DE102008040768A1

DE102008040768A1 - Verschleißschutzschichtanordnung sowie Bauelement mit einer Verschleißschutzschichtanordnung

Info

Publication number: DE102008040768A1
Application number: DE200810040768
Authority: DE
Inventors: Kurt Burger; Ronald Neidhardt; Klaus Burghoff; Rainer Feuerfeil; Guenter Schneider; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2010012704A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzten Bauelemente (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einer aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildeten oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisenden Schutzschicht, und mit mindestens einer aus Chrom gebildeten oder einen Chromanteil aufweisenden ersten Haftvermittlerschicht (2). Erfindungsgemäß ist mindestens eine einen Wolframkarbidanteil aufweisende und/oder aus Wolframkarbidschicht bestehende, vorzugsweise an die erste Haftvermittlerschicht (2) angrenzende, zweite Haftvermittlerschicht (3) vorgesehen. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauelement (B).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücke und Temperaturen ausgesetzte Bauelemente eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Bauelement gemäß Anspruch 9.
Bei Bauelementen in der Dieseleinspritztechnik wird serienmäßig von der Anmelderin seit etwa 1997 eine metallfreie, amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht (a-C:H-Schicht) als Verschleißschutzschicht zur Minderung von Reibung und Verschleiß eingesetzt. Die Dicke der durch plasmatechnische Verfahren auf der Bauelementoberfläche aufgetragenen Kohlenstoffschicht beträgt zwischen l μm und 3 μm.
Seit September 2006 werden auf Bauelementen von Dieseleinspritzsystemen tetragonal amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschichten (ta-C-Schicht) eingesetzt, die sich gegenüber den a-C:H-Schichten durch verbesserte Eigenschaften auszeichnen. Um die ta-C-Schicht haftfest auf das Bauelement aufbringen zu können, wird die ta-C-Schicht als Bestandteil einer Verschleißschutzschichtanordnung vorgesehen, die zusätzlich zu der ta-C-Schicht eine Haftvermittlerschicht aus Plasma unterstützt abgeschiedenem Titan aufweist. Die bekannte Verschleißschutzschichtanordnung hat sich bewährt. Es bestehen jedoch, insbesondere im Hinblick auf die in der Einspritztechnologie immer weiter steigenden Drücke Bestrebungen die Haftfestigkeit von ta-C-Schichten auf Bauelementoberflächen zu verbessern.
Aus der DE 10 2005 062 204 A1 ist eine Verschleißschutzbeschichtung für im Vergleich zu Einspritzsystembauelementen geringeren Drücken ausgesetzten Druckmaschinenelemente bekannt. Diese umfasst eine Schutzschicht aus tetragonal gebundenem amorphem Kohlenstoff, wobei zwischen der Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates und der Kohlenstoff-Schutzschicht eine Chromschicht als Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Die bekannte Schutzschichtanordnung ist nicht für die rauen, in Kraftstoffeinspritzsystemen auftretenden Umgebungsparametern von Drücken über 2000 bar und Temperaturen um 400°C geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine haftfestigkeitsoptimierte Verschleißschutzschichtanordnung vorzuschlagen. Bevorzugt sollte die Verschleißschutzschichtanordnung temperaturfest sein, insbesondere bei Temperaturen um 400°C. Weiter bevorzugt sollte die Verschleißschutzschichtanordnung zusätzlich oder alternativ unempfindlich sein gegenüber einer oxidierenden Gasatmosphäre. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein mit einer derartigen Verschleißschutzschichtanordnung beschichtetes Bauelement, vorzugsweise eines Kraftstoffeinspitzsystems, vorzuschlagen.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verschleißschutzschichtanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Bauelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zusätzlich zu einer chromhaltigen oder aus Chrom bestehenden ersten Haftvermittlerschicht eine, vorzugsweise unmittelbar auf die erste Haftvermittlerschicht aufgebrachte zweite Haftvermittlerschicht vorzusehen, die einen Wolframkarbidanteil aufweist oder die aus Wolframkarbid besteht. Durch den Einsatz der zusätzlichen zweiten Haftvermittlerschicht konnte eine gute Haftung bei Temperaturen um 400°C auch unter einer oxidierenden Gasatmosphäre nachgewiesen werden. Bevorzugt werden/wird die erste und/oder die zweite Haftvermittlerschicht mittels PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) im Vakuum abgeschieden. Ganz besonders bevorzugt erfolgt das Abscheiden durch Sputtern, wobei ein Chromtargetmaterial durch Ionenbeschuss, insbesondere Argonionenbeschuss zerstäubt und in die Gasphase überführt wird. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei der Schutzschicht um eine wasserstofffreie tetragonal gebundene, amorphe Kohlenstoffschicht handelt. Diese wird bevorzugt mittels PVD, ganz besonders mittels Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) aufgebracht.
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Haftvermittlerschicht um eine Mischschicht aus Chrom und Wolframkarbid. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Mischschicht als sogenannte Gradientenschicht mit sich, vorzugsweise mit zunehmender Schichtdicke, änderndem Chrom/Wolframkarbid-Verhältnis ausgebildet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Wolframkarbidanteil in Richtung der, vorzugsweise als Deckschicht ausgebildeten, Schutzschicht, aus tetragonal gebundenem amorphem, vorzugsweise wasserstofffreiem, Kohlenstoff zunimmt. Weiter bevorzugt ist es, wenn die erste Haftvermittlerschicht durch eine geeignete Prozessführung graduell in die Chrom-Wolframkarbidmischschicht überführt wird. Bevorzugt erfolgt das Abscheiden des Wolframkarbids bzw. die Beimischung zum Chrom durch ein PVD-Verfahren, vorzugsweise durch Sputtern eines Wolframkarbidtargets.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass, vorzugsweise unmittelbar auf der zweiten Haftvermittlerschicht, eine dritte Haftvermittlerschicht aus Wolframkarbid, also eine reine Wolframkarbidschicht angeordnet ist, die vorzugsweise durch eine Mischungsverhältnisänderung aus der Chrom/Wolframkarbid-Schicht (zweite Haftvermittlerschicht) übergeht.
Besonders bevorzugt ist es, wenn, vorzugsweise auf der dritten Haftschicht, eine vierte Haftvermittlerschicht vorgesehen ist, wobei die vierte Haftvermittlerschicht bevorzugt als wolframkarbidhaltige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist. Die wolframkarbidhaltige Kohlenstoffschicht wird vorzugsweise durch ein PVD/CVD-Mischverfahren aufgebracht (CVD = chemische Gasphasenabscheidung). Hierzu wird vorzugsweise zusätzlich zu den Argonionen zum Sputtern des Wolframkarbidtargets Acetylengas (Ethin) zugeführt, um in der Folge eine Wolframkarbid/Kohlenstoff-Mischschicht als vierte Haftvermittlerschicht zu erzeugen.
Die zuvor erwähnten Haftvermittlerschichten (erste bis vierte Haftvermittlerschicht) können in beliebiger Reihenfolge eingesetzt werden. Es ist auch denkbar einzelne Haftvermittlerschichten (bis auf die erste und die zweite Haftvermittlerschicht) wegzulassen, also beispielsweise die vierte Haftvermittlerschicht unmittelbar auf der ersten oder zweiten Haftvermittlerschicht anzuordnen.
Ganz besonders bevorzugt ist jedoch eine Verschleißschutzschichtanordnung mit folgender Schichtreihenfolge ausgehend von einer Bauelementoberfläche: erste Haftvermittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, Schutzschicht. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Dicke der Summe aus erster und zweiter Haftvermittlerschicht vorzugsweise etwa 200 nm bis etwa 700 nm.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Schichtreihenfolge vorzugsweise wie folgt: erste Haftvermittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, dritte Haftvermittlerschicht, Schutzschicht, wobei in diesem Fall bevorzugt typische Schichtdicken jeweils zwischen 100 nm und 350 nm betragen.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schichtreihenfolge wie folgt ist: erste Haftvermittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, dritte Haftvermittlerschicht, vierte Haftvermittlerschicht, Schutzschicht, wobei in diesem Fall die Schichtdicken vorzugswei se aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und 300 nm gewählt sind.
Die Erfindung führt auch auf ein Bauelement, insbesondere ein Bauelement eines Kraftstoffeinspritzsystems, wie beispielsweise eine Düsennadel oder ein Ventilsitz eines Kraftstoff-Injektors oder ein Pumpenflügel oder ein Ventilsitz einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe zum Versorgen eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Das Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass dieses auf einer Bauelementoberfläche mit einer zuvor beschriebenen Verschleißschutzschichtanordnung ausgestattet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die die Verschleißschutzschichtanordnung tragende Bauelementoberfläche, zumindest im Beschichtungsbereich, aus Stahl ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauelementes mit einer dreischichtigen Verschleißschutzschichtanordnung,
2: ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Bauelementes mit einer vierschichtigen Verschleißschutzschichtanordnung und
3: ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Bauelementes mit einer fünfschichtigen Verschleißschutzschichtanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein Bauelement B eines Kraftstoff-Einspritzsystems gezeigt. Bei dem Bauelement B handelt es sich beispielsweise um eine Düsennadel oder einen Ventilsitz eines Kraftstoff-Injektors.
Das aus Stahl ausgebildete Bauelement B weist eine Oberfläche O auf, auf der eine Verschleißschutzschichtanordnung 1 angeordnet ist. Unmittelbaren Kontakt zur Oberfläche O des Bauelementes B hat eine erste Haftvermittlerschicht 2 aus reinem Chrom. Die erste Haftvermittlerschicht wurde mittels eines PVD-Verfahrens (Sputtern) aufgebracht. Unmittelbar auf der ersten Haftvermittlerschicht 2 befindet sich eine zweite Haftvermittlerschicht 3, die als Chrom/Wolframkarbidmischschicht ausgebildet ist. Der Anteil an Wolframkarbid in der als Gradientenschicht ausgebildeten Mischschicht nimmt dabei ausgehend von der Grenze der ersten Haftvermittlerschicht 2 in Richtung zu einer äußeren, als Deckschicht dienenden Schutzschicht 4, zu. Die zweite Haftvermittlerschicht 3 wird durch einen Doppel-PVD-Beschichtungsprozess, bei dem sowohl Chrom als auch Wolframkarbid durch Sputtern abgeschieden werden, aufgebracht.
Bei der als Deckschicht dienenden Schutzschicht 4 handelt es sich um eine Schicht aus tetragonalem amorphen, wasserstofffreien Kohlenstoff. Die Schichtdicke der zweiten Haftvermittlerschicht 3 (Gradientenschicht) ist aus einem Wertebereich zwischen 200 nm und 700 nm gewählt.
2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines beschichteten Bauelementes B. Auf einer Oberfläche O des Bauelementes B befindet sich hierzu eine Verschleißschutzschichtanordnung 1. Die Verschleißschutzschichtanordnung 1 umfasst eine erste Haftvermittlerschicht 2 aus reinem Chrom, an die eine zweite Haftvermittlerschicht 3 als Mischschicht, umfassend Chrom und Wolframkarbid, analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 angrenzt. Unmittelbar auf der zweiten Haftvermittlerschicht 3 befindet sich eine dritte Haftvermittlerschicht 5 aus reinem Wolframkarbid. Unmittelbar auf der dritten Haftvermittlerschicht 5 befindet sich die als Deckschicht dienende Schutzschicht 4 aus tetragonal gebundenem, amorphen, wasserstofffreien Kohlenstoff.
In 3 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Bauelementes B gezeigt, auf dessen Oberfläche O eine Verschleißschutzschichtanordnung 1 vorgesehen ist. Diese umfasst neben der ersten Haftvermittlerschicht 2 aus Chrom, der zweiten Haftvermittlerschicht 3 aus einem Chrom/Wolframkarbidgemisch und einer dritten Haftvermittlerschicht 5 aus reinem Wolframkarbid eine wolframkarbidhaltige Kohlenstoffschicht ausgebildete vierte Haftvermittlerschicht 6, an die wiederum die Schutzschicht 4 aus tetragonal gebundenem, amorphen, wasserstofffreien Kohlenstoff anschließt. Die vierte Haftvermittlerschicht 6 wird durch einen kombinierten PVD/CVD-Prozess aufgebracht, wobei während des Aufbringens an das Bauteil B eine Spannung angelegt wird, um die Ionen an die Oberfläche zu leiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005062204 A1 [0004]

Claims

Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzten Bauelemente (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einer aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildeten oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisenden Schutzschicht, und mit mindestens einer aus Chrom gebildeten oder einen Chromanteil aufweisenden ersten Haftvermittlerschicht (2) gekennzeichnet durch, mindestens eine, einen Wolframkarbidanteil aufweisende und/oder aus Wolframkarbidschicht bestehende, vorzugsweise an die erste Haftvermittlerschicht (2) angrenzende, zweite Haftvermittlerschicht (3).
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) als eine, einen Anteil Chrom aufweisende Mischschicht ausgebildet ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischschicht als Gradientenschicht mit sich, vorzugsweise mit zunehmender Schichtdicke, änderndem Chrom/Wolframkrabid-Gradienten ausgebildet ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aus Wolframkarbid gebildete dritte Haftvermittlerschicht (5).
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine, einen Kohlenstoffanteil aufweisende vierte Haftvermittlerschicht (6).
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) als eine, einen Anteil Wolframkarbid aufweisende Mischschicht ausgebildet ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), Schutzschicht (4).
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), dritte Haftvermittlerschicht (5), Schutzschicht (4).
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), dritte Haftvermittlerschicht (5), vierte Haftvermittlerschicht (6), Schutzschicht (4).
Bauelement, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Verschleißschutzschichtanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (B) ein Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eine Düsennadel, oder ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, insbesondere Flügelrad, ist.