DE102011087667A1

DE102011087667A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht (Diamond-Like Carbon) und Bauteil mit einer DLC-Schicht hergestellt nach dem Verfahren

Info

Publication number: DE102011087667A1
Application number: DE201110087667
Authority: DE
Inventors: Stefan Ungar; Nigel Stothard
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht vorgeschlagen das dadurch gekennzeichnet ist, dass die DLC-Schicht mit einem Hartstoff gestrahlt wird. Durch die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung wird der Verschleiß der DLC-Schicht verringert, die Tragfähigkeit der Oberfläche verbessert und somit die Lebensdauer der DLC-Schicht erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht (Diamond-Like Carbon) auf einem Bauteil mit dem Merkmal aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, sowie ein Bauteil mit einer DLC-Schicht gemäß Patentanspruch 7.
Um die Oberflächenstruktur einer Funktionsschicht, z. B. einer Gleitlageroberfläche, zu beeinflussen wird herkömmlicherweise eine Strukturierung der metallisch blanken Oberfläche vor dem Beschichten vorgenommen. Dies erfolgt meistens mechanisch, z. B. durch Schleifen, Läppen, Polieren, Honen, Strahlen usw.. Die anschließend auf die mechanisch vorbearbeitete Oberfläche aufgebrachte Dünn- oder Funktionsschicht, wie beispielsweise einer DLC-Schicht, bildet mehr oder weniger die Oberflächenrauheit ab. Für die meisten Anwendungen, bei denen die Funktionsschicht einen Reibpartner hat, ist eine geringe Rautiefe für die Verschleißminimierung von Vorteil.
Bekannt ist auch, dass auch berührungslose Verfahren mittels Laser (Mikro-, Nanostrukturierung) nach dem Beschichten der Oberflächen von Bauteilen angewendet werden können. Beispiele hierfür sind das Laserstrukturieren von beschichteten Zylinderlaufbahnen oder das Bürsten von DLC-Schichten (Diamond-Like Carbon) nach dem Beschichten.
Bei dieser Nachbehandlung der Funktionsschicht wird versucht, die Oberflächentopographie so zu verändern, dass das tribologische Verhalten der beschichteten Oberfläche positiv beeinflusst wird. So soll beispielsweise das Ölrückhaltevermögen der Oberfläche erhöht werden, um die Schmierung zu verbessern.
Eine mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche von Dünn- oder Funktionsschichten, wie beispielsweise einer DLC-Schicht, ist oft schwierig wegen der geringen Schichtdicke, der hohen Härte sowie der Schichteigenspannungen. Diese können dazu führen, dass die Schicht bei der Bearbeitung abplatzen kann oder sich Risse bilden können.
Bei thermisch abtragenden Verfahren besteht die Gefahr, dass beispielsweise in einer DLC-Schicht eine Strukturumwandlung (Graphitisierung) stattfindet und die gewünschten Schichteigenschaften zerstört werden. Oft werden auch teure Geräte mit hohen Investitionskosten für die Strukturierung benötigt (gepulste Laser, Bearbeitungszentrum, usw.).
Ein oben aufgeführtes Verfahren wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift, der DE 100 60 931 A1 , beschrieben. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zur Erzeugen von Oberflächen-Ölreservoirs auf beschichtetem Eisen bekannt. Ein Prozess zur Verbesserung der Schmierung von geschmierten Kontakten von duktilen Eisen sieht abrasives Strahlen, bzw. Sandstrahlen und Plasmaätzen der duktilen Eisenkomponente vor der Beschichtung vor. Eine abriebsbeständige Beschichtung oder Beschichtung mit niedriger Reibung, wie beispielsweise einer DLC-Beschichtung, wird dann auf dem Eisensubstrat aufgebracht und die daraus resultierende beschichtete Komponente hat in vorteilhafter Weise aufgrund der Oberflächen-Ölreservoirs eine größere Schmierung als eine entsprechende nicht gestrahlte und nicht beschichtete Komponente.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist die resultierende relativ große Rauheit der Oberfläche aufgrund der Oberflächen-Ölreservoirs, die somit wenig tragende Anteile aufweist und daher für Reibpartner, wie beispielsweise Gleitlager, Zahnräder etc. nicht besonders gut geeignet ist.
Aufgabe der der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem o. g. Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine gezielte Nachbehandlung, das Strahlen oder Mikrostrahlen von DLC-beschichteten Funktionsflächen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird die Topographie der für sich reibarmen, harten, verschleißfesten DLC-Schicht durch das Strahlen bzw. Mikrostrahlen modifiziert und eine Plateau-Tal-Oberfläche auf der DLC-Schichtoberfläche mit großem Traganteil und kleinen Schmiermittelreservoirs erzeugt. Das in einem tribologischen System eingesetzte Schmiermittel wird somit besser zurückgehalten und weniger aus der Kontaktzone verdrängt. Anwendungsbeispiele wären neben weiteren die Nachbehandlung von DLC-beschichteten Komponenten in einem Ventiltrieb oder einem Kurbeltrieb oder einem Getriebe einer Brennkraftmaschine, wie z. B. Schlepphebel, Tassenstößel, Nockenwellen, Kurbelwellen, Lagerungen, oder auch Getriebekomponenten wie z. B. Zahnrädern oder Antriebskegelrädern, usw..
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Einsatz herkömmlicher Strahlmittel, beispielsweise mit einer 200 bis 500 μm-Körnung, kommt für die dünnen DLC-Schichten nicht in Frage, da hier die Schichtdicke nur ca. 1–7 μm beträgt. So hat sich eine durchschnittliche Korngröße des verwendeten Strahlhartstoffs von 3 bis 30 μm als besonders vorteilhaft erwiesen.
Weiter kann der Hartstoff eine sphärische und/oder eine unregelmäßige Oberfläche, wie beispielsweise Glasperlen oder Sand, aufweisen.
Darüber hinaus hat sich ein Strahldruck für das Strahlen von 0,5 bar bis 6 bar, insbesondere 2,5 bis 3,5 bar als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Gute Verfahrensergebnisse werden üblicherweise mit einer Strahldauer für das Strahlen von 10 Sek. bis 5 Min., insbesondere von 90 Sek. bis 3 Min. erzielt.
Besonders bevorzugt wird als Hartstoff für das Strahlen Edelkorund oder Glas verwendet.
Desweiteren kann ein Bauteil mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Eisenwerkstoff bestehen.
Die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung bewirkt somit eine Veränderung der Oberflächenstruktur (Erzeugung einer Plateau-Tal-Oberfläche), die Rauheit der technischen Oberfläche wird durch das Brechen der Rauheitsspitzen reduziert und der Traganteil der Oberfläche wird somit erhöht. Damit werden in vorteilhafter Weise die lokalen Flächenpressungen kleiner und die Lebensdauer der DLC-Schicht verlängert.
Eine DLC-Schicht (Diamond-Like Carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff ist eine Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff für ein Bauteil. Die amorphen Kohlenstoffschichten werden nach VDI 2840 eingeteilt. DLC-Schichten werden z. B. in der Kraftfahrzeugtechnik in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Hier werden bewegliche Teile, wie Nockenwellen, Kurbelwellen, deren Lager, Kolbenringe und Zahnräder mit einer DLC-Schicht beschichtet, um den Verschleiß und die Reibung zu minimieren, um so die Fahrzeuge leistungsstärker und emissionsärmer zu machen. Weiter finden DLC-Schichten beispielsweise auch auf Tiefzieh-, Extrusions- und Presswerkzeugen Verwendung. Bei der Herstellung von DLC-Schichten erfolgt die Abscheidung der Kohlenstoffschichten mit der chemischen (CVD) oder plasmaunterstützen chemischen (PACVD) oder physikalischen (PVD) Gasphasenabscheidung, meist im Vakuum. Sie werden, wie oben bereits ausgeführt, als Dünnschichten in Schichtdicken von wenigen μm abgeschieden. Diese DLC-Schichten, können beispielsweise direkt auf einem metallischen Werkstoff, wie z. B. Stahl- oder einem Leichtmetallwerkstoff, aufgebracht werden. In weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, auf den metallischen Werkstoff eine Haftschicht, auf diese eine Stützschicht und dann die DLC-Schicht aufzubringen. Hierbei kann unter Umständen auch auf die Stützschicht verzichtet werden.
Um die lokalen Flächenpressungen zwischen Reibpartnern zu verringern, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht auf einem Bauteil vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die DLC-Schicht mit einem Hartstoff gestrahlt wird. Hierbei weist der Hartstoff vorzugsweise eine durchschnittliche Korngröße von 3 μm bis 30 μm auf. Weiter kann der Hartstoff eine sphärische und/oder eine unregelmäßige Oberfläche, wie beispielsweise Glasperlen oder Sand, aufweisen. Ein bevorzugter Strahldruck beträgt bei der Bearbeitung 0,5 bis 6 bar, besonders vorzugsweise 2,5 bar bis 3,5 bar. Eine Strahldauer beträgt bevorzugt 10 Sek. bis 5 Min., besonders bevorzugt 90 Sek. bis 3 Min. Als Hartstoff wird vorzugsweise Edelkorund oder Glas verwendet.
Bevorzugt ist das Bauteil mit einer DLC-Schicht für einen Ventiltrieb oder einen Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine vorgesehen. Hierbei kann das Bauteil ein Schlepphebel oder ein Tassenstößel oder eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle oder ein Nockenwellenlager oder ein Kurbelwellenlager sein. Desweiteren kann das Bauteil mit der DLC-Schicht aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Eisenwerkstoff bestehen. Selbstverständlich beschränkt sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf Bauteile in Brennkraftmaschinen, sondern kann für jedes Bauteil mit einer DLC-Schicht eingesetzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht auf einem Bauteil werden folgende Vorteile erzielt:

– Erhöhung der Lebensdauer der DLC-Beschichtung durch Verringerung des Verschleißes. Dies gilt besonders in der Einlaufphase, bis das tribologische System stabil und gleichmäßig läuft.
– Messungen in einer tribologischen Messzelle zur Bestimmung des Reibwertes in Abhängigkeit der Gleitgeschwindigkeiten zeigen, dass durch das Mikrostrahlen eine Verschiebung der sog. Stribeck-Kurve (Die Stribeck-Kurve beschreibt den Verlauf der Reibkraft in Abhängigkeit von der Reibgeschwindigkeit. Sie ist nach dem deutschen Forscher Richard Stribeck benannt.) nach links stattfindet, das bedeutet: – eine Verkürzung der Haftreibung, – eine Verschiebung der Mischreibung zu niedrigeren Drehzahlen bzw. Gleitgeschwindigkeiten.
– Somit kommt das tribologische System viel früher und schneller in die hydrodynamische Gleitreibung. Dadurch wird der Verschleiß der beiden Kontaktpartner deutlich verringert.
– Der Reibwert liegt generell auf einem sehr niedrigen Niveau.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10060931 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

VDI 2840 [0020]

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer DLC-Schicht auf einem Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht mit einem Hartstoff gestrahlt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff eine durchschnittliche Korngröße von 3 μm bis 30 μm aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff eine sphärische und/oder eine unregelmäßige Oberfläche aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahldruck 0,5 bar bis 6 bar, insbesondere 2,5 bar bis 3,5 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahldauer 10 Sekunden bis 5 Minuten, insbesondere 90 Sekunden bis 3 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff Edelkorund oder Glas ist.
Bauteil mit einer DLC-Schicht mit einer Oberflächenbehandlung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für einen Ventiltrieb oder einen Kurbeltrieb oder ein Getriebe einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Bauteil nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Schlepphebel oder ein Tassenstößel oder eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle oder ein Nockenwellenlager oder ein Kurbelwellenlager oder ein Zahnrad oder ein Antriebskegelrad ist.
Bauteil nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Eisenwerkstoff ist.