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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht
sowie ein mit einer Verschleißschutzschicht versehenes
Gleitelement.
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Aus
der
EP 1 476 587 B1 ist
eine Verschleißschutzschicht für Kolbenringe bekannt,
die im Wesentlichen aus Chromnitrid gebildet ist, wobei Aluminium-
und/oder Zirkoniumnitride in die Verschleißschutzschicht eingelagert
sind. Das Zulegieren von Aluminium zu Chromnitrid verbessert die
Verschleißbeständigkeit derartiger Schichten.
Höhere Aluminium- bzw. Zirkoniumgehalte führen
allerdings zu höheren Härten und zu höheren
Eigenspannungen der Verschleißschutzschicht, durch welche
die handhabbare Schichtdicke, wie in der vorgenannten
EP1 476 587 B1 genannt,
begrenzt wird. Daher muss eine relativ spannungsarme Schicht erzeugt
werden, die herstellungsbedingt unvermeidlicherweise eine offene
und poröse Struktur aufweist. Da die Verschleißbeständigkeit
aber aufgrund der offenen, porösen Schichtstruktur bei
höheren Temperaturen stark abnimmt, genügen die
bekannten Verschleißschutzschichten im Hinblick auf zukünftige
Motorgenerationen den Anforderungen an die Verschleißfestigkeit
und die Brandspursicherheit nicht mehr und sind zu optimieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verschleißschutzschicht
und ein damit versehenes Gleitelement bereitzustellen, deren Verschleißfestigkeit
und Brandspursicherheit bei reduzierter Reibung und bei höheren
Betriebstemperaturen im Motorbetrieb weiter verbessert sind.
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Die
Lösung besteht in einer Verschleißschutzschicht
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ferner ein Gleitelement mit einer erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht.
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Erfindungsgemäß ist
also vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht durch
eine Chrom, Aluminium und Stickstoff enthaltende Matrix gekennzeichnet
ist, in die metallisches Rhenium eingelagert ist.
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Die
erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht
ist für alle tribologischen Systeme geeignet und zeichnet
sich, insbesondere bei den im Motorenbetrieb auftretenden Temperaturen,
durch deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit und Brandspursicherheit
sowie exzellente tribologische Eigenschaften, insbesondere eine
reduzierte Reibung aus. Daraus ergibt sich eine besonders hohe Lebensdauererwartung.
Bei der Anwendung im Kfz-Motorenbereich resultiert ferner ein niedriger
Kraftstoffverbrauch und somit eine verringerte Umweltbelastung.
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Diese
Vorteile werden erhalten mit einer erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht in Form einer Chrom, Aluminium
und Stickstoff enthaltende Matrix, die sich durch eine komplexe
Struktur aus Metallnitriden (Chromnitride, Aluminiumnitride und/oder
Chromaluminiumnitride) auszeichnet. Diese Matrix ist mit metallischem
Rhenium dotiert, das heißt, metallisches Rhenium ist in
diese Matrix eingelagert. Es hat sich überraschend herausgestellt,
dass die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht, insbesondere die verbesserte Verschleißfestigkeit,
die reduzierte Reibung und die verbesserte Brandspursicherheit,
vermutlich auf diese Dotierung zurückzuführen
sind.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das
metallische Rhenium kann in Form einer festen Lösung und/oder
in Form einer separaten Phase in die Matrix eingelagert sein. Letzteres
hat den Vorteil, dass die separate Phase selbstschmierende Eigenschaften
aufweist, wodurch die Reibung weiter reduziert wird.
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Die
erfindungsgemäße Verschleißschicht enthält
vorzugsweise 25–45 at.-% Chrom, 5–15 at.-% Aluminium,
1–15 at.-% Rhenium und 35–55 at.-% Stickstoff.
Insbesondere bei einem Rheniumgehalt von 6 at.-% und mehr bildet
sich eine separate Phase aus reinem Rhenium aus, die selbstschmierende
Eigenschaften besitzt. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht
kann ferner Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthalten, vorzugsweise
jedoch nur bis zu einem Gehalt von 5 at.-%.
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Die
erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht
hat eine bevorzugte Schichtdicke von 5–70 μm und/oder
weist vorzugsweise eine Härte HU von 12 bis 30 GPa auf.
Ferner hat sich eine Porosität der erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht von 2–15 Flächen-%
und/oder eine Eigenspannung bei Raumtemperatur von höchstens
1.500 N/mm2 als zweckmäßig
erwiesen, um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht
weiter zu optimieren.
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Eine
weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die erfindungsgemäße
Verschleißschutzschicht in Form eines Mehrlagen- oder Viellagensystems
vorliegt, welches aus einer Abfolge von Einzellagen mit unterschiedlichem
Rheniumgehalt zusammengesetzt ist. Auf diese Weise können
die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht besonders gut an die Anforderungen
des Einzelfalls angepasst werden.
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Die
erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht
kann bspw. mit einem an sich bekannten PVD-Verfahren einfach und
reproduzierbar hergestellt werden. Ein erfindungsgemäß zu
beschichtendes Substrat ist bspw. ein Gleitelement, insbesondere
ein Gleitelement mit einem bevorzugten Anwendungsgebiet im Kfz-Bereich, bspw.
in einem tribologischen System aus einem Kolben und einem Zylinder
in einem Verbrennungsmotor. Ein bevorzugter Anwendungsbereich sind
Kolbenringe.
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Das
Gleitelement besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material,
bspw. aus Gusseisen oder Stahl. Zwischen dem Gleitelement und der
Verschleißschutzschicht kann mindestens eine Haft- und/oder
Zwischenschicht vorgesehen sein, bspw. eine Nitrierschicht und/oder
eine Chromschicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im
Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen,
nicht maßstabsgetreuen Darstellung einen Schnitt durch
ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenrings mit einer erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenrings 1 (Ölring
oder Kompressionsring) mit Flanken 4, 5 und einer
Lauffläche 2, auf der eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht 3 mit
einer Rauhigkeit Rz ≤ 2 μm aufgebracht ist. Der
Kolbenring 1 besteht im Ausführungsbeispiel aus
einem martensitischen Chromstahl, Zwischen der Lauffläche 2 und
der Verschleißschutzschicht 3 kann eine Zwischenschicht
in Form einer an sich bekannten Nitrierschicht und/oder Chromschicht
vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Die
erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht 3 wurde
mittels eines an sich bekannten PVD-Verfahrens mit Lichtbogenanregung
oder Kathodenzerstäubung auf die Lauffläche 2 des
Kolbenrings 1 aufgetragen. Im Ausführungsbeispiel
wurden die zu beschichtenden Kolbenringe in Stapeln angeordnet.
Die Stapel wurden auf Spindeln gesetzt, die um ihre Längsachse
drehbar auf einen Drehteller positioniert sind, welcher sich wiederum
um seine Mittelachse dreht. Diese an sich bekannte Konstruktion
ist in einer Beschichtungskammer einer PVD-Anlage angeordnet.
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Als
Targetmaterialien wurden eine Chrom-Aluminium-Legierung und reines
Rhenium verwendet. Die Targetmaterialien wurden als Beschichtungsquellen
an der Wand der Beschichtungskammer angeordnet, wobei eine Beschichtungsquelle
aus Rhenium und eine oder mehrere Beschichtungsquellen aus Chrom-Aluminium-Legierung
verwendet werden können. Über die Zusammensetzung
der Chrom-Aluminium-Legierung kann in an sich bekannter Weise das
Verhältnis von Chrom und Aluminium in der Verschleißschutzschicht
eingestellt werden. Über das Verhältnis der Quellenströme
(Stromstärken zur Anregung der Beschichtungsquellen) kann
der Rheniumgehalt der Verschleißschutzschicht eingestellt
werden. Der Stickstoffgehalt der Verschleißschutzschicht
wird in an sich bekannter Weise über den Stickstoff-Partialdruck
in der Beschichtungskammer eingestellt.
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Während
des Beschichtungsvorgangs ist die Spindeldrehzahl deutlich größer
als die Drehzahl des Drehtellers, so dass eine über den
Umfang der Kolbenringe gleichmäßige Verschleißschutzschicht
abgeschieden wird. Wenn die Drehzahl des Drehtellers hinreichend
groß ist, wird eine Verschleißschutzschicht mit
im Wesentlichen homogen verteiltem eingelagertem Rhenium abgeschieden.
Bei hinreichend geringer Drehzahl des Drehtellers wird dagegen ein
Mehrlagen- oder Viellagensystem abge schieden, das aus einer Abfolge
von Einzellagen mit variierendem Rheniumgehalt besteht.
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Im
Ausführungsbeispiel wurde eine PVD-Sputteranlage mit drei
Magnetrons sowie verwendet. Die als Substrat verwendeten Kolbenringe
hatten einen Durchmesser von bis zu 150 mm. Es wurden erfindungsgemäße
Verschleißschutzschichten sowie als Vergleichsbeispiele
Chromnitrid- und Chrom-Aluminium-Nitrid-Schichten erzeugt. Die jeweiligen
Versuchsparameter für die erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschichten, die Chromnitrid- sowie die Chrom-Aluminium-Nitrid-Schichten
sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
Schichtsystem | Chromnitrid | Chrom-Aluminium-Nitrid | Erfindungsgemäße
Verschleißschutzschicht |
Targets/Beschichtungsquellen | 2Cr-Targets | 2CrAl-Targets
(25
at.-% Aluminium) | 2CrAl-Targets
(25
at.-% Aluminium)
1Re-Target |
Gesamtdruck
[Pa] | 0,4 | 0,4 | 0,4 |
N2-Partialdruck [%] | 40 | 40 | 40 |
Bias-Spannung
[V] | –80 | –80 | –80 |
Sputterstrom
Cr bzw. CrAl [A] | 0,35 | 0,35 | 0,35 |
Sputterstrom
Re [A] | 0 | 0 | 0,02/0,06/0,1 |
Ätzspannung
Substrat [V] | 500 | 500 | 500 |
Ätzzeit
Substrat [min] | 15 | 15/30 | 30 |
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Die
Daten für die einzelnen Ausführungs- und Vergleichsbeispiele
sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
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Bei
den Beispielen 2 und 3 nimmt die Schichthärte vermutlich
deshalb zu, weil sich eine separate Phase aus reinem Rhenium gebildet
hat, die härter ist als die Matrix der erfindungsgemäßen
Verschleißschutzschicht. Die Einlagerung von Rhenium verringert
auch die Eigenspannungen. Tabelle 2
Schichtsystem | Verhältnis der
Quellenströme (CrAl:Re) | Substratemperatur [°C] | Schichtzusammensetzung
[at.-%] | Schichthärte
[GPa] | Porosität [Flächen-%] | Eigenspannung [N/mm2] |
Beispiel
1
CrAlReN | 17:1 | 350 | Cr:
36, Al: 12, Re: 2, N: 50 | 14 | 6 | ~–1.500 |
Beispiel
2
CrAlReN | 6:1 | 350 | Cr:
33, Al: 11, Re: 6, N: 50 | 18 | 9 | ~–500 |
Beispiel
3
CrAlReN | 3,5:1 | 350 | Cr:
30, Al: 10, Re: 10, N: 50 | 24 | 9 | ~–800 |
Vergleichsbeispiel
1
CrN | ./. | 350 | Cr:
50, N: 50 | 16 | 8 | ~–1.000 |
Vergleichsbeispiel
2
CrAlN | ./. | 350 | Cr:
37, Al: 13, N: 50 | 14 | 6 | ~–1200 |
Vergleichsbeispiel
3
CrAlN | ./. | 500 | Cr:
37, Al: 13, N: 50 | 23 | 4 | ~–1300 |
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Mit
allen Verschleißschutzschichten gemäß den
Beispielen 1 bis 3 sowie den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden
Verschleißtests bei 200°C und 24% Luftfeuchte
durchgeführt. Hierzu wurde ein kommerziell erhältliches
heizbares Tribometer in Form einer Kugel-Scheibe-Anordnung (Fa.
CSM Instruments, Peseux, Schweiz) eingesetzt. Die zu untersuchende
Beschichtung wurde wie oben beschrieben auf eine plane Scheibe aus
HSS-Stahl (Durchmesser 30 mm, Dicke 10 mm) aufgetragen. Die Scheibe
wurde in einen Halter eingespannt und in eine Drehbewegung versetzt.
Gegen die Scheibe wurde als Gegenkörper eine Kugel aus
Al2O3 mit einem
Durchmesser von 6 mm gedrückt. Die Paarung wurde nicht
geschmiert. Während des Tests wurde die Reibung kontinuierlich
gemessen und aufgezeichnet. Die Gleitgeschwindigkeit betrug 0,1
m/s bei einer Last von 2 N, einem Verschleißradius von
5 mm und einem Gleitweg von 200 m. Die Verschleißspur wurde
mit einem Weißlicht- Interferometer vermessen und die Verschleißtiefe
bestimmt. Ferner wurde der Reibungskoeffizient ermittelt.
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Die
Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3
Verschleißschutzschicht | Verschleißtiefe
[μm] | Reibungskoeffizient |
Beispiel
1 | Nicht
messbar | 0,5 |
Beispiel
2 | Nicht
messbar | 0,5 |
Beispiel
3 | Nicht
messbar | 0,55 |
Vergleichsbeispiel
1 | 3 | 0,7 |
Vergleichsbeispiel
2 | Nicht
messbar | 0,8 |
Vergleichsbeispiel
3 | Nicht
messbar | 0,6 |
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Der
Verschleißtest bei erhöhter Temperatur (der typischen
Bauteiltemperatur im Motor) zeigt eine Verbesserung des Verschleißverhaltens
gegenüber Vergleichsbeispiel 1 (CrN-Schicht) und eine reduzierte
Reibung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1476587
B1 [0002, 0002]