DE102009003192A1

DE102009003192A1 - Verschleißschutzschichtanordnung sowie Bauelement mit Verschleißschutzschichtanordnung

Info

Publication number: DE102009003192A1
Application number: DE200910003192
Authority: DE
Inventors: Michael Fraune; Rainer Feuerfeil; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25
Also published as: US20120175434A1; EP2432914A1; JP2012527527A; WO2010133388A1; CN102428207A; CN102428207B; EP2432914B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung (20), insbesondere für hohen Drücken und hohen Temperaturen ausgesetzte Bauelemente (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems. Die Verschleißschutzschichtanordnung (20) weist eine aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildete oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisende Schutzschicht (21) sowie eine Titan aufweisende Haftvermittlerschicht (22) zwischen dem Bauelement (B) und der Schutzschicht (21) auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Haftvermittlerschicht (22) zusätzlich neben Titan wenigstens ein oxidationsbeständiges Element enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzte Bauteile eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Bauelement gemäß Anspruch 7.
Bei Bauelementen in der Einspritztechnik wird serienmäßig von der Anmelderin 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 dabei typischerweise zwischen 1 μm und 3 μm.
Ferner werden auf Bauelementen tetragonal amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschichten (ta-C-Schichten) 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 plasmaunterstützt abgeschiedenem Titan aufweist. Es bestehen, inbesondere im Hinblick auf die in der Einspritztechnologie immer weiter steigenden Drücke und Temperaturen, Bestrebungen, die Haftfestigkeit von ta-C-Schichten auf Bauelementeoberflächen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird erreicht, eine Verschleißschutzschichtanordnung derart weiterzubilden, dass sie bei relativ hohen Temperaturen unter inerten oder oxidierenden Gasatmosphären eine höhere Haftfähigkeit aufweist. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, der aus Titan bestehenden Haftvermittlerschicht zusätzlich ein Element eines oxidationsbeständigen Elementes zuzumengen. Durch diesen Bestandteil wird die hohe chemische Reaktivität von Titan vermindert bzw. die Oxydationsbeständigkeit der Haftvermittlerschicht erhöht und somit insgesamt die Haftfähigkeit der Schutzschichtanordnung erhöht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und hohen Temperaturen ausgesetzte Bauelemente eines Kraftstoffeinspritzsystems, sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Element zumindest ein Element aus der Gruppe der Elemente Niob, Chrom, Vanadium, Silizium, Nickel, Praseodym, Molybdän oder Tantal ist.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Anteil des wenigstens einen oxidationsbeständigen Elementes zwischen 1% und 40% der Haftvermittlerschicht beträgt.
Besonders bevorzugt ist es, die Haftvermittlerschicht mittels eines PVD-Verfahrens (physikalische Gasphasenabscheidung) unmittelbar auf die Oberfläche des zu beschichtenden, vorzugsweise zumindest im zu beschichtenden Bereich aus Stahl bestehenden ersten Bauteils aufzubringen.
Idealerweise wird auch die Schutzschicht selbst mittels eines PVD-Verfahrens, vorzugsweise unter Vakuum, aufgebracht.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf eine optimierte Haftfestigkeit der Verschleißschutzschichtanordnung werden erreicht, wenn die Haftvermittlerschicht eine Schichtdicke aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und etwa 300 nm aufweist. Besonders bevorzugt ist die Gesamtdicke der Verschleißschichtanordnung aus einem Wertebereich zwischen etwa 1 μm und 10 μm gewählt.
Die Erfindung führt auch auf ein Bauelement, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems. Ganz besonders bevorzugt besteht das Bauelement, zumindest in dem zu beschichtenden Bereich, aus Stahl. Das Bauelement zeichnet sich durch eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete, zuvor beschriebene Verschleißschichtanordnung aus. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauelement um ein Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere um eine Düsennadel. Ebenso kann es sich bei dem Bauelement um ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe handeln.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzeilheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1: einen schematischen Schichtaufbau mittels einer Haftvermittlerschicht nach dem Stand der Technik, und
2: eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung, ebenfalls in einer schematischen Ansicht.
In der 1 ist eine Verschleißschutzschichtanordnung 10 nach dem Stand der Technik aufgezeigt. Die Verschleißschutzschichtanordnung 10 weist eine Schutzschicht 11 auf, die tetragonal gebundenen amorphen Kohlenstoff, oder einen Anteil an tetragonal gebundendem amorphen Kohlenstoff enthält. Die Schutzschicht 11 ist unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht 12 auf einem Bauteil B angeordnet. Die Haftvermittlerschicht 12 besteht aus reinem Titan und weist eine Schichtdicke von ca. 40 nm bis 100 nm auf. Demgegenüber beträgt die Schichticke der Schutzschicht 11 zwischen 2 μm und 5 μm. Die Haftvermittlerschicht 12 ist unmittelbar auf der Oberfläche O des Bauteils B aufgebracht.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung 20 dargestellt. Die Verschleißschutzschichtanordnung 20 enthält eine Schutzschicht 21, die identisch zur Schutzschicht 11 bei der Verschleißschutzschichtanordnung 10 aufgebaut sein kann, d. h. insbesondere aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff besteht, oder Anteile von tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff enthält. Die Schutzschicht 21 ist unter Zwischenlage einer Haftvermittlerschicht 22 auf dem Bauteil B unmittelbar auf dessen Oberfläche O aufgebracht.
Die Haftvermittlerschicht 22 besteht erfindungsgemäß aus Titan und zusätzlich aus einem oxidationsbeständigen Element. Vorzugsweise handelt es sich bei dem oxidationsbeständigen Element um wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente Niob, Chrom, Vanadium, Silizium, Nickel, Praseodym, Molybdän oder Tantal. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um die Elemente Silizium oder Niob bzw. um eine Kombination der Elemente Silizium und Niob. Der Anteil des wenigstens einen oxidationsbeständigen Elementes an der Gesamt-Haftvermittlerschicht 22 beträgt zwischen 1% und 40%, vorzugsweise zwischen 10% und 20%. Die Haftvermittlerschicht 22 ist mittels eines PVD-Verfahrens auf die Oberfläche O des Bauteils B aufgebracht.
Nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht 22 wird die Schutzschicht 21 vorzugsweise ebenfalls im PVD-Verfahren, hierbei insbesondere unter Vakuum auf die Haftvermittlerschicht 22 aufgebracht. Hierbei beträgt die Gesamtdicke der aus der Schutzschicht 21 und der Haftvermittlerschicht 22 bestehenden Verschleißschutzschichtanordnung 20 zwischen etwa 1 μm und 10 μm. Bei dem Bauteil B handelt es sich insbesondere um ein Bauteil B eines Kraftstoff-Einspritzsystems, das vorzugsweise zumindest in dem zu beschichtenden Bereich des Bauteils B aus Stahl besteht. Hierbei ist das Bauteil B insbesondere Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eine Düsennadel, oder ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe.

Claims

Verschleißschutzschichtanordnung (20), insbesondere für hohen Drücken und hohen Temperaturen ausgesetzten Bauelementen (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einer aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildeten oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisenden Schutzschicht (21), sowie einer Titan aufweisenden Haftvermittlerschicht (22) zwischen dem Bauelement (B) und der Schutzschicht (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (22) zusätzlich neben Titan wenigstens ein oxidationsbeständiges Element enthält.
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine oxydationsbeständige Element ein Element aus der Gruppe der Elemente Niob, Chrom, Vanadium, Silizium, Nickel, Praseodym, Molybdän oder Tantal ist.
Verschleißschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des wenigstens einen oxidationsbeständigen Elementes zwischen 1% und 40%, insbesondere zwischen 10% und 20% beträgt.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (22) mittels eines PVD-Verfahrens auf dem Bauteil (B) aufgebracht ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (21) im Vakuum-PVD-Verfahren auf die Haftvermittlerschicht (22) aufgebracht ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (22) eine Schichtdicke von 50 nm bis 300 nm aufweist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Verschleißschutzschichtanordnung (20) aus einem Wertebereich zwischen etwa 1 μm und 10 μm gewählt ist.
Bauelement, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Verschleißschutzschichtanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (B) Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eine Düsennadel, oder ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist.