DE102006029415A1

DE102006029415A1 - Verschleißfeste Beschichtung sowie Herstellverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102006029415A1
Application number: DE102006029415A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Himsel (FH); Tim Matthias Dr. Ing. Hosenfeldt; Yashar Dr. Ing. Musayev; Roland Dipl.-Ing. Tap; Daniel Dipl.-Ing. Geist (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: CN101479401B; CN101479401A; JP5669390B2; WO2008000573A2; JP2009542902A; DE102006029415B4; WO2008000573A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Beschichtung für ein Maschinenteil, das reibendem Verschleiß ausgesetzt ist, mit einer Kohlenstoff basierten, Wasserstoff enthaltenden Funktionsschicht (4), die nanostrukturiert ist, beispielsweise durch unterschiedliche aufeinanderfolgende Schichten (60, 61, 62) mit Dicken im Nanometerbereich oder eingelagerte Nanopartikel (63, 64).

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Tribologie und beschäftigt sich mit der Beschichtung von Maschinenteilen zur Verringerung der Reibungsverluste und des Verschleisses. Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf viele verschiedenartige Maschinenteile anwendbar, die einem reibenden Verschleiß ausgesetzt sind. Als besonders vorteilhaftes Beispiel wird jedoch die Verwendung bei Teilen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Ventiltriebkomponenten wie beispielsweise Tassenstößeln herangezogen. Eine Anwendung bei industrieller Verwendung wie beispielsweise in Wälzlagern und Linearführungen ist jedoch ebenfalls denkbar.
Grundsätzlich werden die Anforderungen an derartige Komponenten durch Steigerung von mechanischen Belastungen, Bewegungsgeschwindigkeiten und Standzeiten immer höher. Dabei wird zunehmend geringere Wartungsintensität vorausgesetzt. Entsprechende Schmierstoffe werden wegen der steigenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit mit immer weniger Additive verwendet und der Trend geht teilweise zu niederviskosen Schmierstoffen oder sogar zum Betrieb ohne Schmierstoffe.
Die entsprechenden Anforderungen an niedrige Reibungskräfte und Adhäsion sowohl im flüssigkeitsgeschmierten, als auch im trockenen und im Übergangsbereich, an niedrige Adhäsionskräfte, hohen Verschleißwiderstand und gleichzeitig Zähigkeit gegenüber Stoßbelastungen und die Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzen werden durch konventionelle Beschichtungen nicht mehr erfüllt.
Teilweise können einzelne der Anforderungen durch in bestimmter Weise geartete Beschichtungen erfüllt werden, wie beispielsweise die Härte oder der geringe Reibwiderstand, jedoch leiden regelmäßig andere Eigenschaften des tribologischen Systems.
Besonders deutlich wird dies an dem Beispiel von Ventiltrieben bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen das Augenmerk insbesondere auf Nockenstößelvorrichtungen liegt.
Derartige Nockenstößelvorrichtungen sind beispielsweise in Kraftfahrzeugmotoren mit hin- und hergehenden Kolben eingebaut, welche Lufteinlass- und Luftauslassventile aufweisen, die sich in Phase mit der Drehung der Kurbelwelle oder synchron hierzu öffnen und schließen. Ein Ventilantriebsmechanismus wird zur Übertragung der Bewegung des an der Nockenwelle angebrachten Nockens auf die Ventile verwendet, wenn sich die Nockenwelle zusammen mit der Kurbelwelle des Motors dreht. Dabei gelangt der Nocken der Nockenwelle in Reibkontakt mit einer Lauffläche des zugeordneten Tassenstößels.
Allgemein unterliegen derartige Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise Tassen- und Pumpenstößel steigenden Anforderungen. Die Ursachen für die Notwendigkeit eines erhöhten Verschleißwiderstandes liegen in den immer höher werdenden Belastungen und Beanspruchungen des tribologischen Systems, bestehend aus Steuernocken und -stößel. Die Ursachen hierfür liegen in neuen Motorkonzepten, wie beispielsweise Benzin- und Dieseldirekteinspritzsystemen, mit stetig steigenden Einspritzdrücken, einem zunehmenden Anteil an abrasiven Partikeln im Schmierstoff, mangelnder Ölversorgung der Reibpartner, was einen erhöhten Anteil an Mischreibung zur Folge hat, und der zunehmenden Verwendung von tribologisch ungünstigen Stahlnocken zur Kosten- und Massereduzierung. Ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung ist die Reduzierung der Reibungsverluste im Ventiltrieb, mit daraus folgender Kraftstoffeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Ventiltriebes. Um die Reibungsverluste effektiv zu reduzieren, ist es not wendig, das Reibmoment über einen breiten Drehzahlbereich zu senken.
Es ist bekannt, derartige Tassenstößel für die Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors als Leichtmetallstößel auszubilden, welcher einen Stößelgrundkörper und eine an der Berührungsfläche für die Steuernocken der Ventilsteuerung eingelegte Stahlplatte mit einer gehärteten Oberfläche aufweist.
Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass derartige Tassenstößel im Betriebsfall relativ großen Temperaturschwankungen von –30°C bei Kaltstart bis zu ca. 130°C während des Betriebes einer Brennkraftmaschine ausgesetzt sind. Problematisch dabei ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verwendeten Werkstoffe. Zwar weist die als Einlage in einen Leichtmetallstößel eingelegte Stahlplatte gute Verschleißeigenschaften auf, jedoch neigt sie bei entsprechender thermischer Belastung zum Ablösen. Die thermische Belastbarkeit ist deshalb begrenzt. Ein weiterer anwendungstechnischer Nachteil besteht darin, dass der Bauraum in Form eines relativ breiten Randes als Funktionsfläche bzw. als Nockenkontaktfläche, die von dem Steuernocken einer Ventilsteuerung kontaktiert wird, verloren geht.
Gemäß dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, Laufflächen von reibendem Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die je nach Anwendungsfall bevorzugt aus galvanisch aufgetragenen Metallen oder aus in einem thermischen Spritzverfahren aufgetragenen Metallen und/oder Metalllegierungen gegebenenfalls mit Hartstoffzusätzen bestehen.
Hierbei hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass thermisch aufgespritzte Metallschichten eine relativ schwache Festigkeit besitzen, und es ist daher bekannt, zur Verbesserung der Festigkeit die Metallschichten nach dem Auftrag beispielsweise durch Plasmastrahlen, Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder durch einen Lichtbogen derart umzuschmelzen, dass sich die Spritzwerkstoffe mit dem dabei gleichzeitig im Oberflächenbereich aufgeschmolzenen Grundwerkstoff schmelzflüssig vermischen und legieren. Darüber hinaus müssen die thermisch aufgespritzten und somit rauhen Beschichtungen mechanisch nachgearbeitet werden um gute trobologische Eigenschaften aufzuweisen. Beim Umschmelzlegieren entstehen jedoch inhomogene Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung, in denen sowohl der Grundwerkstoff als auch das Schichtmaterial überwiegen kann. Bei zu hohem Grundmaterialanteil ist der Schichtverschleiß dann zu hoch, und bei geringem Grundmaterialanteil besteht bei verschiedenen Schichtkombinationen die Gefahr von Makrorissbildungen, sodass solche Schichten nicht einsetzbar sind. In einem derartigen Fall können Reibungsbelastungen einen unerwünschten Adhäsiv-Verschleiß an den Schichten verursachen.
Ferner ist es bekannt, die Lauffläche des Tassenstößels mittels eines thermochemischen Prozesses zu carbonitrieren und/oder zu nitrocarburieren. Dabei hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass kein zufriedenstellender Reibungskoeffizient erreicht wird und ein zu geringer Verschleißwiderstand entsteht.
Außerdem ist bekannt, die Lauffläche des Stößels mit einer Manganphosphatschicht oder einem Gleitlack zu beschichten. Auch hierbei werden keine zufriedenstellenden Reibungskoeffizienten und Verschleißwiderstände erreicht. Zudem wird durch derartige Materialien die Umwelt unnötig belastet. Das selbe gilt für galvanische Schichten, die ebenfalls auf den Laufflächen aufgebracht werden können.
Es sind aus dem Stand der Technik als Beschichtungsmaterialien auch Hartmetalle und Schnellarbeitstahle (ASP 23) bekannt, die jedoch neben einem nicht zufriedenstellenden Reibungskoeffizienten und einem nicht zufriedenstellenden Verschleißwiderstand zusätzlich eine nachteilig hohe Masse aufweisen.
Außerdem sind harte, mittels beispielsweise eines PVD- oder eines(PA)CVD-Verfahrens, hergestellte Schichten, wie beispielsweise TiN, CrN, (Ti, Al)N, bekannt. Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass diese Schichten einen hohen Verschleiß des Gegenkörpers zur Folge haben, falls diese Schichten nicht nachbearbeitet werden. Im Falle einer Nachbearbeitung ergeben sich undefinierte Oberflächenzustände aufgrund der reaktiven Oberflächen.
Aus dem US-Patent 5,237,967 sind kohlenstoffbasierte PVD- und (PA)CVD-Schichten mit 20 bis 60 Atom-% Wasserstoff in der Deckschicht bekannt, sogenannte metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H:Me) und amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H). Diese Schichten weisen jedoch einen relativ geringen Verschleiß- und Ermüdungswiderstand auf und sind deshalb für hoch beanspruchte Bauteile in neuen Motorengenerationen nicht geeignet und bieten eine vergleichsweise geringe Reibungsreduzierung im Betrieb.
Wie oben bereits erläutert, ist eine Reibungsreduzierung im Ventiltrieb ein notwendiger Beitrag zur Kraftstoffeinsparung und Ressourcenschonung. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem man das Gebiet der Festkörper- und Mischreibung reduziert und somit das Gebiet der Flüssigkeitsreibung mit vollständiger Materialtrennung erhöht. Dies erreicht man durch eine möglichst optimierte Gesamtrauheit des tribologischen Systems bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle.
Um die hierfür notwendige optimale Oberflächenstruktur des Tassenstößels über die gesamte Lebensdauer zu erhalten, ist es notwendig, die Oberfläche so zu gestalten, dass sie einen hohen Verschleißwiderstand, eine geringe adhäsive Neigung zum Gegenkörper und geringe Reaktivität zur Umgebung aufweist. Ferner darf die Oberfläche vorzugsweise keine abrasiven Partikel, wie Droplets, enthalten.
Die Tassenstößel aus Eisenkohlenstofflegierungen, auch im wärmebehandelten Zustand, wie carbonitriert, nitrocarburiert oder nitriert, erreichen nicht die hierfür notwendigen Verschleißwiderstände und tribologisch günstigen Oberflächenzustände. Behandelt man beispielsweise Nitridschichten, insbesondere durch (Fein)Schleifen, Läppen, Polieren, Strahlen, etc., mechanisch nach, so werden neben der Oberflächenstruktur auch die chemische Zusammensetzung und Reaktivität der Oberfläche verändert. Diese Veränderungen sind zum einen großen Streuungen unterworfen, wodurch keine gleich bleibende Qualität realisiert werden kann. Zum anderen weisen topographisch affine Oberflächen ungünstigere tribologische Eigenschaften auf und neigen zu Adhäsionen mit dem Gegenkörper. Ferner werden durch Schleif- und Polierprozesse Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Bereichen induziert, welche sich zu den bereits vorhandenen hohen Druckeigenspannungen der Hartstoffschicht addieren.
Zusätzlich führen die induzierten Versetzungen und die herausgerissenen Droplets zu Fehlstellen und Mikrorissen, sodass die lokale Dauerfestigkeit der Schicht bei Tassenstößeln reduziert und die Haftfestigkeit bis hin zum möglichen Abplatzen beim Nachbearbeiten der Schicht herabgesetzt wird.
Verzichtet man jedoch beispielsweise bei den mit einem Lichtbogenverfahren abgeschiedenen Schichten auf ein nachträgliches Polieren, führen die harten Droplets zu abrasivem Verschleiß des Gegenkörpers oder zumindest zu einem regellosen Polieren des Gegenkörpers, wodurch sich nicht abzusehende nachteilige Folgen ergeben. Darüber hinaus brechen die Droplets während des Betriebes aus der Schicht heraus, was zu einer Schichtschädigung und zu freien, abrasiv wirkenden Partikeln führt.
Es ist aus der DE 102004043550 A1 zudem eine Konstellation bekannt, bei der die verschleißfeste Beschichtung aus mindestens einer nanokristallinen Funktionsschicht aus mindestens zwei CrN Phasen für eine Reibungsreduzierung und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils besteht. Auch diese Beschichtung erfüllt jedoch nicht alle tribologischen Anforderungen hinsichtlich Reibungsreduzierung und Verschleißwiderstand vor allem im Mischreibungsgebiet in idealer Weise.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Beschichtung zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile beseitigen und insbesondere das Reibmoment im gesamten Einsatzbereich reduzieren und die Standzeit des beschichteten Maschinenteils sowie des Gegenkörpers erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine verschleißfeste Beschichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst.
Dadurch, dass die Funktionsschicht auf wasserstoffhaltigem Kohlenstoff basiert ist, und im Querschnitt Bereiche unterschiedlicher Konsistenz aufweist, deren Ausdehnung in wenigstens einer Richtung 20 nm, besser noch 10nm, unterschreitet, wird eine nanostrukturierte Schicht gebildet, in der die Bereiche unterschiedlicher Konsistenz, das heißt beispielsweise aus unterschiedlichem Material, unterschiedlicher Modifikation, mit unterschiedlichen Materialanteilen oder auch nur mit unterschiedlicher Kristallorientierung verschiedene Aufgaben erfüllen können, die durch einen einzigen Stoff homogener Beschaffenheit nur sehr schwer zu erfüllen sind. Durch die Nanostrukturierung stehen jedoch dem Reibpartner in der Funktionsschicht jeweils zur gleichen Zeit unterschiedliche Bereiche beispielsweise zur Verringerung der Gleitreibung und zur Erzeugung der notwendigen Materialhärte gegenüber.
Dies ist auch dann der Fall, wenn die Funktionsschicht wenigstens teilweise durch zur Oberfläche im wesentlichen parallele Schichten gebildet ist, die die Bereiche unterschiedlicher Konsistenz bilden. In diesem Fall ist durch die geringe Dicke der Schichten (< 20 nm oder sogar < 10nm) entweder schon von Anfang an oder nach kurzer Betriebszeit und beginnendem Abrieb eine hybride Oberfläche geschaffen, in der an unterschiedlichen Stellen verschiedene der Schichten frei liegen. Die Oberfläche der Funktionsschicht bietet somit dem Reibpartner unterschiedliche Flächenbereiche mit verschiedener Härte, unterschiedlichen Reibungseigenschaften, Adhäsionstendenz und unterschiedlicher Zähigkeit. Durch eine derartige Nanostrukturierung wird zusätzlich durch die Inhomogenitäten ein hoher Risswiderstand gegen Absplitterungen und Abblättern der Schicht gebildet. Es kann durch geeignete Gestaltung und Anordnung der Schichten auch eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit oder eine erhöhte oder verringerte Benetzbarkeit mit Schmierstoffen erreicht werden. Messungen haben ergeben, dass durch die Erfindung die Verringerung von Reibmomenten um 30 % sowie Härten zwischen 15 und 70 GP erreicht werden können.
Vorteilhaft sind bei einer derartigen Konstellation eine oder mehrere der Schichten dünner als 10 nm. Die Anzahl der Schichten ist dabei typisch größer als 2 und kann bis zu einigen 10, insbesondere über 50 oder über 100 betragen, so dass die Gesamtdicke der Schicht bis zu 10 Mikrometer betragen kann.
Benachbarte Schichten weisen dabei jeweils unterschiedliche Konsistenz auf, insofern als beispielsweise wenigstens zwei benachbarte Schichten jeweils unterschiedliche der folgenden drei Konsistenzen aufweisen: amorpher, metallfreier, Wasserstoff enthaltender Kohlenstoff, amorpher, Metall enthaltender, Wasserstoff enthaltender Kohlenstoff, amorpher, wenigstens ein Nichtmetall enthaltender, Wasserstoff enthaltender Kohlenstoff. Grundsätzlich können dabei prozessbereinigte Verunreinigungen von weniger als 1 % enthalten sein.
Zusätzlich können anders geartete Schichten vorgesehen sein. Dabei hat der Nichtmetalle enthaltende wasserstoffhaltige Kohlenstoff beispielsweise typisch die Eigenschaft, Reibungskräfte zu vermindern und, wenn beispielsweise Fluor, Silizium oder Sauerstoff eingelagert wird, auch die Eigenschaft, eine geringe Benetzbarkeit mit Schmierstoffen zu begünstigen. Dadurch wird ein dünnerer Ölfilm begünstigt, was insbesondere bei schnellen Relativbewegungen der Reibpartner, also zum Beispiel bei Ventiltrieben, Vorteile bringt.
Die metallhaltigen amorphen, wasserstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe weisen typisch eher die Eigenschaften Härte und Abreibfestigkeit auf.
Benachbarte Schichten können sich auch lediglich dadurch unterscheiden, dass sie mit unterschiedlichen Materialien dotiert sind oder dass das Ausmaß der Dotierung unterschiedlich ist.
Durch die Dotierung werden die Materialeigenschaften, insbesondere dann wenn es sich um eine kristalline Phase handelt, deutlich verändert. Somit kann die Dotierung gezielt zur Erzeugung bestimmter mechanischer Eigenschaften verwendet werden, wobei die hierdurch erzeugten Eigenschaften auch von der Art und Größe der Dotierungsatome abhängen. Zudem ist die Art der entstehenden kristallinen Struktur von der Menge der Dotierungsatome insofern abhängig, als ab einem bestimmten Dotierungsgrad kristalline Umwandlungen erfolgen beziehungsweise Mischphasen aus verschiedenen Modifikationen entstehen. Somit können auch benachbarte Schichten, die sich nur durch die Art oder das Ausmaß der Dotierung unterscheiden, völlig unterschiedliche mechanische oder tribologische Eigenschaften aufweisen.
Zudem können sich benachbarte Schichten auch durch den prozentualen Wasserstoffanteil in dem amorphen Kohlenstoff unterscheiden. Auch durch den Wasserstoffanteil im Kohlenstoff werden die grundsätzlichen tribologischen Eigenschaften stark mitbestimmt. Wasserstoffanteile unter 20 % insbesondere zwischen 5 % und 20 %, machen den wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff tendenziell härter und sind für die erfindungsgemäße Ausführung vorteilhaft.
Auch das prozentuale Verhältnis von sp³- und sp²-hybridisierten Kohlenstoff kann zwei benachbarte Schichten voreinander unterscheiden. Es betrifft dies den Kohlenstoff, der in Diamant- und Graphitmodifikation vorliegt, die bekanntermaßen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Dementsprechend haben die derart unterschiedlichen benachbarten Schichten auch verschiedene tribologische Eigenschaften. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Anteil der sp³-hybridisierten C-Atome größer als 50 % der C-Atome ist.
Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass in wenigstens einer Schicht wenigstens einer der Parameter: Wasserstoffgehalt, Anteil der sp³-hybridisierten C-Atome, Dotierung senkrecht zur Oberfläche der Beschichtung einen Gradienten aufweist.
Wichtig ist dabei vornehmlich, dass im praktischen Einsatz an der tatsächlichen Reiboberfläche verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zur Verfügung stehen.
Durch die beschriebenen Arten und Konstellationen von Schichten und durch ihre Dicke und Abfolge von der Reiboberfläche aus gesehen, können für unterschiedlichste tribologische Anforderungen die Qualitäten der Oberfläche dauerhaft eingestellt werden, indem der Anteil der jeweils an der Oberfläche freiliegenden Bereiche mit großer Härte, großer Zähigkeit oder effektiver Reibungsverminderung überwiegt oder geringer gewichtet ist. Somit ermöglicht die Erfindung durch geeignete Schichtung der Bereiche mit unterschiedlicher Konsistenz eine individuelle Einstellung auf kundenspezifische Anforderungen.
Es kann gemäß der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Bereiche wenigstens teilweise durch Nanopartikel gebildet sind. Diese können beispielsweise aus einem oder mehreren der Materialien: Nitrid, Borid, Karbid, Silizid gebildet sein. Es sind dabei beispielsweise Chromnitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Titankarbid denkbar.
Derartige Nanopartikel können beispielsweise im Rahmen eines Abscheidungsverfahrens gemeinsam mit oder vor oder nach der Abscheidung entsprechender wasserstoffhaltiger Kohlenstoffschichten mit abgeschieden werden.
Dazu werden in der Abscheidevorrichtung zeitweise die entsprechend notwendigen Stoffe mit in die Gasphase gebracht, entweder durch Sputtering oder andere bekannte Verfahren und durch die Prozessparameter wird die Auskristallisation der Partikel gefördert. Dabei entstehen nanodisperse, selbstorganisierte Bereiche, entweder von unterschiedlichen Kristalliten oder auch von Kristalliten derselben Struktur mit unterschiedlichen Orientierungen.
Beispielsweise können sogenannte Nitridbildner wie beispielsweise Chrom, Titan und andere, instabile Nitride bildende Elemente wie beispielsweise Kupfer zusammen abgeschieden werden, wobei beispielsweise bei Anwendung von Kupfer und Chromnitrid der Kupferanteil gegenüber dem Chromanteil unter 2 % liegen kann. Es bildet sich dann Chromnitrid in einer Kupfermatrix als Nanokristall. Ein ähnliches Ergebnis kann mit Titannitrid und einem sehr geringen Boranteil erreicht werden, wobei anstelle von Titannitrid auch Titankarbid verwendet werden kann und jedenfalls das entsprechende Nitrid beziehungsweise Karbid in einer quasi amorphen Bormatrix kristallisiert.
Im Ergebnis können die entsprechenden Nanopartikel entweder in eine aus wasserstoffhaltigem Kohlenstoff bestehende amorphe Schicht eingebettet sein oder zwischen den Kohlenstoffschichten eine Nanopartikel-Schicht bilden.
Wichtig ist dabei, dass die gebildete Schicht dünn ist beziehungsweise die Partikel fein verteilt sind, so dass an der Oberfläche der Funktionsschicht jeweils die freiliegenden Bereiche der Nanopartikel nur einen Teil der Oberfläche besetzen und damit andere Teile durch Bereiche anderer Konsistenz mit anderen mechanischen beziehungsweise tribologischen Eigenschaften belegt werden.
Auch durch die Einlagerung von Nanopartikeln wird außer den diesen innewohnenden mechanischen Eigenschaften auch insgesamt in der entstehenden Funktionsschicht die Rissausbreitung effektiv gehemmt. Dies ist bei einer Größe der Nanopartikel unter 20 nm besser noch unterhalb von 10 nm optimal gewährleistet.
Vorteilhaft weist die Beschichtung unterhalb der Funktionsschicht wenigstens eine Haftvermittlungsschicht auf, die aus Chrom, Wolfram oder Titan oder aus Boriden, Karbiden oder Nitriden der Übergangsmetalle besteht. Ein derartiger Haftvermittler stabilisiert den Gesamtaufbau aus dem beschichteten Maschinenteil mit der Funktionsschicht und verhindert insbesondere Ablösungen der Funktionsschicht. Als für die Maschinenteile geeignete Materialien kommen übliche leicht verarbeitbare und kostengünstige Werkstoffe (16Mn Cr5, C45, 100 Cr6, 31 Cr Mo V9, 80 Cr2 und so weiter) in Frage. Als Reibpartner sind im Sinne eines Leichtbaus zur Gewichtseinsparung auch Ei sen/Kohlenstofflegierungen denkbar.
Besonders vorteilhaft ist zusätzlich das Vorsehen einer Stützschicht unterhalb der Funktionsschicht aus einer metallhaltigen oder nichtmetallhaltigen, Wasserstoff enthaltenden Kohlenstoffschicht, die eine oder mehrere der Komponenten Wolfram, Tantal, Chrom, Vanadium, Hafnium, Titan oder Nickel einerseits oder Silizium, Sauerstoff, Fluor, Stickstoff andererseits enthält.
Eine derartige Stützschicht hat die Aufgabe, große mechanische Kraftbelastungen, die auf die Funktionsschicht wirken, abzufangen, so dass keine übermäßige Verformung der Funktionsschicht eintritt, die zur Ablösung von Untergründen oder zur Zerstörung der Funktionsschicht durch Rissbildung und Abplatzen führen könnte. Die Zwischenschicht ist extrem fest, wobei sie weder einen geringen Reibungswiderstand noch Verschleißfestigkeit aufweisen muss. Daher kann die Stützschicht gezielt so gestaltet werden, dass sie eine geringe Nachgiebigkeit aufweist beziehungsweise in der Nachgiebigkeit derart eingestellt wird, dass sie einen optimalen Übergang zwischen der Funktionsschicht und dem eigentlichen Maschinenteil schafft.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden, wobei in einem Abscheideverfahren zum Aufbringen der Bereiche auf die Oberfläche die Prozessparameter zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten derart geändert werden, dass die Größe der durch Abscheidung gebildeten Bereiche im Querschnitt der Beschichtung 20 nm unterschreitet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe der Bereiche 10 nm unterschreitet.
Hierzu kann wenigstens einer der Parameter Druck, Temperatur, Beimengung von Dotierungsstoffen, Wasserstoffgehalt, Rotationsgeschwindigkeit Kohlenstoffgehalt während der Herstellung der Funktionsschicht sprunghaft oder kontinuierlich geändert werden.
Beim Abscheidevorgang wie auch bei eventuellen anderen Schritten der Be schichtung wie zum Beispiel Ausheizen oder Plasmaätzen wird eine Verfahrenstemperatur von 250° C vorteilhaft nicht überschritten, da damit die Härtung des Grundmaterials des Maschinenteils erhalten bleibt und eine Nachbearbeitung beispielsweise durch induktives Härten nicht erfolgen muss.
Die Abscheidung erfolgt im Rahmen bekannter PVD (physical vapour diposition) und (PA)CVD (plasma assisted chemical vapour diposition)-Verfahren.
Bei einem PVD-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial, beispielsweise Graphit, derart erhitzt, dass ein Strahl hochenergetischer Kohlenstoff-Ionen aus dem Graphit imitiert und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche in einem Feld beschleunigt wird.
Bei einem (PA)CVD-Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Plasmas ein Gasgemisch in die Prozesskammer eingebracht, in welcher sich die zu beschichtenden Materialteile befinden. Das (PA) CVD-Verfahren ist eine Weiterentwicklung des CVD-Verfahrens und kombiniert die Vorteile des CVO-Verfahrens (ungerichteter Prozess) und des PVD-Verfahrens (niedrige Temperaturen). Beim PACVD-Verfahren erfolgt die Schichtabscheidung durch chemische Reaktion aus der Gasphase bei Temperaturen von weniger als 200° C mit einer gezielten Plasma-Unterstützung.
Durch die Änderung der Prozessparameter wie Druck, Temperatur und Wasserstoffgehalt sowie Dotierungsstoffe oder die Rotationsgeschwidigkeit des zu beschichtenden Gegenstandes wird die Struktur der entstehenden Beschichtung bestimmt. Dabei ergeben sich bei bestimmten Parametergrenzen auch sprunghafte Änderungen in der Konsistenz der abgeschiedenen Schicht, da bestimmte insbesondere kristalline Konfigurationen nur bis zu bestimmten Materialanteilen einzelner Stoffe gebildet werden können. Liegen diese Anteile nicht vor, so wird ein anderer Kristall oder eine andere Modifikation beziehungsweise eine Mischphase gebildet.
Somit lassen sich durch Variation der Prozessparameter in geeigneten Zeitab ständen entsprechend kleine (kleiner 10 nm) Bereiche entweder partikel- oder schichtweise abscheiden.
Die Erfindung bezieht sich letztlich auch auf Maschinenteile, die mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen sind, besonders auf einen Ventilstößel für ein durch Nocken betätigbares Ventil eines Verbrennungsmotors.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf den genannten Ventilstößel in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine Vorderansicht einer Reibpaarung, bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle für den Betrieb eines Ventils einer Brennkraftmaschine;
2 eine perspektivische Ansicht des Tassenstößels aus 1;
3 eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes, welches über eine Wälzlagerkomponente mit einem Schlepphebel in Verbindung steht;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Maschinenteils mit verschleißfester Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
5 Darstellung einer Funktionsschicht.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 illustriert eine Reibpaarung, bestehend aus einem Tassenstößel 5 mit einer Nockenkontaktfläche 50 und einem Tassenhemd 51 sowie aus einer Nocke 6. Der Tassenstößel 5 ist in 2 in einer perspektivischen Ansicht detaillierter dargestellt. Der Tassenstößel 5 ist im allgemeinen für Maschinenteile in Brennkraftmaschinen mit dem Schaft 7 eines Ventils verbunden, welches durch Verschieben der Nockenfläche gegen die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5 das Ventil öffnet oder schließt.
Im allgemeinen unterliegen moderne Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise Tassen- und Pumpenstößel, hohen Anforderungen bezüglich des Verschleißwiderstandes und der Ressourcenschonung, insbesondere an der Kontaktfläche 50.
In Verbindung mit 4, welche eine schematische Querschnittsansicht einer verschleißfesten Beschichtung für ein Maschinenteil 1, beispielsweise für einen Tassenstößel 5, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert, wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im folgenden näher erläutert.
Der Tassenstößel 5 wird für eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes im Bereich der Nockenkontaktfläche 50 oder bei Bedarf im Bereich der Nockenkontaktfläche 50 und des Tassenhemdes 51 mit einer erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung beschichtet. Im Falle hoher Verformungen des Tassenhemdes 51 des Tassenstößels 50 im Bereich der offenen Seite, kann wahlweise auch eine Teilbeschichtung des Tassenhemdes 51 erfolgen.
Die zu beschichtende Fläche 2, d.h. vorliegend die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5, wird vorzugsweise vor einem Beschichten einsatzgehärtet oder carbonitriert und angelassen.
Der Grundkörper, im vorliegenden Fall die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5, welcher vorteilhaft aus einem kostengünstigen Stahlwerkstoff, wie beispielsweise 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 oder derglei chen, besteht, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst mit einer Haftvermittlungsschicht 3 beschichtet. Die Haftvermittlungsschicht 3 kann beispielsweise jeweils aus einem metallhaltigen Kohlenstoff, beispielsweise einer Verbindung aus Wolfram und Kohlenstoff, aber auch aus metallischen Stoffen (z.B. Cr, Ti), sowie Boriden, Carbiden, Nitriden und Siliziden der Übergangsmetalle bestehen. Eine zusätzliche Stützschicht oberhalb der Haftvermittlungsschicht kann aus einem ein Metall oder Nichtmetall wie beispielsweise W, Ta, Cr, V, Hf, Ti, Ni oder Si, O, F, N sowie Wasserstoff enthaltenden amorphen Kohlenstoff bestehen. Die Haftvermittlungs- und die Stützschicht können im Zusammenhang mit einer Wärmebehandlung, beispielsweise Einsatzhärten, Carbonitrieren, Nitrocarburieren, durch ein thermochemisches Verfahren, beispielsweise Nitrieren, Borieren, durch ein galvanisches Verfahren, beispielsweise durch Aufbringen einer chromhaltigen Schicht, oder mittels eines PVD-Verfahrens, beispielsweise Aufbringen von Me-C, Carbiden und Nitriden der Übergangsmetalle, gebildet werden.
Durch die Stützschicht soll die Ermüdungsfestigkeit der Gesamtbeschichtung erhöht, d.h. plastische Verformungen, Rissbildungen, -wachstum und Brüche des Schichtsystems verhindert werden. Derartige Ermüdungsvorgänge können durch die Belastung des Nockens und der daraus induzierten Materialbeanspruchung des Tassenstößels 5 sowie durch unterschiedliche Härtegrade, Elastizitätsmodule, Verformbarkeiten der einzelnen Schichten bzw. des Grundkörpers und der verschleißfesten Beschichtung entstehen. In diesem Fall ist eine Ausbildung der Schicht 3 als Stützschicht 3 entweder alleine oder in Kombination mit einer geeigneten Haftvermittlungsschicht vorzuziehen.
Wie in 4 dargestellt, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über der Stütz- und/oder der Haftvermittlungsschicht 3 eine verschleißfeste Beschichtung 4 gebildet.
Die Funktionsschicht 4 ist dort schematisch als aus vielen einzelnen Nanoschichten aufgebaut gezeigt, wobei die Größenverhältnisse nur schematisch und nicht maßstäblich wiedergegeben sind.
In der 5 ist dagegen die Funktionsschicht maßstäblich stark vergrößert dargestellt. Dabei sind in der linken Hälfte der Figur die Varianten dargestellt, die verschiedene übereinander angeordnete weniger als 10 nm dicke Schichten aufweisen, die jeweils aus einem Wasserstoff enthaltendem amorphen Kohlenstoff mit unterschiedlicher Konsistenz bestehen, während auf der rechten Seite der Figur eine Variante mit zusätzlich nanodispersen Partikeln dargestellt ist.
Der Maßstab ist wegen der geringen Dicke der Nanoschichten in Richtung senkrecht zur Oberfläche weit auseinandergezogen. Die gewellte Linie an der Oberfläche stellt die reale Oberfläche dar, die sich durch Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung oder nach Gebrauch von selbst einstellt. Die Welligkeit ist in der Realität nicht so groß wie dargestellt sondern erscheint durch die einachsige Vergrößerung des Maßstabs senkrecht zur Reiboberfläche übertrieben. Dennoch lässt sich anhand dieser Darstellung der mit der Erfindung erzielte Effekt erklären. Die einzelnen Schichten 60, 61, 62 sind zumindest im oberen Bereich zur Oberfläche hin unterschiedlich schraffiert und dadurch unterscheidbar. Es zeigt sich, dass durch die etwas (einige nm) unregelmäßige Struktur der Oberfläche spätestens nach einer ersten Inbetriebnahme und Abnutzung an verschiedenen Stellen die unteren Schichten 61, 62 und auch noch weiter unten liegende nicht einzeln bezeichnete Schichten zu Tage treten. Diese Schichten haben jeweils unterschiedliche tribologische Eigenschaften, so dass sich dem Reibpartner die gesamte Oberfläche als Mischung von vielen verschiedenen Bereichen mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Härte, Elastizität, Verschleißfestigkeit und Reibungskoeffizient darstellt. Dieser Zustand bleibt auch erhalten, wenn die Abnutzung weiter fortschreitet, was jedoch durch die genannte Struktur und die sich einstellende Verschleißfestigkeit stark verzögert wird.
Die einzelnen Schichten unterscheiden sich wenigstens teilweise in Bezug auf die Konsistenz, das heißt den Wasserstoffanteil, die Art und Menge der zugesetzten, eindotierten Stoffe beziehungsweise Kristallmodifikationen und Orien tierungen. Es liegen gleichzeitig einige oder viele der Schichten offen an der Oberfläche.
Auf der rechten Seite der 5 zeigt sich die Variante, bei der Nanopartikel 63, 64 in die Kohlenstoffmatrix mit eingebracht sind. Die entsprechenden Nanopartikel, die zum Beispiel als Boride, Karbide oder Nitride ausgebildet sein können, bilden dort, wo sie an die Oberfläche treten, also beispielsweise im Fall der Partikel 63, 64 harte und verschleißfeste Bereiche und verhindern somit auch den Abtrag des sie umgebenden Materials der Kohlenstoffmatrix. Diese ihrerseits trägt je nach der Zusammensetzung an der Oberfläche beispielsweise etwas zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten bei.
Wird im Laufe des Materialverschleißes von der Oberfläche der Funktionsschicht etwas abgetragen, so werden neue Nanopartikel freigelegt, die dann wieder die genannte Aufgabe, die Härte und Verschleißfestigkeit sicherzustellen, wahrnehmen.
Grundsätzlich können die Nanopartikel auch in verschiedenen Schichten konzentriert sein. Dies kann sich zum Beispiel im Rahmen des Abscheidungsprozesses anbieten indem zwischen der Abscheidung der übrigen Schichten während des PVD- beziehungsweise PACVD-Verfahrens bestimmte Metallnitride, -boride oder -karbide eingebracht werden, die in Mischverhältnissen abgeschieden werden, welche automatisch zur Bildung unterschiedlicher Phasen führen. Dies führt dann zur Bildung von harten Nanopartikeln in der betreffenden Schicht.
Die beschriebene Erfindung schafft eine neuartige Beschichtung, die durch Auswahl der Partikel und der einzelnen Nanoschichten eine Anpassung an die vorliegenden tribologischen Anforderungen in sehr genauer Weise erlaubt, wobei durch die Mischung von Bereichen mit unterschiedlichen Konsistenzen an der Oberfläche Parameter im Makrobereich eingestellt werden können, die mit keinem bekannten homogenen Material erreicht werden können. Die Erfindung stellt außerdem ein einfaches Herstellungsverfahren für eine derartige Funktionsschicht bereit, das gegenüber den bisher verwendeten Produktionsmitteln beim PVD- und (PA)CVD-Beschichten keine konstruktiven Veränderungen erfordert.
Die maximale Beschichtungstemperatur beträgt vorzugsweise 250°C, sodass bei einem Beschichtungsvorgang das Grundmaterial nicht angelassen wird.
Die Beschichtung wird vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,5 μμm bis etwa 10,0 μm, vorzugsweise 2,0 μm, ausgebildet. Dadurch ändern sich die Abmessungen und Oberflächenrauheiten des Grundkörpers in einem derart geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist.
Im Folgenden wird eine weitere vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung näher erläutert. 3 illustriert eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes 8, welches einen Kolben 9 und ein Gehäuse 10 aufweist. Das hydraulische Abstützelement 8 ist mit einem Schlepphebel 11 gekoppelt, wobei der Schlepphebel 11 über ein Wälzlager 12 schwenkbar gelagert ist. Wie in 3 ferner ersichtlich ist, weist der Kolben 9 einen Kontaktbereich 90 zwischen dem Kolben 9 und dem Schlepphebel 11 auf. Ferner weist der Kolben 9 einen Kontaktbereich 91 zwischen dem Kolben 9 und dem Gehäuse 10 auf. Für eine Reduzierung des Verschleißes im Kontaktbereich 90 zwischen dem Kolben 9 und dem Schlepphebel 11 wird der Kontaktbereich 90 ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen nanostrukturierten Funktionsschicht 4 versehen.
Ferner kann ebenfalls der Kontaktbereich 91 zwischen dem Kolben 9 und dem Gehäuse 10 mit einer derartigen Beschichtung 3, 4 je nach Anwendung und Fertigungsgstechnologie beschichtet werden. Dadurch wird die Gesamtlebensdauer des dargestellten tribologischen Systems erhöht, wodurch ein Ausfall der einzelnen Maschinenteile während eines Betriebes reduziert und somit insgesamt Kosten eingespart werden können.
Außerdem können Komponenten des Wälzlagers 12, beispielsweise der Wälzkörper, die Innen- und Außenringe des Wälzlagers 12, die Wälzlagerkäfige, die Axialscheiben oder dergleichen ebenfalls zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes und zur Reibungsreduzierung mit der erfindungsgemäßen Funktionsschicht 4 unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Stütz- und/oder Haftvermittlungsschicht 3 beschichtet werden.
Das oben beschriebene Schichtsystem ist selbstverständlich auch für andere Bau- und Funktionseinheiten, wie beispielsweise Ventilschäfte bzw. Ventilschaftauflagen, Abstütz- und Einsteckelemente, Wälzlagerkomponenten, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Steuerkolben für beispielsweise Einspritzdüsen im Motorenbereich, Linearführungen und andere mechanisch und tribologisch hoch beanspruchte Teile geeignet.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Funktionsschicht 4 auch direkt auf dem Grundkörper des zu beschichtenden Maschinenteils abgeschieden werden kann, ohne dass eine Stützschicht 3 bzw. Haftvermittlungsschicht 3 dazwischen aufgebracht ist.
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: Stützschicht/Haftvermittlungsschicht
4: nanokristalline Funktionsschicht
5: Tassenstößel
6: Nocke
7: Ventilschaft
8: hydraulisches Abstützelement
9: Kolben
10: Gehäuse
11: Schlepphebel
12: Wälzlager
50: Nockenkontaktfläche
51: Tassenhemd
60,61,62: Schichten
63,64: Nanopartikel
90: Kontaktbereich zwischen Kolben und Schlepphebel
91: Kontaktbereich zwischen Kolben und Gehäuse

Claims

Verschleißfeste Beschichtung für ein Maschinenteil, das reibendem Verschleiß ausgesetzt ist, mit einer auf amorphem Kohlenstoff und Wasserstoff basierenden Funktionsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht im Querschnitt Bereiche (60, 61, 62, 63, 64) unterschiedlicher Konsistenz aufweist, deren Ausdehnung in wenigstens einer Richtung weniger als 20 nm beträgt.
Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (60, 61, 62, 63, 64) wenigstens teilweise durch zur Oberfläche im Wesentlichen parallele Schichten gebildet sind.
Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens wenigstens eine der Schichten (60, 61, 62) dünner als 10 nm ist.
Beschichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten (60, 61, 62) jeweils unterschiedliche Konsistenzen aufweisen.
Beschichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei benachbarte Schichten (60, 61, 62) je unterschiedliche der folgenden drei Konsistenzen aufweisen: amorpher metallfreier Kohlenstoff mit Wasserstoff, amorpher metallhaltiger Kohlenstoff mit Wasserstoff, amorpher, ein Nichtmetall enthaltender Kohlenstoff mit Wasser stoff.
Beschichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten (60, 61, 62) sich durch die Art und/oder das Ausmaß der Dotierung unterscheiden.
Beschichtung nach Anspruch 4, 5, oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Schichten (60, 61, 62) durch den prozentualen Wasserstoffanteil unterscheiden.
Beschichtung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten sich durch das Mengenverhältnis von sp³- und sp²-hybridisiertem Kohlenstoff unterscheiden.
Beschichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Schicht (60, 61, 62) wenigstens einer der Parameter: Wasserstoffgehalt, Anteil der sp³-hybridisierten C-Atome, Dotierung, senkrecht zur Oberfläche der Beschichtung einen Gradienten aufweist.
Beschichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine oberste Schicht aus einer wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschicht eine Dotierung mit Fluor, Sauerstoff und/oder Silizium aufweist.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (63, 64) wenigstens teilweise durch Nanopartikel gebildet sind.
Beschichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (63, 64) aus einem oder mehreren der Materialien: Nitrid, Borid, Karbid, Silizid gebildet sind.
Beschichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel (63, 64) gleicher Zusammensetzung bei unterschiedlicher Kristallorientierung vorgesehen sind.
Beschichtung nach Anspruch 11, 12, oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (63, 64) in eine wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht eingebettet sind.
Beschichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus nanokristallinem Material gebildet ist.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Funktionsschicht (4) wenigstens eine Haftvermittlungsschicht (3), die im wesentlichen aus Chrom, Wolfram oder Titan oder aus Boriden, Carbiden Nitriden oder Siliziden der Übergangsmetalle besteht, vorgesehen ist.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Funktionsschicht (4) eine Stützschicht (3) aus einer Wasserstoff enthaltenden, metallhaltigen oder nichtmetallhaltigen Kohlenstoffschicht vorgesehen ist, die eine oder mehrere der Komponenten Wolfram, Tantal, Chrom, Vanadium, Haffnium, Titan, Nickel einerseits oder Silizium, Sauerstoff, Fluor, Stickstoff andererseits enthält.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Funktionsschicht zwischen 0,5 und 10 Mikrometern beträgt.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht weniger als 20 Atomprozent Wasserstoff enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abscheideverfahren zum Aufbringen der Funktionsschicht auf die Oberfläche in bestimmten zeitlichen Abständen jeweils wenigstens ein Prozessparameter derart geändert wird, dass die Größe der durch Abscheidung gebildeten unterschiedlichen Bereiche im Querschnitt der Beschichtung 20 nm unterschreitet.
Verfahren gemäß Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter derart gesteuert werden, dass die Größe der unterschiedlichen Bereiche 10 nm im Querschnitt der Beschichtung unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Parameter Druck, Temperatur, Beimengung von Dotierungsstoffen, Wasserstoffgehalt Rotationsgeschwindigkeit während der Herstellung der Funktionsschicht mehrfach sprunghaft geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Beschichtung bei Temperaturen unterhalb von 250° C durchgeführt wird.
Ventilstößel für ein durch einen Nocken betätigbares Ventil eines Verbrennungsmotors mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19.