DE102008062220A1

DE102008062220A1 - Gleitschicht, Gleitelement und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102008062220A1
Application number: DE102008062220A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Maier
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-12-13
Filing date: 2008-12-13
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-14
Also published as: DE102008062220B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitschicht, die amorphen Hartkohlenstoff (a-C) und Chromcarbide enthält. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at-% beträgt und die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist, wobei Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt sind und/oder chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Gleitelement mit einer solchen Gleitschicht, ein tribologisches System mit einem solchen Gleitelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht bzw. eines solchen Gleitelements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitschicht, die amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält, ein mit einer Gleitschicht versehenes Gleitelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht bzw. eines solchen Gleitelements.
In der Praxis haben sich Gleitschichten auf der Basis von Chromnitrid, die mit dem so genannten PVD-Arc-Verfahren hergestellt werden, grundsätzlich bewährt. Sie zeigen eine gute Verschleißbeständigkeit und eine hohe Brandspursicherheit und sind thermisch stabil. Letzteres gilt insbesondere für den Einsatz in Verbrennungsmotoren in Zusammenhang mit den dort auftretenden Bauteiltemperaturen.
Insbesondere im Kfz-Bereich werden sich Motoren in Zukunft durch eine noch höhere Leistungsdichte sowie durch höhere Zylinderdrücke als bisher auszeichnen. Es besteht daher Bedarf nach einer weiteren Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und Brandspursicherheit von Gleitschichten. Darüber hinaus wird eine weitere Verringerung der Reibungsverluste angestrebt.
Außerdem hat es sich gezeigt, dass die Laufeigenschaften von Gleitschichten auf der Basis von Chromnitrid in einer tribologischen Materialpaarung mit Stahl oder globulitischem Gusseisen nicht optimal sind, da sowohl Fresser als auch überhöhter Verschleiß beobachtet werden. Derartige Materialpaarungen werden jedoch bspw. für das tribologische System Kolbenring/Zylinderlaufbuchse gefordert, denn Zylinderlaufbuchsen aus Stahl oder globulitischem Gusseisen weisen höhere Festigkeiten auf als die bisher üblichen Zylinderlaufbuchsen aus lamellarem Gusseisen und können daher den zukünftigen höheren Zylinderdrücken besser standhalten. Darüber hinaus besteht in modernen Motoren die Gefahr, dass insbesondere im tribologischen System Kolbenring/Zylinderlaufbuchse aufgrund der Reduktion des Ölverbrauchs Mangelschmierungszustände auftreten, denen Gleitschichten auf der Basis von Chromnitrid nicht standhalten können.
In der DE 100 11 918 werden Gleitschichten vorgeschlagen, die im wesentlichen aus den Elementen Chrom, Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzt sind. Die Anwesenheit von Wasserstoff führt jedoch dazu, dass derartige Gleitschichten bei Temperaturen von über 350°C bis 400°C eine Reaktion mit Sauerstoff eingehen, d. h. die Gleitschichten verbrennen. Insbesondere in modernen Kfz-Motoren können jedoch deutlich höhere Temperaturen auftreten, so dass diese Gleitschichten nicht ausreichend thermisch stabil sind, um die an sie gestellten Anforderungen zu erfüllen.
In der EP 0 905 419 A1 werden ebenfalls Gleitschichten auf der Basis von Chromcarbiden und Kohlenstoff beschrieben, die durch reaktives Ionenplattieren oder reaktives Sputtern, jedoch unter Verwendung von Methan hergestellt wurden und aus diesem Grund ebenfalls Wasserstoff enthalten. Über die Struktur der Gleitschichten wird nichts gesagt.
Die DE 195 48 718 C1 schlägt Gleitschichten auf der Basis von Chromcarbid vor, wobei die Metallkomponente auch geringfügig unterstöchiometrisch vertreten sein kann, d. h. es kann freier Kohlenstoff vorliegen. Nähere Angaben über die Natur dieser Gleitschichten werden jedoch nicht gemacht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch hoch belastbare Gleitschicht bereitzustellen und reproduzierbar zu erzeugen. Die Gleitschicht soll ferner für tribologische Materialpaarungen mit Gusseisen, Stählen und Leichtmetalllegierungen geeignet sein und geringen Verschleiß, niedrige Reibung und Sicherheit gegen Fressen auch in Mangelschmierungszuständen gewährleisten.
Die Lösung besteht in einer Gleitschicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Gleitelement mit einer erfindungsgemäßen Gleitschicht bzw. ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtetes Gleitelement. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein tribologisches System mit einem erfindungsgemäßen Gleitelement und einem Gegenkörper.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at.-% beträgt und die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist, wobei Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt sind und/oder chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind. Die Zusammensetzung der Chromcarbide kann auch nichtstöchiometrisch sein und erheblich variieren.
Die Kohlenstoffphase der erfindungsgemäßen Gleitschicht wirkt als ein Trockenschmierstoff, der die Reibung im jeweiligen Tribosystem herabsetzt. Die Chromcarbidphase der erfindungsgemäßen Gleitschicht stellt einen Hartstoff dar, der die Verschleißfestigkeit der Gleitschicht verbessert. Die erfindungsgemäße Gleitschicht ist thermisch hoch stabil, da sie praktisch keinen Wasserstoff enthält. Sie ist ferner für alle tribologischen Systeme und insbesondere alle tribologischen Materialpaarungen mit Gusseisen, Stählen und Leichtmetalllegierungen geeignet. Sie zeichnet sich durch exzellente tribologische Eigenschaften, das heißt, durch einen geringen Verschleiß und eine geringe Reibung aus und gewährleistet Sicherheit gegen Fressen auch in Mangelschmierungszuständen. Daraus ergibt sich eine besonders hohe Lebensdauererwartung.
Die erfindungsgemäße Gleitschicht ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reproduzierbar herstellbar. Es zeichnet sich dadurch aus, dass ein rotierendes Substrat bzw. ein rotierendes Gleitelement mittels eines PVD-Beschichtungsverfahrens mit einer Gleitschicht beschichtet wird, wobei in einer Beschichtungskammer Kohlenstofftargets und Chromtargets angeordnet werden und durch eine Variation der Drehgeschwindigkeit des Substrats bzw. Gleitelements auf dem Substrat bzw. Gleitelement Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt werden und/oder chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet werden.
Im Verlauf des PVD-Beschichtungsverfahrens bildet sich in der Beschichtungskammer ein Plasma aus Chromionen und Kohlenstoffionen. Die sehr reaktiven Chromionen verbinden sich mit den Kohlenstoffionen und bilden feine Partikel aus Chromcar biden. Im räumlichen Bereich vor den Kohlenstofftargets überwiegen die Kohlenstoffionen, und im räumlichen Bereich vor den Chromtargets überwiegen die Partikel aus Chromcarbiden. Eine genügend langsame Rotation des Substrats bzw. des Gleitelements führt somit dazu, dass chromcarbidreiche lamellenartige Strukturen und kohlenstoffreiche lamellenartige Strukturen alternierend abgeschieden werden. Eine genügend schnelle Rotation des Substrats bzw. des Gleitelements führt hingegen dazu, dass Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt abgeschieden werden, so dass eine homogene Schichtstruktur resultiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es ist von Vorteil, wenn die Partikel aus Chromcarbiden eine Korngröße von 1 nm bis 200 nm aufweisen, um die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht weiter zu optimieren.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Gleitschicht kann an die jeweiligen Anforderungen des Einzelfalls angepasst sein. Sie sollte in der Regel mindestens 1 μm, kann aber auch bspw. bis zu 50 μm betragen. Eine unnötig dicke Gleitschicht erhöht die Kosten. Aus demselben Grund ist es zweckmäßig, wenn die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von 1 nm bis 10 nm aufweisen. Mit dieser Maßnahme werden auch die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht zusätzlich positiv beeinflusst, da die Chromcarbidphasen und die Kohlenstoffphasen sehr gleichmäßig in der Gleitschicht verteilt werden.
Der Anteil an Chromcarbiden in der erfindungsgemäßen Gleitschicht beträgt vorzugsweise 10 at.-% bis 80 at.-%, um die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht weiter zu optimieren.
Die erfindungsgemäße Gleitschicht weist vorzugsweise eine Härte HV im Bereich von 1000 bis 2000 auf, die für tribologische Systeme besonders gut geeignet ist und den Verschleiß besonders wirksam begrenzt. Eine zu geringe Härte führt im jeweiligen tribologischen System zu einem erhöhten Verschleiß des Gleitelements und eine übergroße Härte zu einem erhöhten Gegenkörperverschleiß.
Die erfindungsgemäße Gleitschicht wird vorzugsweise mittels eines PVD-Verfahrens mit Lichtbogenanregung hergestellt. Wenn hierbei zunächst nur die Chromtargets aktiviert werden, entsteht auf dem Substrat bzw. dem Gleitelement eine Chromschicht als Haftvermittlungsschicht, auf welche dann die erfindungsgemäße Gleitschicht aufgetragen wird. Als Inertgas kann bspw. Argon dienen. Die Schichtdicke der entstehenden Gleitschicht kann zweckmäßigerweise über die Drehgeschwindigkeit des Substrats bzw. Gleitelements und/oder die Beschichtungsdauer und/oder die Stärke der Lichtbogenströme kontrolliert werden. Dabei können die Chromtargets mit einer anderen Stromstärke betrieben werden als die Kohlenstofftargets.
Es ist zweckmäßig, die Oberfläche der entstandenen Gleitschicht anschließend zu glätten, da ihre Oberflächenrauheit so groß sein kann, dass die Gleitschicht für einen Einsatz in einer Gleitpaarung, d. h. in einem tribologischen System, nicht unmittelbar geeignet ist. Das Glätten kann in an sich bekannter Weise bspw. mittels Läppen, Honen, Polieren oder Schleifen mit sehr feinem Schleifkorn erfolgen. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise ein besonders breites Tragprofil ohne Spitzen bzw. mit sehr wenigen Spitzen und nur wenigen Riefen.
Ein erfindungsgemäß zu beschichtendes Substrat ist ein Gleitelement, insbesondere ein Gleitelement mit einem bevorzugten Anwendungsgebiet im Kfz-Bereich, bspw. in einem tribologischen System aus einem Kolben und einer Zylinderlauffläche in einem Verbrennungsmotor. Ein bevorzugter Anwendungsbereich sind Kolbenringe.
Das Gleitelement besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material, bspw. Gusseisen mit lamellarem oder globulitischem Kohlenstoff oder Stahl oder nitriertem Stahl.
Zwischen dem Gleitelement und der Gleitschicht kann mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht vorgesehen sein, bspw. eine Chromschicht. Die mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht weist eine Schichtdicke von vorzugsweise 0,5 μm bis 2 μm auf.
Das erfindungsgemäße tribologische System kann insbesondere aus einem erfindungsgemäßen Gleitelement und einem Gegenkörper aus lamellarem oder globulitischem Gusseisen, einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff bestehen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 eine Beschichtungskammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2a eine beispielhafte Darstellung der Anordnung von Targets;
2b eine andere beispielhafte Darstellung der Anordnung von Targets;
3 eine TEM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Gleitschicht in Form einer lamellar strukturierten Kompositschicht;
4 eine TEM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Gleitschicht in Form einer homogen strukturierten Kompositschicht.
Probenkörper 14 aus einem martensitischen Chromstahl wurden mittels des PVD-Verfahrens in einer Beschichtungskammer 10 gemäß 1 beschichtet. Träger 1 bis 4 mit Targets 12, 13 wurden entlang der Wand 11 der Beschichtungskammer 10 angeordnet und als Kathode geschaltet. Die Wand 11 der Beschichtungskammer 10 war als zugehörige Anode geschaltet. Substrate in Form von Probenkörpern 14 wurden auf einem Drehteller 15 fixiert und in die Beschichtungskammer 10 eingebracht. Die Probenkörper 14 können auf dem Drehteller 15 in Richtung des Pfeils A rotieren. Der Drehteller 15 kann in Richtung des Pfeils B rotieren. Es kamen Kohlenstofftargets 12 aus festem Kohlenstoff und Chromtargets 13 aus metallischem Chrom zum Einsatz.
2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Verteilung der Kohlenstofftargets 12 und Chromtargets 13 auf den Trägern 1 bis 4. Die zwei Träger 1, 3 sind ausschließlich mit Kohlenstofftargets 12 bestückt, die zwei Träger 2, 4 sind ausschließlich mit Chromtargets 13 bestückt.
2b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Verteilung der Kohlenstofftargets 12 und Chromtargets 13 auf den Trägern 1 bis 4. Die zwei Träger 1, 3 sind mit zwei Kohlenstofftargets 12 und einem mittigen Chromtarget 13 bestückt, die zwei Träger 2, 4 sind mit zwei Chromtargets 13 und einem mittigen Kohlenstofftarget 12 bestückt.
Nach dem Evakuieren und Aufheizen der Beschichtungskammer 10 sowie dem Ionenätzen der Oberfläche der Probenkörper 14 wurde eine 0,5 μm bis 2 μm dicke Chromschicht als Haftvermittlungsschicht auf die Oberfläche der Probenkörper 14 aufgetragen. Dafür wurden lediglich die Chromtargets 13 betrieben. Danach wurden unter Argon-Atmosphäre auch die Kohlenstofftargets 12 aktiviert. In der Beschichtungskammer 10 bildete sich ein Plasma aus Chromionen und Kohlenstoffionen, wobei die sehr reaktionsfähigen Chromionen sich mit den Kohlenstoffionen sofort zu feinen Chromcarbid-Partikeln verbanden. Im Raumbereich vor den Chromtargets 13 befinden sich überwiegend Chromcarbid-Partikel, währen im Raumbereich vor den Kohlenstofftargets 12 sich überwiegend Kohlenstoffionen befinden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel führte eine langsame Rotation der Probenkörper 14 in Richtung der Pfeile A und/oder B dazu, dass chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen alternierend auf der Oberfläche der Probenkörper 14 abgeschieden werden, wobei sich lamellenartige Strukturen bilden, also lamellenartige chromcarbidreiche Phasen sich mit lamellenartigen kohlenstoffreichen Phasen abwechseln. Die Dicke der einzelnen Phasen wurde im Ausführungsbeispiel über eine Kombination aus der Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 und der Stärke der Lichtbogenströme gesteuert. Dabei können die Chromtargets 13 mit einer anderen Stromstärke betrieben werden als die Kohlenstofftargets 12. Die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper 14 in Richtung des Pfeils A wurde so auf die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 in Richtung des Pfeils B abgestimmt, dass der Probenkörper 14 über seinen Umfang gleichmäßig beschichtet wurde.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel betrug die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 15 Umdrehungen pro Minute und die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper 14 90 Umdrehungen pro Minute. Die Lichtbogenstromstärke der Kohlenstofftargets 12 und der Chromtargets 13 wurde so eingestellt, dass bei jedem Durchgang vor einer Kathode Lamellen von ca. 1 nm Dicke abgeschieden wurden.
Eine so hergestellte Gleitschicht mit lamellarer Struktur ist in 3 dargestellt. Lamellenartige Strukturen, die überwiegend Chromcarbide enthalten und lamellenartige Strukturen, die überwiegend Kohlenstoff in Form von amorphem, praktisch wasserfreiem Kohlenstoff enthalten, sind bei diesem Querschnitt durch die Gleitschicht in alternierender Folge zu erkennen. Das Lamellenpaket wies eine Periodizität von ca. 2 nm auf. Die Schichtdicke der Gleitschicht betrug 10 μm. Die Schichtzusammensetzung betrug ca. 20 at.-% Chromcarbide und ca. 80 at.-% Kohlenstoff.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel führte eine schnelle Rotation der Probenkörper 14 in Richtung der Pfeile A und/oder B dazu, dass Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche der Probenkörper 14 abgeschieden wurden. Die Dicke der einzelnen Phasen wurde im Ausführungsbeispiel ebenfalls über eine Kombination aus der Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 und der Stärke der Lichtbogenströme gesteuert. Die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper 14 in Richtung des Pfeils A wurde so auf die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 in Richtung des Pfeils B abgestimmt, dass der Probenkörper 14 über seinen Umfang gleichmäßig beschichtet wurde.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel betrug die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 15 60 Umdrehungen pro Minute und die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper 14 125 Umdrehungen pro Minute. Die Lichtbogenstromstärken waren dieselben wie im ersten Ausführungsbeispiel. Dabei würden sich rein rechnerisch Lamellen von ca. 0,25 nm Dicke ergeben. Da die Lamellenübergänge aber nicht scharf, sondern fließend sind, waren die Lamellen in diesem Ausführungsbeispiel nicht mehr diskret und unterscheidbar ausgebildet. Vielmehr entstand eine homogene, nanoskalige Mischung von Chromcarbidphasen und Kohlenstoffphasen.
Eine so hergestellte Gleitschicht mit homogener Struktur ist in 4 dargestellt. Partikel aus amorphem, praktisch wasserfreiem Kohlenstoff und Partikel aus Chromcarbiden unterschiedlicher Zusammensetzung sind gleichmäßig verteilt. Die Schichtdicke der Gleitschicht betrug 10 μm. Die Korngröße der Kohlenstoff-Partikel betrug 1–2 nm. Die Schichtzusammensetzung betrug ebenfalls ca. 20 at.-% Chromcarbide und ca. 80 at.-% Kohlenstoff.
Die so erzeugten Gleitschichten gemäß den 3 und 4 wurden mit feinstem Schleifpapier vorsichtig geschliffen und dann geläppt. Danach betrugen die Rauheitswerte nach DIN EN ISO 13565-2:

Kernrauheit Rk 0,15 μm bis 0,20 μm

Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 μm bis 0,10 μm

Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 μm bis 0,20 μm
Die so geglätteten Gleitschichten gemäß den 3 und 4 wurden verschiedenen Tests unterzogen.
Die Verschleißbeständigkeit und die Fressbeständigkeit der erfindungsgemäßen Gleitschichten wurden im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Chromnitridschichten getestet. Die Chromnitridschichten wurden mittels des an sich bekannten PVD-Verfahrens hergestellt. Ihre Schichtdicke betrug 15 μm. Die Schichthärte betrug HV 1200. Die Schichten wurden wie oben beschrieben einer mechanischen Glättung unterzogen und wiesen dieselben Rauheitswerte auf wie die erfindungsgemäßen Schichten.

Für die Messung der Verschleißbeständigkeit und den Vergleichstest wurde ein an sich bekanntes Tribometer eingesetzt, das einen reversierenden Gleitverschleiß erzeugt. Als Prüfteile kamen Segmente eines erfindungsgemäß beschichteten Kolbenrings mit Gleitschichten gemäß 3 bzw. 4 zum Einsatz. Als Gegenkörper kamen Segmente eines dazu korrespondierenden gehonten Zylinders zum Einsatz. Die Segmente bestanden aus lamellarem Gusseisen, globulitischem Gusseisen, Stahl vom Typ C50 und einem Aluminiumwerkstoff vom Typ AlSi17Cu4Mg mit eingelagerten Siliziumpartikeln. Es wurden alle Kombinationen von Prüfteilen und Gegenkörpern getestet. Mit dieser Prüfanordnung wurde die Bewegung des Kolbenrings im Zylinder, und zwar im verschleißrelevanten Bereich des oberen Umkehrpunkts, abgebildet. Dementsprechend wurden die Prüfbedingungen so gewählt, dass bei langsamerer Bewegung und geringstem Schmierölangebot eine hohe Last und damit eine hohe Flächenpressung auf die Versuchsanordnung wirkten, entsprechend dem auf dem Kolbenring im Motorbetrieb lastenden Gasdruck. Die Prüfbedingungen waren im Einzelnen:

Testdauer:	12 Stunden
Last:	1.200 N
Flächenpressung:	57 N/mm²
Hub:	4 mm
Geschwindigkeit:	1,33 m/min
Frequenz:	5 Hz
Schmierung:	0,036 g alle 2 Stunden
Öl:	Motoröl 5 W 40
Temperatur:	20°C

Während des Verschleißtests wurden die dabei auftretenden Reibkräfte gemessen und daraus die Reibungskoeffizienten errechnet. Nach dem Test wurde die Verschleißtiefe an den Kolbenringen und den Gegenkörpern ausgewertet. Diese waren zum Teil sehr gering, so dass ein Weißlicht-Interferometer zur Bestimmung der Profiltiefe eingesetzt wurde. Bei der Auswertung der Messergebnisse diente die Paarung CrN-lamellares Gusseisen als Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik und als Referenz zur Normierung der Daten. Das resultierende Diagramm 1 zeigt den Vergleich der Verschleißwerte, die bei den verschiedenen Werkstoffpaarungen auftraten, das Diagramm 2 die entsprechenden Reibungskoeffizienten.
In den Paarungen CrN-globulitisches Gusseisen und vor allem CrN-Stahl zeigte CrN deutlich erhöhte Verschleißwerte sowie deutlich erhöhte Reibungskoeffizienten, die beim realen Motorbauteil ein inakzeptables Verschleißverhalten erwarten lassen. Die erfindungsgemäßen Gleitschichten zeigten hingegen ausnahmslos Verschleißwerte und Reibungskoeffizienten im üblichen Rahmen und weisen sich somit als für den Einsatz im Motorenbauteil geeignet aus. Ferner zeigen bei allen Gleitpaarungen die erfindungsgemäßen Gleitschichten eine geringere Reibung als die CrN-Schicht.

Die Fressbeständigkeit wurde in einem Tribometer geprüft, bei dem das Prüfteil als Block auf die Mantelfläche eines rotierenden Prüfringes gepresst wurde. Unter kontinuierlicher Messung der Reibungskraft wurde dabei die Anpresskraft stufenweise so lange erhöht, bis Fresserscheinungen auftraten. Diese wurden an der Zunahme der Reibungskraft erkannt. Das Abschaltkriterium war eine Zunahme des Reibungskoeffizienten auf Werte über 0,3. Es wurden Prüfringe aus lamellarem Gusseisen, globulitischem Gusseisen, Stahl vom Typ C50 und einem Aluminiumwerkstoff vom Typ AlSi17Cu4Mg mit eingelagerten Siliziumpartikeln eingesetzt. Die Mantelflächen der Prüfringe wurden auf eine Rauheit geschliffen, die der Lauffläche von Motorzylindern entspricht. Als Prüfteile kamen Segmente eines erfindungsgemäß beschichteten Kolbenrings mit Gleitschichten gemäß 3 bzw. 4 zum Einsatz. Von jeder Werkstoffpaarung wurden 10 Testläufe gefahren. Die Prüfbedingungen waren im Einzelnen:

Lastzunahme pro Laststufe:	44,5 N
Prüfdauer pro Laststufe:	30 Sekunden
Maximale Last:	1068 N
Maximale Zahl der Laststufen:	24
Schmierung:	2 Tropfen Maschinenöl bei Prüfbeginn
Umdrehung des Prüfrings:	500 min^–1
Umfangsgeschwindigkeit des Prüfrings:	1 m/s
Rauheit des Prüfrings:	0,12 μm < Ra < 0,24 μm
Prüftemperatur:	Raumtemperatur

Aus den Rohdaten wurde ein Fresssicherheitsindex FI gebildet nach der Formel (I)
Ein Fresssicherheitsindex von 1 bedeutet eine exzellente Fresssicherheit, während ein Index von 0 bei sehr geringer Fresssicherheit erhalten wird. Die Testergebnisse sind in Diagramm 3 zusammengefasst.
Das Ergebnis der Paarung CrN-lamellares Gusseisen zeigte, dass der Fresssicherheitstest sehr scharf ausgelegt war. Diese Paarung zeigt in der Praxis als Paarung Kolbenring-Zylinder eine sehr hohe Fressbeständigkeit, während sie im Fresstest nur einen Fresssicherheitsindex FI von 0,42 erreicht. Die erfindungsgemäßen Gleitschichten zeigten sich in allen Paarungen fressbeständiger als die CrN-Gleitschichten. Gegenüber globulitischem Gusseisen und Stahl zeigten die CrN-Gleitschichten ein unbefriedigendes Fressverhalten, während die erfindungsgemäßen Gleitschichten auch bei diesen kritischen Laufpartnern eine sehr gute Fressbeständigkeit aufwiesen.
Zur Bestimmung der thermischen Beständigkeit der erfindungsgemäßen Gleitschichten wurden mit einer erfindungsgemäßen Gleitschicht gemäß den 3 und 4 versehene Bauteile in Luft einer Temperatur von 700°C über einen Zeitraum von 100 Stunden ausgesetzt. Anschließend wurde die so behandelte erfindungsgemäße Gleitschicht in an sich bekannter Weise einer Phasenanalyse mittels Röntgendiffraktometrie unterzogen. Zum Vergleich wurde eine thermisch unbelastete Probe analysiert. Die erhaltenen Diffraktogramme der thermisch behandelten Probe und der thermisch unbelasteten Probe waren identisch. Es zeigten sich keinerlei Phasenumwandlungen.
Die Brandspursicherheit der erfindungsgemäßen Gleitschichten auf Kolbenringen aus martensitischem Chromstahl wurde in einem speziellen Motortest geprüft. Dazu wurde ein Vierzylinder-Turbodieselmotor verwendet. Als Zylinderwerkstoff kam lamellares Gusseisen zum Einsatz. Die Versuchsbedingungen waren darauf ausgelegt, die Oberflächentemperatur an der Lauffläche des Kolbenrings gegenüber dem Serienzustand des Motors so zu erhöhen, dass das Entstehen von Brandspuren gefördert wird. Um dies zu erreichen, wurden in an sich bekannter Weise einige Bauteile des Motors gegenüber dem Serienzustand geometrisch modifiziert und die Betriebsmitteltemperaturen des Motors künstlich erhöht. Dadurch gelang es, bereits nach kurzen Laufzeiten Brandspuren am ersten Kolbenring reproduzierbar zu erzeugen. Die Brandspurbeständigkeit wurde visuell beurteilt.
Die erfindungsgemäßen Gleitschichten gemäß den 3 und 4 zeigten keinerlei Brandspuren. Auch ein mit einer CrN-Gleitschicht beschichteter erster Kolbenring zeigte keine Brandspuren. Dagegen bestand ein mit einer Kombination aus wasserstoffhaltigem Kohlenstoff und Wolframcarbid (WC/a-C:H) beschichteter Kolbenring diesen Test nicht. Aufgrund der lokal hohen Temperaturen wurde die Gleitschicht oxidiert und abgetragen, und das Grundmaterial des Kolbenrings bildete massive Brandspuren aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10011918 [0005]
- EP 0905419 A1 [0006]
- DE 19548718 C1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 13565-2 [0041]

Claims

Gleitschicht, die amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at.-% beträgt und die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist wobei – Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt sind und/oder – chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind.
Gleitschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Chromcarbiden eine Korngröße von mm bis 200 nm aufweisen.
Gleitschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von mm bis 10 nm aufweisen.
Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gleitschicht 1 μm bis 50 μm beträgt.
Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chromcarbiden 10 at.-% bis 80 at.-% beträgt.
Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Härte HV von 1000 bis 2000 aufweist.
Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Rauheitswerte aufweist: Kernrauheit Rk 0,15 μm bis 0,20 μm, Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 μm bis 0,10 μm, Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 μm bis 0,20 μm.
Gleitelement mit einer Gleitschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Gleitelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem metallischen Material, vorzugsweise Gusseisen mit lamellarem oder globulitischem Kohlenstoff oder Stahl oder nitriertem Stahl besteht.
Gleitelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitelement und der Gleitschicht mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht vorgesehen ist.
Gleitelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 2 μm aufweist.
Gleitelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht eine Chromschicht ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, nämlich ein Kolbenring.
Tribologisches System mit einem Gleitelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13 und einem Gegenkörper.
Tribologisches System, dadurch gekennzeichnet dass der Gegenkörper aus lamellarem oder globulitischem Gusseisen, einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder zum Herstellen eines Gleitelements nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei in einer Beschichtungskammer Kohlenstofftargets und Chromtargets angeordnet werden und ein rotierendes Substrat bzw. ein rotierendes Gleitelement mittels eines PVD-Beschichtungsverfahrens mit einer Gleitschicht beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Variation der Drehgeschwindigkeit des Substrats bzw. Gleitelements auf dem Substrat bzw. Gleit element Partikel aus amorphem Kohlenstoff und Chromcarbiden gleichmäßig verteilt werden und/oder chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Chromschicht auf dem Substrat bzw. dem Gleitelement zunächst nur die Chromtargets aktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Gleitschicht die Chromtargets und die Kohlenstofftargets in einer Argon-Atmosphäre aktiviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der entstehenden Gleitschicht über die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Substrats bzw. Gleitelements und/oder die Beschichtungsdauer und/oder die Stärke der Lichtbogenströme kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die entstandene Gleitschicht anschließend an ihrer Oberfläche geglättet wird.