DE102008062220B4 - Gleitschicht, deren Verwendung an oder mit einem Gleitelement und Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht - Google Patents
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Abstract
Gleitschicht, die amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält, wobei der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at.-% beträgt, wobei die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist, dass chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind und dass die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von 1nm bis 10nm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht die folgenden Rauheitswerte aufweist:Kernrauheit Rk 0,15 µm bis weniger als 0,20 µm,Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 µm bis 0,10 µm,Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 µm bis 0,20 µm, dass die Gleitschicht eine Härte HV von 1000 bis 2000 aufweist und dass der Anteil an Chromcarbiden 30 at.-% bis 80 at.-% beträgt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitschicht, die amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer entsprechenden Gleitschicht an oder mit einer Gleitschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht.
- 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. - Weitere Gleitschichten sind aus den Dokumenten
WO 2007/115419 A2 DE 34 18 451 A1 ,DE 10 2004 041 235 A1 undJP 2004-116 707 A - 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 12. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement in einem tribologischen System und einem Gegenkörper.
- 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. Die Zusammensetzung der Chromcarbide kann auch nichtstöchiometrisch sein und erheblich variieren. Ferner weisen die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von 1nm bis 10nm auf. Mit dieser Maßnahme werden die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht zusätzlich positiv beeinflusst, da die Chromcarbidphasen und die Kohlenstoffphasen sehr gleichmäßig in der Gleitschicht verteilt werden. Weiterhin weist die Gleitschicht die folgenden Rauheitswerte aufweist: Kernrauheit Rk 0,15 µm bis weniger als 0,20 µm, Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 µm bis 0,10 µm und Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 µm bis 0,20 µm. Ferner weist die erfindungsgemäße Gleitschicht eine Härte HV im Bereich von 1000 bis 2000 auf. Dies ist für tribologische Systeme besonders gut geeignet und begrenzt den Verschleiß besonders wirksam. Eine zu geringe Härte führt im jeweiligen tribologischen System zu einem erhöhten Verschleiß des Gleitelements und eine übergroße Härte zu einem erhöhten Gegenkörperverschleiß. Weiterhin beträgt der Anteil an Chromcarbiden in der erfindungsgemäßen Gleitschicht
30 at.-% bis 80 at.-%. Dadurch lassen sich die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht weiter optimieren. - 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 Chromcarbiden. 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 1nm bis 200nm 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 1µm, kann aber auch bspw. bis zu 50µm betragen. Eine unnötig dicke Gleitschicht erhöht die Kosten.
- Der Anteil an Chromcarbiden in der erfindungsgemäßen Gleitschicht beträgt 30 at.-% bis 80 at.-%, um die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitschicht weiter zu optimieren.
- 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 zweckmäßigerweise 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 0,5µm bis 2µm auf.
- Ein tribologisches System kann insbesondere aus einem besagten 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 Gleitschicht in Form einer lamellar strukturierten Kompositschicht; -
4 eine TEM-Aufnahme einer Gleitschicht in Form einer homogen strukturierten Kompositschicht. - Probenkörper
14 aus einem martensitischen Chromstahl wurden mittels des PVD-Verfahrens in einer Beschichtungskammer10 gemäß1 beschichtet. Träger1 bis4 mit Targets12 ,13 wurden entlang der Wand11 der Beschichtungskammer10 angeordnet und als Kathode geschaltet. Die Wand11 der Beschichtungskammer10 war als zugehörige Anode geschaltet. Substrate in Form von Probenkörpern14 wurden auf einem Drehteller15 fixiert und in die Beschichtungskammer10 eingebracht. Die Probenkörper14 können auf dem Drehteller15 in Richtung des Pfeils A rotieren. Der Drehteller15 kann in Richtung des Pfeils B rotieren. Es kamen Kohlenstofftargets12 aus festem Kohlenstoff und Chromtargets13 aus metallischem Chrom zum Einsatz. -
2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Verteilung der Kohlenstofftargets12 und Chromtargets13 auf den Trägern1 bis4 . Die zwei Träger1 ,3 sind ausschließlich mit Kohlenstofftargets12 bestückt, die zwei Träger2 ,4 sind ausschließlich mit Chromtargets13 bestückt. -
2b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Verteilung der Kohlenstofftargets12 und Chromtargets13 auf den Trägern1 bis4 . Die zwei Träger1 ,3 sind mit zwei Kohlenstofftargets12 und einem mittigen Chromtarget13 bestückt, die zwei Träger2 ,4 sind mit zwei Chromtargets13 und einem mittigen Kohlenstofftarget12 bestückt. - Nach dem Evakuieren und Aufheizen der Beschichtungskammer
10 sowie dem lonenätzen der Oberfläche der Probenkörper14 wurde eine 0,5 µm bis 2 µm dicke Chromschicht als Haftvermittlungsschicht auf die Oberfläche der Probenkörper14 aufgetragen. Dafür wurden lediglich die Chromtargets13 betrieben. Danach wurden unter Argon-Atmosphäre auch die Kohlenstofftargets12 aktiviert. In der Beschichtungskammer10 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 Chromtargets13 befinden sich überwiegend Chromcarbid-Partikel, während im Raumbereich vor den Kohlenstofftargets12 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 Probenkörper14 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 Drehtellers15 und der Stärke der Lichtbogenströme gesteuert. Dabei können die Chromtargets13 mit einer anderen Stromstärke betrieben werden als die Kohlenstofftargets12 . Die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper14 in Richtung des Pfeils A wurde so auf die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers15 in Richtung des Pfeils B abgestimmt, dass der Probenkörper14 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 Chromtargets13 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 Probenkörper14 abgeschieden wurden. Die Dicke der einzelnen Phasen wurde im Ausführungsbeispiel ebenfalls über eine Kombination aus der Drehgeschwindigkeit des Drehtellers15 und der Stärke der Lichtbogenströme gesteuert. Die Drehgeschwindigkeit der Probenkörper14 in Richtung des Pfeils A wurde so auf die Drehgeschwindigkeit des Drehtellers15 in Richtung des Pfeils B abgestimmt, dass der Probenkörper14 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 und4 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 und4 wurden verschiedenen Tests unterzogen. - Die Verschleißbeständigkeit und die Fressbeständigkeit dieser 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. Diese 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 mit Gleitschichten beschichteten Kolbenrings 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: 0,036g 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.
- 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 Al-Si17Cu4Mg mit eingelagerten Siliziumpartikeln eingesetzt. Die Mantelflächen der Prüfringe wurden auf eine Rauheit geschliffen, die der Lauffläche von Motorzylindern entspricht. Als Prüfteile kamen Segmente eines mit Gleitschichten beschichteten Kolbenrings 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 mfangsgeschwindigkeit des Prüfrings: 1 m/s Rauheit des Prüfrings: 0,12 µm < Ra < 0,24 µm Prüftemperatur: Raumtemperatur -
- Ein Fresssicherheitsindex von 1 bedeutet eine exzellente Fresssicherheit, während ein Index von 0 bei sehr geringer Fresssicherheit erhalten wird.
- 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 Gleitschicht gemäß den
3 und4 versehene Bauteile in Luft einer Temperatur von 700 °C über einen Zeitraum von 100 Stunden ausgesetzt. Anschließend wurde die so behandelte 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 Gleitschichten gemäß den
3 und4 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.
Claims (16)
- Gleitschicht, die amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält, wobei der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at.-% beträgt, wobei die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist, dass chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind und dass die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von 1nm bis 10nm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht die folgenden Rauheitswerte aufweist: Kernrauheit Rk 0,15 µm bis weniger als 0,20 µm, Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 µm bis 0,10 µm, Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 µm bis 0,20 µm, dass die Gleitschicht eine Härte HV von 1000 bis 2000 aufweist und dass der Anteil an Chromcarbiden 30 at.-% bis 80 at.-% beträgt.
- Gleitschicht nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Chromcarbiden eine Korngröße von 1nm bis 200nm aufweisen. - Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gleitschicht 1µm bis 50µm beträgt.
- Verwendung einer Gleitschicht nach einem der
Ansprüche 1 bis3 an oder mit einem Gleitelement. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem metallischen Material, vorzugsweise Gusseisen mit lamellarem oder globulitischem Kohlenstoff oder Stahl oder nitriertem Stahl besteht. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement nach
Anspruch 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitelement und der Gleitschicht mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht vorgesehen ist. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,5µm bis 2µm aufweist. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement nach
Anspruch 6 oder7 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haft- und/oder Zwischenschicht eine Chromschicht ist. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement nach einem der
Ansprüche 4 bis8 , wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement in einem tribologischen System nach einem der
Ansprüche 4 bis9 mit einem Gegenkörper. - Verwendung einer Gleitschicht an oder mit einem Gleitelement in einem tribologischen System nach
Anspruch 10 , 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 bis3 , wobei die Gleitschicht, amorphen Kohlenstoff und Chromcarbide enthält, wobei der Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffphase weniger als 1 at.-% beträgt, wobei die Gleitschicht als Kompositschicht ausgebildet ist, dass chromcarbidreiche Phasen und kohlenstoffreiche Phasen einander abwechselnd in lamellenartigen Strukturen angeordnet sind und dass die lamellenartigen Strukturen eine Dicke von 1nm bis 10nm aufweisen, wobei die Gleitschicht die folgenden Rauheitswerte aufweist: Kernrauheit Rk 0,15 µm bis weniger als 0,20 µm, Reduzierte Peakhöhe Rpk 0,05 µm bis 0,10 µm und Reduzierte Riefentiefe Rvk 0,15 µm bis 0,20 µm, wobei die Gleitschicht eine Härte HV von 1000 bis 2000 aufweist und wobei der Anteil an Chromcarbiden 30 at.-% bis 80 at.-% beträgt, 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. Gleitelement 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 12 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Chromschicht auf dem Substrat bzw. dem Gleitelement zunächst nur die Chromtargets aktiviert werden. - Verfahren nach
Anspruch 12 oder13 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Gleitschicht die Chromtargets und die Kohlenstofftargets in einer Argon-Atmosphäre aktiviert werden. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 12 bis14 , 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 12 bis15 , dadurch gekennzeichnet, dass die entstandene Gleitschicht anschließend an ihrer Oberfläche geglättet wird.
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