DE102010031539A1 - Depositing a layer system with enhanced unlubricated operation properties on a substrate surface, useful for coating gas valve components, comprises e.g. electrodepositing a layer of hard chrome on a substrate surface - Google Patents

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Abstract

Depositing a layer system with enhanced unlubricated operation properties on a substrate surface, comprises: electrodepositing a layer of hard chrome on a substrate surface (1) by applying a pulsed deposition current; and applying a diamond like carbon (DLC) layer (4) on the electrodeposited hard chromium layer (3) by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). An independent claimS is also included for a layer system comprising a first galvanic hard chromium layer deposited on a substrate surface, and a DLC layer applied on the first hard chromium layer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems mit verbesserten Trockenlaufeigenschaften. Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist zumindest eine galvanisch abgeschiedene Hartchromschicht und eine auf dieser Schicht aufgebrachte DLC-Schicht (Diamond like carbon) auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Schichtsystem und die Verwendung eines solchen zur Beschichtung von Ventilbauteilen, insbesondere Gasventilbauteilen.The present invention relates to a process for producing a layer system with improved dry-running properties. The layer system according to the invention has at least one electrodeposited hard chromium layer and a DLC layer (diamond like carbon) applied to this layer. The invention further relates to a layer system produced by the process according to the invention and the use of such for coating valve components, in particular gas valve components.

Stand der TechnikState of the art

Verschleißschutzschichten werden im Maschinen-, Anlagen- und Apparatebau zur Verlängerung der Lebensdauer von mechanisch hoch belasteten Bauteilen eingesetzt. Mit großem Erfolg werden zum Beispiel seit langer Zeit chemisch Nickel- oder Hartchromschichten als Verschleißschutz in diesen Bereichen verwendet. Diese Schichten werden mit galvanischen Verfahren auf die zu schützenden Bauteile, Substrate und Grundwerkstoffe aufgetragen.Wear-resistant coatings are used in machine, plant and apparatus construction to extend the service life of components subjected to high mechanical loads. For example, chemically nickel or hard chrome layers have long been used as wear protection in these areas with great success. These layers are applied by electroplating on the components, substrates and base materials to be protected.

Um die Lebensdauer eines Bauteils, Substrats oder Grundwerkstoffes mittels einer Verschleißschutzschicht zu verlängern, wird dabei zum einen versucht, über einen möglichst niedrigen Reibungskoeffizienten dieser Schutzschicht die Beanspruchung zu senken und zum anderen kann über eine hohe Härte der Schutzschicht wiederum der Materialabtrag bei einer vorgegebenen Belastung minimiert werden. Die Aufgaben einer Verschleißschutzschicht sind unter anderem eine Abrasion des Grundwerkstoffes zu vermindern und somit einer fortwährenden insbesondere abrasiven Verformung des Grundwerkstoffes entgegen zu wirken. Darüber hinaus kann eine Verschleißschutzschicht eine passende Reibpaarung zu einem Gegenkörper bereitstellen und das Eindringen von harten Partikeln, zum Beispiel aus einem verunreinigtem Treibstoff, in den Grundwerkstoff eines Bauteils und damit die Zerstörung von beispielsweise Dichtfläche verhindern.In order to extend the life of a component, substrate or base material by means of a wear protection layer, on the one hand trying to lower the stress on the lowest possible coefficient of friction of this protective layer and on the other hand can be minimized by a high hardness of the protective layer material removal at a given load become. Among other things, the tasks of a wear protection layer are to reduce abrasion of the base material and thus counteract ongoing, in particular abrasive, deformation of the base material. In addition, a wear protection layer can provide a suitable friction pairing to a counter-body and prevent the penetration of hard particles, for example from a contaminated fuel, into the base material of a component and thus the destruction of, for example, sealing surface.

Im Gegensatz zu organischen Schichten, wie zum Beispiel Gleitlacken, die sich in der Einlaufphase zwischen Bauteilen abnutzen und ein perfektes Angleichen der Oberflächen dieser Bauteile, die auch Verschleißkörper genannt werden, ermöglichen, nimmt eine galvanische Verschleißschutzschicht ihre Aufgabe über die gesamte Lebensdauer der Bauteile wahr. Die galvanische Verschleißschutzschichten besitzen dabei die Materialeigenschaften des oder der jeweils abgeschieden Metalle. Eine Anpassung der Eigenschaften an ein bestimmtes Anforderungsprofil ist bisher nur bedingt, nämlich durch die Auswahl des für diese Schicht verwendeten Metalls, sowie durch die Variation der Schichtdicke bzw. der Abscheidebedingungen möglich.In contrast to organic coatings, such as bonded coatings, which wear out in the run-in phase between components and enable perfect matching of the surfaces of these components, which are also called wear bodies, a galvanic wear protection layer performs its task over the entire service life of the components. The galvanic wear protection layers have the material properties of or in each case deposited metals. An adaptation of the properties to a specific requirement profile has hitherto only been possible to a limited extent, namely by the choice of the metal used for this layer, as well as by the variation of the layer thickness or the deposition conditions.

Bei großen Härteunterschieden vom zu schützenden Grundwerkstoff und der Verschleißschutzschicht kann es zum so genannten Eierschaleneffekt kommen. Hierbei bricht die harte Verschleißschutzschicht unter Belastung in den Grundwerkstoff ein, da keine ausreichende Grundhärte im Grundwerkstoff vorliegt, um die Verschleißschutzschicht zu stützen.In the case of large differences in hardness of the base material to be protected and the wear protection layer, the so-called eggshell effect may occur. In this case, the hard wear protection layer breaks under load into the base material, since there is insufficient basic hardness in the base material in order to support the wear protection layer.

Neuere Entwicklungen zur Optimierung der Eigenschaften von Verschleißschutzschichten sehen neben der klassischen einlagigen Aufbringung einer Verschleißschutzschicht auf einem Grundwerkstoff so genannte Multilagensysteme vor. Hierbei werden grundsätzlich zwei unterschiedliche Konzepte verfolgt. Zum einen können alternierend weichere und härtere Schichtlagen und zum anderen eine stetige Härteänderung im Verschleißschutzschichtaufbau vorgesehen sein. Letztere werden auch als gradierte Verschleißschutzschichtsysteme bezeichnet.Recent developments for optimizing the properties of wear-resistant coatings provide for so-called multi-layer systems in addition to the classic single-layer application of a wear-resistant coating on a base material. Here, basically two different concepts are pursued. On the one hand, alternately softer and harder layer layers and, on the other hand, a continuous change in hardness can be provided in the wear protection layer structure. The latter are also referred to as graded wear protection layer systems.

Eine Abfolge von Verschleißschutzschichtlagen aus unterschiedlichem Material können beispielsweise durch galvanische Verfahren, beispielsweise durch Umsetzen des zu beschichtenden Substrats oder Bauteils in verschiedene Elektrolytbäder erzeugt werden. Werden in einer Schutzschicht-Lagenabfolge verschiedene Materialien für die einzelnen Schichten verwendet ist eine Herausforderung dabei, einen haftfesten Verbund herzustellen. Eine weitere Methode zum Aufbau von Multilagensystemen ist, einen Werkstoff für eine Verscheißschicht unter wechselnden Abscheidebedingungen auf dem Grundwerkstoff aufzubringen. So kann beispielsweise Chrom zum einen als Hartchrom unter anlegen einer Gleichspannung als Abscheidestrom abgeschieden, wobei auf die abgeschiedene Hartchromschicht unter anlegen eine Pulsstroms eine rissfreie Chromschicht abgeschieden wird.A sequence of wear protection layer layers made of different materials can be produced for example by galvanic methods, for example by reacting the substrate or component to be coated in different electrolyte baths. When different materials are used for the individual layers in a protective layer ply sequence, a challenge is to make an adhesive bond. Another method for the construction of multilayer systems is to apply a material for a Verscheißschicht under changing deposition conditions on the base material. Thus, for example, chromium can be deposited on the one hand as a hard chrome while applying a DC voltage as a deposition current, wherein a crack-free chromium layer is deposited on the deposited hard chrome layer while applying a pulse current.

Es ist auch bekannt Schutzschichten beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder verwandte Verfahren, beispielsweise der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zu erzeugen. Mit PVD Verfahren ist es möglich, fast alle Metalle und auch Kohlenstoff in sehr reiner Form abzuscheiden. Jedoch sind nur dünne Schichten im Bereich einiger Nanometer bis hin zu einigen Mikrometern wirtschaftlich zu erzeugen. Darüber hinaus sind diese Verfahren sehr kostenintensiv.It is also known to produce protective coatings by, for example, physical vapor deposition (PVD) or related processes, such as chemical vapor deposition (CVD). With PVD process it is possible to deposit almost all metals and also carbon in very pure form. However, only thin layers in the range of a few nanometers down to a few micrometers can be economically produced. In addition, these methods are very expensive.

Für hochbelastete Bauteile wird ein Verschleißschutz oftmals mit Hartchromschichten oder einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (DLC) realisiert. Bedingung ist jedoch in den meisten Fällen, dass der Untergrund ausreichend hart und belastbar ist, um ein Eindrücken der Verschleißschutzschicht in den Grundwerkstoff und somit das Auftreten des zuvor beschriebenen Eierschaleneffektes zu vermeiden. Oftmals werden daher geeignet harte Grundwerkstoffe wie gehärteter Stahl, z. B. 100Cr6, verwendet.For heavily loaded components wear protection is often realized with hard chromium layers or a diamond-like carbon layer (DLC). Condition is however in most cases that the underground is sufficiently hard and loadable, in order to impress the wear protection layer in the base material and thus to avoid the occurrence of eggshell effect described above. Often therefore suitable hard base materials such as hardened steel, z. 100Cr6.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems mit verbesserten Trockenlaufeingenschaften auf einer Substratoberfläche bereitgestellt, wenigstens aufweisend die Verfahrensschritte:

  • – galvanisches Abscheiden einer Hartchromschicht auf einer Substratoberfläche unter Anlegen eines gepulsten Abscheidestroms;
  • – aufbringen einer DLC-Schicht auf die galvanisch abgeschiedene Hartchromschicht mittels PVD oder CVD.
The invention provides a method for depositing a layer system with improved dry-running properties on a substrate surface, comprising at least the method steps:
  • - Electroplating a hard chromium layer on a substrate surface by applying a pulsed Abscheidestroms;
  • - Apply a DLC layer on the electrodeposited hard chrome layer by PVD or CVD.

Durch die erfindungsgemäße Kombination aus Hartchromschicht und DLC-Schicht werden die günstigen Eigenschaften der beiden Schichten in einem Schichtsystem vereinigt. Die so abgeschiedenen Schichtsysteme zeichnen sich durch ihr Härte sowie ihre hervorragenden Trockenlaufeingenschaften aus.The inventive combination of hard chrome layer and DLC layer, the favorable properties of the two layers are combined in a layer system. The layer systems thus deposited are characterized by their hardness and their excellent dry running properties.

Die erfindungsgemäß in einem ersten Verfahrensschritt abgeschiedenen Hartchromschichten können sowohl Monolagen sein, als auch Multilagen-System. Besonders geeignet sind Multilagen-System, welche aus einer Kombination einer mikrorissig abgeschiedenen Hartchromschicht und einer darauf unter Anlegung eines Pulsstroms abgeschiedenen rissfreien Chromschicht bestehen.The hard chrome layers deposited according to the invention in a first method step can be both monolayers and multilayer systems. Especially suitable are multi-layer systems, which consist of a combination of a micro-cracked hard chromium layer and a crack-free chromium layer deposited thereon with the application of a pulse current.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die zu beschichtenden Substrate nicht einer aufwendigen Vorbehandlung unterzogen werden müssen, wie dies normaler Weise bei der Abscheidung einer DLC-Schicht auf einem Substrat notwendig ist. So ist es bisher notwendig, die mit einer DLC-Schicht zu versehenden Substratoberflächen in aufwendigen und kostenintensiven Schleifschritten auf die nachfolgende Beschichtung vorzubereiten. Eine solche intensive Vorbehandlung der Substratoberflächen kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden, wodurch sich die Kosten pro Werkstück optimieren lassen.The process according to the invention has the advantage that the substrates to be coated do not have to be subjected to a complex pretreatment, as is normally necessary in the deposition of a DLC layer on a substrate. Thus, it has hitherto been necessary to prepare the substrate surfaces to be provided with a DLC layer in complex and costly grinding steps for the subsequent coating. Such an intensive pretreatment of the substrate surfaces can be avoided by the method according to the invention, whereby the costs per workpiece can be optimized.

Durch das erfindungsgemäße galvanische Abscheiden einer Hartchromschicht vor dem Aufbringen einer DLC-Schicht ergibt sich der weitere Vorteil, dass durch den galvanischen Beschichtungsprozess selbst jegliche organischen Reste wie z. B. Fett oder dergleichen und auch feine Partikel von der Substratoberfläche entfernt wurden, so dass bei nur grob vorgereinigten Substraten nach dem galvanischen Beschichtungsprozess ein sehr sauberes und trockenes Substrat bereitgestellt ist, welches für eine anschließende Aufbringung einer DLC-Schicht in optimaler weise vorbereitet ist. Dadurch können Reinigungsstrecken vor einer DLC-Beschichtung entfallen, wodurch sich weitere ökonomische Vorteile ergeben.The inventive galvanic deposition of a hard chrome layer prior to the application of a DLC layer results in the further advantage that by the galvanic coating process itself any organic radicals such. For example, grease or the like and also fine particles have been removed from the substrate surface, so that in only roughly pre-cleaned substrates after the galvanic coating process, a very clean and dry substrate is provided which is optimally prepared for a subsequent application of a DLC layer. As a result, cleaning distances can be omitted before a DLC coating, resulting in further economic benefits.

Darüber hinaus stellen galvanisch abgeschiedene Hartchromschichten keine besonderen Anforderungen an die Oberflächenqualität der zu beschichtenden Substrate. Jedoch zeichnen sie in der Regel die Oberflächenstruktur des Substrates nach, wodurch die Rautiefe der Hartchrombeschichtung von der Beschaffenheit der Substratoberfläche abhängt. In vorteilhafter Weise kann hier durch die Abscheidung eines Multilagen-System jedoch ein einebnender Effekt erzielt werden, so dass nach Abschluss der galvanischen Abscheidung einer Hartchromschicht im erfindungsgemäßen Verfahren eine Substratoberfläche mit optimierter Rautiefe erhalten wird, auf welche in hervorragender Weise anschließend eine DLC-Schicht aufgebracht werden kann.In addition, electrodeposited hard chrome layers do not place any special demands on the surface quality of the substrates to be coated. However, they usually trace the surface structure of the substrate, whereby the roughness of the hard chrome coating depends on the nature of the substrate surface. Advantageously, however, a leveling effect can be achieved here by the deposition of a multilayer system, so that after completion of the electrodeposition of a hard chrome layer in the process according to the invention, a substrate surface with optimized surface roughness is obtained, to which a DLC layer is then applied in an outstanding manner can be.

Neue Werkstoff, insbesondere auf Basis von Sintermaterialien oder spritzgießfähigen Metalle (Metal Injection Molding MIM) sind oftmals billiger und darüber hinaus leichter zu Verarbeiten als herkömmliche Werkstoffe wie Stahl, bieten jedoch häufig keinen ausreichenden Verschleißschutz. Aufgrund ihrer Morphologie die vielfach bei solchen Materialien auftretenden Inhomogenität in den Oberflächen konnte diese bisher nicht oder nur sehr schwer mit geeigneten Verschleißschutzschichten ausgerüstet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, diese neuen Werkstoffe mit Multilagen-Verschleißschutzschichten auszurüsten. Dies eröffnet die Möglichkeit, die fertigungstechnischen Vorteile dieser neuen Materialien mit den hervorragenden Verschleißeigenschaften von DLC-Schichten in der großtechnischen Fertigung zu kombinieren.New materials, particularly based on sintered materials or metal injection molding (MIM) metals are often cheaper and, moreover, easier to process than conventional materials such as steel, but often do not provide sufficient wear protection. Due to their morphology, the inhomogeneity in the surfaces, which frequently occurs with such materials, has hitherto not been able to be equipped with suitable wear protection layers, or only with great difficulty. The inventive method, it is possible to equip these new materials with multilayer wear protection layers. This opens up the opportunity to combine the manufacturing advantages of these new materials with the excellent wear characteristics of DLC coatings in large-scale manufacturing.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Schichtsystem kann die durch eine mechanische Belastung wie z. B. einen Schlag auf das Substrat bzw. die Substratoberfläche einwirkende Aufprallenergie von der Hartchromschicht kompensiert werden, so dass es nur zu einer geringen Verformung des Basiswerkstoffes kommt. Ein durch eine solche Verformung hervorgerufener Eierschaleneffekt und ein dadurch bedingten Abplatzen einer aufgebrachten DLC-Schicht wird so vermieden. Hierdurch wird eine deutlich höhere Lebenszeit der Verschleißschichten und damit auch der Substarte an sich erreicht.By the method according to the invention and the layer system according to the invention, by a mechanical stress such. B. impact on the substrate or the substrate surface acting impact energy can be compensated by the hard chrome layer, so that there is only a small deformation of the base material. An eggshell effect caused by such a deformation and the consequent flaking off of an applied DLC layer is thus avoided. As a result, a significantly higher lifetime of the wear layers and thus the Substarte itself is achieved.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Hartchromschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 200 µm, noch bevorzugter zwischen 3 μm und 50 µm abgeschieden. Eine solche Schichtstärke ist geeignet, einen mechanisch hinreichend stabilen Untergrund für eine auf ihr aufgebrachte DLC-Schicht bereitzustellen, um bei der Einwirkung üblicher mechanischer Belastungen ein abplatzen der DLC-Schicht zu vermeiden.In one embodiment of the method according to the invention, the hard chrome layer is deposited with a layer thickness between 0.5 μm and 300 μm, preferably between 1 μm and 200 μm, more preferably between 3 μm and 50 μm. Such a layer thickness is suitable for a mechanical to provide a sufficiently stable substrate for a DLC layer applied to it to avoid spalling of the DLC layer upon exposure to conventional mechanical stresses.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht ein Abscheidestrom mit einer mittleren Stromdichte zwischen 10 A/dm2 und 100 A/dm2, vorzugsweise zwischen 20 A/dm2 und 80 A/dm2, noch bevorzugter 25 A/dm2 und 60 A/dm2 eingestellt.In a further embodiment of the method according to the invention, a deposition current with an average current density between 10 A / dm 2 and 100 A / dm 2 , preferably between 20 A / dm 2 and 80 A / dm 2 , more preferably 25 A, is used for electrodeposition of the hard chrome layer / dm 2 and 60 A / dm 2 are set.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht eine Pulsfrequenz des Abscheidestroms zwischen 0,1 Hz und 1000 Hz, vorzugsweise eingestellt.According to a further embodiment of the method according to the invention, a pulse frequency of the separation current between 0.1 Hz and 1000 Hz, preferably set, for galvanic deposition of the hard chromium layer.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine Strompulsabfolge mit anodischen und kathodischen Strompulsen am Substrat und gegebenenfalls dazwischen liegenden Ruhepausen mit einer Pausenspannung von Null oder mehr Volt, mittels einer Steuerungseinrichtung und damit ein über die Zeit variabler Strom eingestellt wird.According to the invention, provision can be made for a current pulse sequence with anodic and cathodic current pulses to be set on the substrate and, if appropriate, intervening rest pauses having a pause voltage of zero or more volts, by means of a control device and thus a current which is variable over time.

Alternativ oder zusätzlich kann mittels einer Steuerungseinrichtung eine Spannungspulsabfolge und damit die Spannung potentiostatisch über die Zeit variabel eingestellt werden. Ein erfindungsgemäß galvanostatischer Pulsverlauf kann exemplarisch aus einer geeigneten Vorbehandlung, die die Haftfestigkeit der Beschichtung verbessert mit einer Wartezeit von 0 s bis 240 s, einer Aktivierung des Grundwerkstoffs über eine Aktivierungszeit von 10 bis 30 s und wiederum einer Wartezeit von 0 s bis 20 s und der eigentlichen Pulsfolge alternierend aus Puls und Umkehrpuls, mit einer Pulslänge von 1 ms bis 10 s und jeweils einer Stromdichte von 10 bis 100 A/dm2, wobei für die Umkehrpulse analoge Parameter gewählt werden können, bestehen. Innerhalb einer Chromschichtabscheidung können diese Parameter variiert werden, um gradierte Eigenschaften zu erreichen.Alternatively or additionally, by means of a control device, a voltage pulse sequence and thus the voltage can be variably set potentiostatically over time. A galvanostatic pulse progression according to the invention can be exemplified by a suitable pretreatment which improves the adhesive strength of the coating with a waiting time of 0 s to 240 s, activation of the base material over an activation time of 10 to 30 s and again a waiting time of 0 s to 20 s and the actual pulse sequence alternating pulse and reverse pulse, with a pulse length of 1 ms to 10 s and each having a current density of 10 to 100 A / dm 2 , wherein analogous parameters can be selected for the reversing pulses exist. Within a chromium layer deposition these parameters can be varied to achieve graded properties.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht ein Verhältnis der Negativ-/Positivstromdichte zwischen 1:1 und 1:10, vorzugsweise 1:2 und 1:5 eingestellt. Dies bedeutet, dass in dieser Ausgestaltung des Verfahrens der Umkehrpuls eine Länge zwischen 1/10 bis 1/1 des Abscheidepulses hat.In one embodiment of the method according to the invention, a ratio of the negative / positive current density between 1: 1 and 1:10, preferably 1: 2 and 1: 5 is set for the electrodeposition of the hard chrome layer. This means that in this embodiment of the method, the reversing pulse has a length between 1/10 to 1/1 of the Abscheidepulses.

Vorteilhafterweise kann eine Einstellung der Eigenschaften der Chromschicht erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass lediglich die Strom- und/oder Spannungs-Prozessparameter gesteuert werden. Die einzelnen Chrom-Schichtlagen können dabei mit gewünschten unterschiedlichen Eigenschaften schon allein durch Strom und/oder Spannungsführung mit oder ohne Umpolen abgeschieden werden. Hierbei können Chromschichten gezielt mit unterschiedlichen Strukturen abgeschieden werden. Auf diese Weise können auf einem Substrat aus relativ weichem Grundwerkstoff beispielsweise zunächst Schichtlagen aus rissfreiem weichem Chrom mit einer Härte von ≥ 450 HV bis ≥ 700 HV und dann Chromschichten zunehmender Härte von ≥ 700 HV bis ≤ 1100 HV erzeugt werden.Advantageously, an adjustment of the properties of the chromium layer can be achieved according to the invention by controlling only the current and / or voltage process parameters. The individual chromium layer layers can be deposited with desired different properties alone by current and / or voltage control with or without polarity reversal. Here, chromium layers can be selectively deposited with different structures. In this way, for example, first layer layers of crack-free soft chrome with a hardness of ≥ 450 HV to ≥ 700 HV and then chrome layers of increasing hardness of ≥ 700 HV to ≤ 1100 HV can be produced on a substrate made of relatively soft base material.

Die auf der Hartchromschicht erfindungsgemäß abgeschiedene DLC-Schicht kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen. Eine solche Schichtdicke bietet einen hervorragenden Verschleißschutz und zeigt darüber sehr gute Trockenlaufeigenschaften. Dies ist insbesondere für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung von z. B. Ventilbauteilen, insbesondere Gasventilbauteilen vorteilhaft, da auch unter Mangel von friktionsvermindernden Mitteln, wie z. B. Ölen oder Fetten, eine Funktionstüchtigkeit des Ventils oder Ventilbauteils gewährleistet ist.The DLC layer deposited on the hard chrome layer according to the invention may in a preferred embodiment of the invention have a layer thickness of between 1 μm and 10 μm. Such a layer thickness provides excellent wear protection and shows very good dry running properties. This is especially for the application of the method according to the invention for the coating of z. B. valve components, in particular gas valve components advantageous, as well as lack of friction-reducing agents such. As oils or fats, a functionality of the valve or valve member is guaranteed.

Die DLC-Schicht kann erfindungsgemäß mittels der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur DLC-Beschichtung, wie z. B. chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition CVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (Plasma Vapor Deposition PVD) oder verwandter Verfahren, auf die galvanisch abgeschiedene Hartchromschicht aufgebracht werden.The DLC layer can according to the invention by means of the known from the prior art method for DLC coating, such. As chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD plasma deposition) or related processes are applied to the electrodeposited hard chromium layer.

Mit der Erfindung wird darüber hinaus ein Schichtsystem angegeben, aufweisend eine erste galvanisch auf einer Substratoberfläche abgeschiedene Hartchromschicht und eine auf der ersten Hartchromschicht aufgebrachten DLC-Schicht, wobei die Hartchromschicht eine Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 300 µm aufweist.The invention additionally provides a layer system comprising a first hard chromium layer deposited galvanically on a substrate surface and a DLC layer applied to the first hard chrome layer, wherein the hard chrome layer has a layer thickness between 0.5 μm and 300 μm.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem zeigt als Verschleißschutzschicht auf unterschiedlichen Grundwerkstoffen wie Stahl oder auch Sinterwerkstoffen hervorragende Trockenlaufeigenschaften sowie eine gute Beständigkeit gegen mechanische Belastungen. Insbesondere zeigt das erfindungsgemäße Schichtsystem auch bei üblichen mechanischen Belastungen kein oder nur ein sehr geringes ablösen der aufgebrachten DLC-Schicht.The layer system according to the invention exhibits outstanding dry running properties as wear protection layer on different base materials such as steel or also sintered materials as well as a good resistance to mechanical loads. In particular, the layer system according to the invention shows no or only a very small detachment of the applied DLC layer even under normal mechanical loads.

Hierbei kann in einer Ausgestaltung des Schichtsystems die Hartchromschicht eine Härte > 700 HV, vorzugsweise zwischen ≥ 750 HV und ≤ 1100 HV aufweisen.In one embodiment of the layer system, the hard chrome layer may have a hardness of> 700 HV, preferably between ≥ 750 HV and ≦ 1100 HV.

Die DLC-Schicht kann in dem erfindungsgemäßen Schichtsystem eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen.The DLC layer may have a layer thickness between 1 μm and 10 μm in the layer system according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The invention will be explained below with reference to embodiments in conjunction with the figures, without being limited thereto. The same components are identified by the same reference numerals.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Schnittansicht eines Substrats mit einer Chrom-Schutzschicht nach dem Stand der Technik. 1 a schematic sectional view of a substrate with a chromium protective layer according to the prior art.

2 eine schematische Schnittansicht eines Substrats mit einer erfindungsgemäß aufgebrachten Verschleißschutzschicht. 2 a schematic sectional view of a substrate with a wear protection layer applied according to the invention.

3 eine schematische Schnittansicht eines Substrats mit einer erfindungsgemäß aufgebrachten Verschleißschutzschicht mit einer mehrlagigen Hartchromschicht. 3 a schematic sectional view of a substrate having a wear protection layer applied according to the invention with a multilayer hard chrome layer.

1 zeigt eine Verschleißschutzschicht nach dem Stand der Technik, bestehend aus einer auf einer Substratoberfläche (1) abgeschiedenen Hartchromschicht (2). Die galvanisch abgeschiedene Hartchromschicht (2) weist eine gute mechanische Stabilität auf. Die Trockenlaufeingenschaften solche Hartchromschichten (2) sind jedoch nicht optimal, so dass die Verwendung solcher Schichten im Bereich von Bauteilen, welche einer entsprechenden mechanischen Belastung bei gleichzeitiger Gefahr eines Trocklaufens, also dem Mangel an friktionsmindernden Mitteln, ausgesetzt sind nur sehr bedingt möglich ist. 1 shows a wear protection layer according to the prior art, consisting of a on a substrate surface ( 1 ) deposited hard chrome layer ( 2 ). The electrodeposited hard chrome layer ( 2 ) has good mechanical stability. The dry-running properties of such hard chrome layers ( 2 ) are not optimal, so that the use of such layers in the range of components, which are exposed to a corresponding mechanical stress with simultaneous risk of dry running, so the lack of friction-reducing agents, only very limited possible.

2 zeigt ein Schichtsystem (3, 4), welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden wurde. Auf der Oberfläche (1) eines Substrats, beispielsweise eines Ventilbauteils aus Stahl oder einem Sintermaterial, wird nach einer für die galvanische Abscheidung einer Hartchromschicht üblichen Vorbehandlung, wie z. B. einem Entfettungsschritt, eine Chromschicht (3) unter Anlegen eines gepulsten Abscheidestroms abgeschieden. Die Pulslänge kann dabei in Abhängigkeit des Substrates oder der gewünschten Schichteigenschaften in der im Stand der Technik bekannten Weise variiert werden. So kann zur Abscheidung beispielsweise eine Pulsfrequenz von 20 Hz bei einer mittleren Stromdichte von 30 A/dm2 eingestellt werden. Die so abgeschiedene Schicht zeigt eine mittlere Schichtdicke von 50 µm und eine Härte von > 900 HV. Auf die so erhaltene Hartchromschicht (3) wird nach einem optionalen Spül- und Trockenschritt eine DLC-Schicht mittels CVD aufgetragen. Die zu beschichtenden Substrate werden dazu dem Gestell entnommen, welches zur galvanischen Abscheidung genutzt wurde und in einen zur CVD-Abscheidung geeigneten Warenträger überführt. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch, beispielsweise mittels geeigneter Industrieroboter. Die mit der Hartchromschicht (3) beschichteten Substrate werden dann mit dem Warenträger in eine entsprechende CVD-Anlage überführt, in welcher eine DLC-Schicht (4) mit einer mittleren Schichtdicke von 3 µm aufgetragen wird. Das so erhaltene Schichtsystem (3, 4) zeigt eine hohe Beständigkeit gegen abrasive Abnutzung sowie eine gute Kerbschlagbeständigkeit. Darüber hinaus zeigt das Schichtsystem (3, 4) gute Trocklaufeigenschaften. 2 shows a layer system ( 3 . 4 ), which was deposited by a method according to the invention. On the surface ( 1 ) of a substrate, such as a valve member made of steel or a sintered material, according to a standard for the electrodeposition of a hard chromium layer pretreatment, such. B. a degreasing step, a chromium layer ( 3 ) deposited while applying a pulsed deposition current. The pulse length can be varied depending on the substrate or the desired layer properties in the manner known in the art. Thus, for example, a pulse frequency of 20 Hz can be set for deposition at an average current density of 30 A / dm 2 . The thus deposited layer shows a mean layer thickness of 50 microns and a hardness of> 900 HV. On the resulting hard chrome layer ( 3 ), a DLC layer is applied by CVD after an optional rinse and dry step. The substrates to be coated are removed from the rack, which was used for electrodeposition and transferred to a suitable for CVD deposition goods carrier. This is preferably done automatically, for example by means of suitable industrial robots. The with the hard chrome layer ( 3 ) coated substrates are then transferred with the product carrier in a corresponding CVD system in which a DLC layer ( 4 ) is applied with a mean layer thickness of 3 microns. The layer system ( 3 . 4 ) shows a high resistance to abrasive wear and a good notch impact resistance. In addition, the layer system ( 3 . 4 ) good dry-running properties.

3 zeigt ein Schichtsystem, welche nach einem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden wurde. Auf der Oberfläche (1) eines Substrats, beispielsweise eines Ventilbauteils aus Stahl oder einem Sintermaterial, wird nach einer für die galvanische Abscheidung einer Hartchromschicht üblichen Vorbehandlung, wie z. B. einem Entfettungsschritt, eine erste Chromschicht (5) abgeschieden. Die Chromschicht (5) wird unter Anlegen eines Gleichstroms mit einer mittleren Stromdichte von 20 A/dm2 bis zu einer Schichtdicke von 30 µm abgeschieden. Die so erhaltene Chromschicht zeigt eine Härte von 500 HV. Ohne Umsetzung des Substrates in einen anderen Elektrolyten wird nun auf die so abgeschiedene Chromschicht unter Anlegen eines gepulsten Abscheidestroms eine Hartchromschicht (3) abgeschieden. Die Pulslänge kann dabei in Abhängigkeit des Substrates oder der gewünschten Hartchromeigenschaften in der im Stand der Technik bekannten Weise variiert werden. So kann zur Abscheidung beispielsweise eine Pulsfrequenz von 60 Hz bei einer mittleren Stromdichte von 70 A/dm2 eingestellt werden. Die so abgeschiedene Schicht (3) zeigt eine mittlere Schichtdicke von 70 µm und eine Härte von > 900 HV. Auf die so erhaltene Hartchromschicht (3) wird nach einem optionalen Spül- und Trockenschritt eine DLC-Schicht mittels CVD aufgetragen. Die zu beschichtenden Substrate werden dazu dem Gestell entnommen, welches zur galvanischen Abscheidung genutzt wurde und in einen zur CVD-Abscheidung geeigneten Warenträger überführt. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch, beispielsweise mittels geeigneter Industrieroboter. Die mit der Hartchromschicht (3) beschichteten Substrate werden dann mit dem Warenträger in eine entsprechende CVD-Anlage überführt, in welcher eine DLC-Schicht (4) mit einer mittleren Schichtdicke von 3 µm aufgetragen. Das so erhaltene Schichtsystem (3, 4) zeigt eine hohe Beständigkeit gegen abrasive Abnutzung sowie eine gute Kerbschlagbeständigkeit. Darüber hinaus zeigt das Schichtsystem (3, 4) gute Trocklaufeigenschaften. 3 shows a layer system which has been deposited by a method according to the invention. On the surface ( 1 ) of a substrate, such as a valve member made of steel or a sintered material, according to a standard for the electrodeposition of a hard chromium layer pretreatment, such. B. a degreasing step, a first chromium layer ( 5 ) deposited. The chrome layer ( 5 ) is deposited while applying a direct current with an average current density of 20 A / dm 2 up to a layer thickness of 30 microns. The chromium layer thus obtained shows a hardness of 500 HV. Without conversion of the substrate into another electrolyte, a hard chrome layer is then applied to the thus deposited chromium layer while applying a pulsed deposition current ( 3 ) deposited. The pulse length can be varied depending on the substrate or the desired Hartchromeigenschaften in the manner known in the art. Thus, for example, a pulse frequency of 60 Hz at an average current density of 70 A / dm 2 can be set for deposition. The thus deposited layer ( 3 ) shows a mean layer thickness of 70 microns and a hardness of> 900 HV. On the resulting hard chrome layer ( 3 ), a DLC layer is applied by CVD after an optional rinse and dry step. The substrates to be coated are removed from the rack, which was used for electrodeposition and transferred to a suitable for CVD deposition goods carrier. This is preferably done automatically, for example by means of suitable industrial robots. The with the hard chrome layer ( 3 ) coated substrates are then transferred with the product carrier in a corresponding CVD system in which a DLC layer ( 4 ) is applied with an average layer thickness of 3 μm. The layer system ( 3 . 4 ) shows a high resistance to abrasive wear and a good notch impact resistance. In addition, the layer system ( 3 . 4 ) good dry-running properties.

Claims (10)

Verfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems mit verbesserten Trockenlaufeingenschaften auf einer Substratoberfläche, wenigstens aufweisend die Verfahrensschritte: – galvanisches Abscheiden einer Hartchromschicht (3, 5) auf einer Substratoberfläche (1) unter Anlegen eines gepulsten Abscheidestroms; – aufbringen einer DLC-Schicht (4) auf die galvanisch abgeschiedene Hartchromschicht mittels PVD oder CVD.Method for depositing a layer system with improved dry-running properties on a substrate surface, at least comprising the method steps: - galvanic deposition of a hard chrome layer ( 3 . 5 ) on a substrate surface ( 1 ) while applying a pulsed deposition current; Applying a DLC layer ( 4 ) on the electrodeposited hard chrome layer by means of PVD or CVD. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Hartchromschicht (3, 5) mit einer Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 300 µm abgeschieden wird.Process according to claim 1, wherein the hard chrome layer ( 3 . 5 ) is deposited with a layer thickness between 0.5 microns and 300 microns. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht (3, 5) ein Abscheidestrom mit einer mittleren Stromdichte zwischen 10 A/dm2 und 100 A/dm2 eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for the electrodeposition of the hard chromium layer ( 3 . 5 ) A deposition current with a mean current density of 10 A / dm 2 and 100 A / dm 2 is adjusted. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht (3) eine Pulsfrequenz des Abscheidestroms zwischen 0,1 Hz und 1000 Hz eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for the electrodeposition of the hard chromium layer ( 3 ) A pulse frequency of Abscheidestroms between 0.1 Hz and 1000 Hz is set. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur galvanischen Abscheidung der Hartchromschicht (3) ein Verhältnis der Negativ-/Positivstromdichte zwischen 1:1 und 1:10, vorzugsweise 1:2 und 1:5 eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for the electrodeposition of the hard chromium layer ( 3 ) a ratio of the negative / positive current density between 1: 1 and 1:10, preferably 1: 2 and 1: 5 is set. Verfahren gemäß einem der vorgehendend Ansprüche, wobei das Schichtsystem auf einer Metalloberfläche abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the layer system is deposited on a metal surface. Schichtsystem, aufweisend eine erste galvanisch auf einer Substratoberfläche (1) abgeschiedene Hartchromschicht (3, 5) und eine auf der ersten Hartchromschicht (3, 5) aufgebrachten DLC-Schicht (4), wobei die Hartchromschicht (3, 5) eine Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 300 µm aufweist.Layer system comprising a first electrodeposited on a substrate surface ( 1 ) deposited hard chrome layer ( 3 . 5 ) and one on the first hard chrome layer ( 3 . 5 ) applied DLC layer ( 4 ), wherein the hard chrome layer ( 3 . 5 ) has a layer thickness between 0.5 microns and 300 microns. Schichtsystem gemäß Anspruch 7, wobei die Hartchromschicht (3) eine Härte > 700 HV, vorzugsweise zwischen ≥ 750 HV und ≤ 1100 HV aufweist.Layer system according to claim 7, wherein the hard chrome layer ( 3 ) has a hardness> 700 HV, preferably between ≥ 750 HV and ≤ 1100 HV. Schichtsystem gemäß Anspruch 4, wobei die DLC-Schicht (4) eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 10 µm aufweist.Layer system according to claim 4, wherein the DLC layer ( 4 ) has a layer thickness between 1 .mu.m and 10 .mu.m. Verwendung eines Schichtsystems gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Beschichtung von Ventilbauteilen, insbesondere Gasventilbauteilen.Use of a layer system according to one of claims 7 to 9 for coating valve components, in particular gas valve components.
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