DE102008062062A1

DE102008062062A1 - Gleitschicht und Gleitelement

Info

Publication number: DE102008062062A1
Application number: DE200810062062
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Maier
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht, gekennzeichnet durch eine Chrom, Aluminium und Stickstoff enthaltende Matrix, in die metallisches Silber eingearbeitet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Gleitelement (1) mit einer derartigen Verschleißschutzschicht (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht sowie ein mit einer Verschleißschutzschicht versehenes Gleitelement.
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.
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.
Die Lösung besteht in einer Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Gleitelement mit einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht durch eine Chrom, Aluminium und Stickstoff enthaltende Matrix gekennzeichnet ist, in die metallisches Silber eingelagert ist.
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.
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 Silber dotiert, das heißt, metallisches Silber 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.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das metallische Silber 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.
Die erfindungsgemäße Verschleißschicht enthält vorzugsweise 25–45 at.-% Chrom, 5–15 at.-% Aluminium, 2–20 at.-% Silber und 35–55 at.-% Stickstoff. Insbesondere bei einem Silbergehalt von 5 at.-% und mehr bildet sich eine separate Phase aus reinem Silber 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.-%.
Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht hat eine bevorzugte Schichtdicke von 5–70 μm und/oder weist vorzugsweise eine Härte HU von 10 bis 16 GPa auf. Ferner hat sich eine Porosität der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht von 2–25 Flächen-% und/oder eine Eigenspannung bei Raumtemperatur von höchstens 500 N/mm² als zweckmäßig erwiesen, um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht weiter zu optimieren.
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 Silbergehalt zusammengesetzt ist. Auf diese Weise können die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht besonders gut an die Anforderungen des Einzelfalls angepasst werden.
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.
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.
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.
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).
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.
Als Targetmaterialien wurden eine Chrom-Aluminium-Legierung und reines Silber verwendet. Die Targetmaterialien wurden als Beschichtungsquellen an der Wand der Beschichtungskammer angeordnet, wobei eine Beschichtungsquelle aus Silber 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 Silbergehalt der Verschleißschutzschicht eingestellt werden. Der Stickstoffgehalt der Verschleißschutzschicht wird in an sich bekannter Weise über den Stickstoff-Partialdruck in der Beschichtungskammer eingestellt.
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 Silber abgeschieden. Bei hinreichend geringer Drehzahl des Drehtellers wird dagegen ein Mehrlagen- oder Viellagensystem abgeschieden, das aus einer Abfolge von Einzellagen mit variierendem Silbergehalt besteht.

Im Ausführungsbeispiel wurde eine PVD-Sputteranlage mit drei Magnetrons 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) 1Ag-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 Ag [A]	0	0	0,2/0,4/0,6
Ätzspannung Substrat [V]	500	500	500
Ätzzeit Substrat [min]	15	15/30	15

Die Daten für die einzelnen Ausführungs- und Vergleichsbeispiele sind der Tabelle 2 zu entnehmen.

Bei den Beispielen 2 und 3 nimmt die Schichthärte vermutlich deshalb etwas ab, weil sich eine separate Phase aus reinem Silber gebildet hat, die weicher ist als die Matrix der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht. Die Einlagerung von Silber verringert auch die Eigenspannungen. Tabelle 2

Schichtsystem	Verhältnis der Quellenströme (CrAl:Ag)	Substratemperatur [°C]	Schichtzusammensetzung [at.-%]	Schichthärte [GPa]	Porosität [Flächen-%]	Eigenspannung [N/mm²]
Beispiel 1 CrAlAgN	1,8:1	350	Cr: 35, Al: 12, Ag: 3, N: 50	15	8	~–400
Beispiel 2 CrAlAgN	0,9:1	350	Cr: 32, Al: 11, Ag: 7, N: 50	14	9	~–300
Beispiel 3 CrAlAgN	0,6:1	350	Cr: 30, Al: 9, Ag: 11, N: 50	13	9	~–200
Vergleichsbeispiel 1 CrN	./.	350	Cr: 50, N: 50	16	8	~–1.000
Vergleichsbeispiel 2 CrAlN	./.	350	C37, Al: 13, N: 50	14	6	~–1200
Vergleichsbeispiel 3 CrAlN	./.	350	C37, Al: 13, N: 50	23	4	~–1300

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.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3

Verschleißschutzschicht	Verschleißtiefe [μm]	Reibungskoeffizient
Beispiel 1	Nicht messbar	0,5
Beispiel 2	0,1	0,5
Beispiel 3	0,3	0,6
Vergleichsbeispiel 1	3	0,7
Vergleichsbeispiel 2	Nicht messbar	0,8
Vergleichsbeispiel 3	Nicht messbar	0,6

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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1476587 B1 [0002, 0002]

Claims

Verschleißschutzschicht, gekennzeichnet durch eine Chrom, Aluminium und Stickstoff enthaltende Matrix, in die metallisches Silber eingelagert ist.
Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber in Form einer festen Lösung eingelagert ist.
Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber in Form einer separaten Phase eingelagert ist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie 25–45 at.-% Chrom, 5–15 at.-% Aluminium, 2–20 at.-% Silber und 35–55 at.-% Stickstoff enthält.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthält.
Verschleißschutzschicht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder der Kohlenstoff in einem Anteil von jeweils max. 5 at.-% enthalten ist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schichtdicke von 5–70 μm aufweist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Härte HU von 10 bis 16 GPa aufweist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Porosität von 2–15 Flächen-% aufweist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei Raumtemperatur eine Eigenspannung von höchstens 500 N/mm² aufweist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form eines Mehrlagen- oder Viellagensystems vorliegt, welches aus einer Abfolge von Einzellagen mit unterschiedlichem Silbergehalt zusammengesetzt ist.
Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem PVD-Verfahren hergestellt ist.
Gleitelement (1) mit einer Verschleißschutzschicht (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Gleitelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitelement (1) und der Verschleißschutzschicht (3) mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht, vorzugsweise eine Nitrierschicht und/oder eine Chromschicht, vorgesehen ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, nämlich ein Kolbenring.