-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für metallische Werkstücke die z.B. aus Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
-
Zum Schutz vor mechanischem Verschleiß werden derartige Werkstücke, die z.B. in mechanisch hochbelasteten Maschinenkomponenten benutzt werden, üblicherweise beschichtet. Dabei werden z.B. mittels PVD („Physical Vapour Deposition“) aufgebrachte Nitrid oder Carbidschichten verwendet. Auch finden Kombinationsverfahren aus PVD und PECVD („Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition“) beispielsweise bei diamantartigen Kohlenstoffschichten (DLC, „Diamond Like Carbon“) Anwendung.
-
Typischerweise bestehen diese Schichten aus mehreren Einzelkomponenten. So ist es bei Werkstücken, welche einer hohen tribologischen Belastung unterliegen häufig notwendig, den funktionsgebenden Schichtanteil (z.B. Verschleißschutz) mittels einer metallischen, haftvermittelnden Zwischenschicht an die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks anzubinden und damit die Funktion der Schicht zu gewährleisten.
-
Obwohl eine Vielzahl von Schichtsystemen für metallische Werkstücke bekannt sind, besteht die Notwendigkeit und die Nachfrage nach alternativen Schichtsystemen mit ggf. verbesserten Eigenschaften.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Beschichtungslösung für metallische Werkstücke bereitzustellen. Dies wird durch das Beschichtungssystem gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird ein Beschichtungssystem für metallische Werkstücke bereitgestellt, umfassend mindestens eine auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte haftvermittelnde Schicht sowie mindestens eine auf die mindestens eine haftvermittelnde Schicht aufgebrachte funktionsgebende Schicht, wobei die auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte haftvermittelnde Schicht mittels eines HiPIMS-Verfahrens („High Power Impulse Magnetron Sputtering“, auch „High Power Pulse Magnetron Sputtering“ – HPPMS) aufgebracht wurde.
-
Überraschend hat sich herausgestellt, dass so selbst bei Werkstücken mit einer hohen Oberflächenrauhigkeit (d.h. Ra-Werte von 1,5–2μm) eine haftvermittelnde Schicht mit einer glatten Oberfläche mit Ra-Werten im Bereich von Ra 0,012 µm bis Ra 0,05 μm hergestellt werden kann. Die haftvermittelnde Schicht dient somit gleichzeitig als einglättende Schicht.
-
Unter dem Term „metallische Werkstücke“ werden insbesondere Werkstücke aus Metall, insbesondere Eisen, Stahl, Aluminium, Titan oder Legierungen dieser Stoffe verstanden, welche beispielsweise als Bauteile oder Bauelemente, in einem Kraftstoffeinspritzsystems beispielsweise als ein Bestandteil eines Kraftstoffinjektors, oder auch als ein Bestandteil einer Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt werden.
-
Besonders vorzuheben sind in diesem Zusammenhang Anwendungen in den Funktionsgruppen/Maschinenelementen Ventile (Schalt-, Regel-, Dosierventile), Druckerzeuger/-übersetzer (Kolben-Zylinder-Systeme) sowie Gleitlagerungen (radial, axial) und Kupplungen. Diese metallischen Werkstücke, Bauteile werden in ihrer Funktion (Kraftübertragung, Druckerzeugung, Kraftstoffdosierung) mechanisch hoch belastet und erfordern daher eine tribologisch günstige, hohe Oberflächengüte. Typischerweise ist diese hohe Oberflächengüte oft auch für sehr enge (≈ 1 µm ... 2 µm) Toleranzpaarungen notwendig.
-
Unter dem Term „haftvermittelnde Schicht“ wird insbesondere eine Schicht oder ein Schichtsystem verstanden, welche die funktionsgebende Schicht (Verschleißschutz, Abrasionsbeständigkeit, hohe Härte) durch physikalische und chemische Bindungskräfte zwischen den Kontaktoberflächen (Haftschicht-Werkstückoberfläche) an die technisch raue Oberfläche des metallischen Bauteils anbindet. Diese Bindung beruht auch auf der Implantation von Metallionen des Haftschichtmaterials in die Oberfläche (1 nm bis 10 nm) des metallischen Werkstückes sowie auf lokal epitaktischem Wachstum der Haftschicht auf der Oberfläche des metallischen Werkstückes.
-
Die haftvermittelnde Schicht umfasst dabei typischerweise metallische Schichten, aber auch Verbindungsschichten oder Mischschichten mit Metallen mit den Elementen Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff mit Wasserstoff.
-
Die Implantation der Metalle Chrom, Titan, Niob und weitere Übergangsmetalle gehen starke Bindungen mit den Atomen des metallischen Werkstückes ein. Die wesentliche Funktion der haftvermittelnden Schicht ist es, diese Bindung auch unter hoher mechanischer Belastung der Betriebsbeanspruchung sicherzustellen. Die haftvermittelnde Schicht, welche ebenfalls die Glättung der Oberfläche gewährleistet muss nicht zwingend über die Schichtdicke von homogender Beschaffenheit sein. Sie kann Gradienten in der Zusammensetzung über die Schichtdicke aufweisen oder auch über die Schichtdicke zwei bis fünf mal die Zusammensetzung sprunghaft ändern.
-
Falls mehr als eine haftvermittelnde Schicht vorgesehen ist, ist es für den Fachmann verständlich, dass nur die „unterste“ d.h. dem Werkstück am nächsten liegende Schicht auf dem Werkstück aufgebracht ist, während auf die „oberste“, d.h. dem Werkstück am weitesten liegende Schicht die funktionsgebende Schicht aufgebracht ist.
-
Unter dem Term „funktionsgebende Schicht“ wird insbesondere eine Schicht verstanden, welche die mechanische, tribologische Belastbarkeit der Oberfläche des metallischen Werkstückes signifikant verbessert oder/und den Reibwert dieser Oberfläche signifikant senkt. Als signifikante Verbesserung der Eigenschaften wird eine Steigerung der Beanspruchbarkeit um mindestens 20 % angesehen (z. B. Schlagbelastbarkeit, Beanspruchbarkeit unter einsinniger bzw. reversierender Schwing-Reibbelastung, Beanspruchbarkeit der Oberfläche gegen Kratzer/Furchen durch abrasive Partikel, Temperaturbelastbarkeit, Kavitationsbeständigkeit) bzw. eine Verlängerung der Lebensdauer eines hochbelasteten Maschinenelements durch die Beschichtung von mindestens 20% im Vergleich zur unbeschichteten Variante bei gleichbleibender Beanspruchung.
-
Unter dem Term „HiPIMS-Verfahren“ werden Vakuumsputterverfahren verstanden, die unter dem Namen „High Power Impulse Magnetron Sputtering“ und/oder „High Power Puls Magneton Sputtering“ bekannt sind. Insbesondere wird unter diesem Term ein Verfahren verstanden bei dem spezielle Leistungsversorgungen zur Erzeugung des HiPIMS-Plasmapulses zum Einsatz kommen. Diese können bei sehr kurzen Pulsen sehr hohe Strom und Leistungsdichten auf dem Sputtertarget im Vergleich zu herkömmlichem DC-Sputtern erzeugen. Prinzipiell besteht ein HiPIMS-Generator aus einer Kondensatorbank, welche aus einer Leistungsversorgung gespeist wird. Diese Kondensatorbank wird dann über einen Schalter ins Vakuum auf das Sputtertarget entladen. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit wird dabei im Allgemeinen durch eine zwischengeschaltete Induktivität eingestellt und begrenzt oder alternativ durch Halbleiterschaltelemente.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberflächenrauhigkeit der mindestens einen haftvermittelnden Schicht von Ra ≥ 0,012 μm bis Ra ≤ 0,05 μm. Die Implantation der Haftschichtatome in die Oberfläche des metallischen Werkstückes geht dabei bevorzugtdirekt auf die Anwendung des HiPIMS-Verfahrens zurück.
-
Ebenfalls ist eine lokale Epitaxie (die Kristallstruktur der Schicht stimmt mit der Kristallstruktur des metallischen Werkstückes überein, dies kann sich auf Bereiche von bis zu 100 nm2 erstrecken) in industriellem Maßstab mittels der HiPIMS-Technologie erreichbar.
-
Es hat sich herausgestellt, dass bei den meisten Anwendungen die Schichtmikrostruktur der Haftschicht durch das HiPIMS-Verfahren bestimmt wird. Im Gegensatz zum z.B. konventionellen DC-Sputtern, bei dem typische Metallhaftschichten ein säulenförmiges Schichtwachstum aufweisen, weisen die mittels HiPIMS-Verfahren aufgebrachten Schichten oftmals ein dichtes, amorphes, strukturloses Schichtwachstum auf, was insofern eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
-
Ferner werden bei den meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung an durch die Geometrie des metallische Werkstückes bestimmten Kanten keine Wachstumsstörungen in der Mikrostruktur induziert, sondern es findet eine konturgetreue Abbildung durch die Beschichtung statt. Dies stellt somit ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht für metallische Werkstücke, umfassend den Schritt des Aufbringens der haftvermittelnde Schicht mittels eines HiPIMS-Verfahrens.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS-Verfahren bei einer Leistungsdichte im Pulsmaximum von ≥ 1 MW bis ≤ 8 MW. Dies hat sich in der Praxis bewährt. Im Mittel sind die Leistungsdichten wegen der maximalen thermischen Belastbarkeit der Sputterkathoden vergleichbar denen des konventionellen Magnetronsputterns.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Tastgrad der gepulsten Ansteuerung bei ≥ 0,005 bis ≤ 0,05. Dabei werden üblicherweise Stromdichten auf der Targetoberfläche bis zu 5 A/cm2, bei bis zu 1200 V Targetspannung erreicht.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS-Verfahren bei einer erreichten Plasmadichte von ≥ 1017 1/m3 bis zu ≤ 5·1020 1/m3 durchgeführt, bevorzugt von ≥ 1018 1/m3 bis zu ≤ 1020 1/m3. Dies hat sich in der Praxis bewährt und stellt eine besonderen Vorteil der Erfindung dar. Beim konventionellen DC-Magnetronsputtern werden im Vergleich typischerweise Plasmadichten von 1016 1/m3 verwendet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS-Verfahren bei Pulsdauern im Bereich von ≥ 1 µs bis ≤ 3ms, bevorzugt ≤ 500 µs durchgeführt. Bevorzugt liegt dabei die Wiederholfrequenzen der Pulse oder Pulsgruppen bei ≥ 10 Hz bis zu ≤ 10 kHz. Dies führt im Ergebnis dazu, dass bei den meisten in der Praxis beobachteten Verfahrensdurchführungen die zur Schichtbildung führenden Spezies je nach Sputtermaterial bis zu 90% ionisiert am Substrat vorliegt. Dies stellt einen wesentliche Vorteil des HiPIMS-Verfahrens dar.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf die Verwendung eines HiPIMS-Verfahrens zur Herstellung von haftvermittelnden Schichten bei Beschichtungssystemen für metallische Werkstücke
-
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen – beispielhaft – ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:
-
1 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
-
2 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß eines Vergleichsbeispiels
-
1 zeigt eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines Beschichtungssystems 1 für metallische Werkstücke gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist auf die Oberfläche 11 des zu beschichtenden metallischen Werkstücks 10 eine haftvermittelnde Schicht 2 mittels des HiPIMS-Verfahrens aufgebracht worden. Man sieht, dass diese Schicht 2 nicht nur eine glatte Oberfläche liefert, sondern auch die Rauhigkeit der Werkstückoberfläche 11 ausgleicht, d.h. als „einglättende“ Schicht fungiert. Auf die haftvermittelnde Schicht 2 ist die funktionsgebende Schicht 3 aufgebracht worden. Dies kann ebenfalls per HiPIMS, aber auch per konventionellen Verfahren geschehen. Es resultiert ein Werkstück mit einer glatten Oberfläche 4.
-
2 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß eines Vergleichsbeispiels. Die einzelnen Komponenten sind grundsätzlich dieselben, sodass dieselben Nummern verwendet werden. Der Unterschied ist hier jedoch, dass die gemäß eines konventionellen Verfahrens aufgebrachte haftvermittelnde Schicht 2 nicht in der Lage ist, „einglättend“ zu wirken, so dass eine Oberfläche 4 mit einer erheblich größeren Rauhigkeit resultiert.
-
Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendetete Wort umfassen schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Aquivalenten.
