5) anschliesst und der zweite Übergangsbereich (b) unmittelbar in die darüber liegende Verschleissschutzschicht übergeht.

15. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übergangsbereich (a) unmittelbar an den ersten Übergangsbereich (a) anschliesst.

16. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Verschleissschutzschicht (5) ein diamantartiges Kohlenstoffmaterial (DLC) gewählt ist.

17. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als das in der Zwischenschicht (10) enthaltene weitere Material ein verschleissfestes Material wie zB CrN gewählt ist.

18. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der mehreren Verschleissschutzschichten (5) eine Schicht (3) eines weiteren Materials angeordnet ist.

19. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schicht (3) des weiteren Materials und den mehreren Verschleissschutzschichten (5) eine Ubergangsschicht (4) mit zunehmendem Gehalt des Materials der Verschleissschutzschicht (5) und entsprechend abnehmendem Gehalt des weiteren Materials angeordnet ist.

20. Beschichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) des weiteren Mate rials unter Zwischenschaltung einer Haftschicht (2), zB aus Cr, auf der zu beschichtenden Oberfläche (1) aufgebracht ist.

Wien, am 26.Juli 2006

Robert Bosch durch: <EMI ID=10.1>

Patentanwalt Dipl. Ing. Marc Keschmann für Dr. Thomas M. Haffner (Unter Berufung auf die ihm erteilte Subvollmacht) <EMI ID=10.1>