DE102012211242A1

DE102012211242A1 - Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines Bauteils

Info

Publication number: DE102012211242A1
Application number: DE102012211242.1A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Suenderhauf; Frank Stadler; Werner Teschner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-02
Also published as: BR112014032235A2; EP2867521A1; CN104487698A; JP2015528736A; WO2014000963A1; JP6062543B2

Abstract

Ein Verfahren (100) zum Bearbeiten der Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, umfasst die Verfahrensschritte des Vorbehandelns (120) und/oder Reinigens (130) der Oberfläche des Bauteils; des Ausbildens (140) einer Siliziumschicht oder siliziumhaltigen Schicht auf der Oberfläche des Bauteils mittels Abscheidung bei einer ersten Temperatur; des Nachbehandelns (150) der Oberfläche mit der darauf ausgebildeten Schicht bei einer gegenüber dem Schritt zum Ausbilden der Schicht zweiten Temperatur, die größer ist als die erste Temperatur, um eine Eindiffusion von Silizium-Atomen aus der Schicht in die Oberfläche und/oder einen oberflächennahen Bereich des Bauteils zu verstärken; des Abtragens (160) der auf der Oberfläche ausgebildeten Schicht, um die beim Ausbilden (140) und Nachbehandeln der Schicht veränderte Oberfläche zu entblößen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Die Erfindung geht ferner aus von einem Bauteil, insbesondere einer Einspritzdüse, mit nach diesem Verfahren veränderter Oberfläche gemäß Patentanspruch 7.
Bei Bauteilen bzw. Werkstücken, die wie im Falle von Einspritzdüsen als kraftstoffführende Komponenten von Einspritzsystemen eingesetzt werden, besteht die Problematik, dass sich Kraftstoffrückstände als Beläge an den mit dem Kraftstoff in Kontakt stehenden Oberflächen der Bauteile ablagern können. Insbesondere im Bereich der Spritzlöcher von Einspritzdüsen können sich auf der Oberfläche der Spritzlöcher absetzende Beläge aus den Kraftstoffrückständen mit der Zeit die Funktionsfähigkeit einer derartigen Einspritzdüse beeinträchtigen. Indem die kraftstoffführenden Oberflächen mit Schutzbeschichtungen überzogen werden, welche chemisch reaktionsarm gegenüber den Kraftstoffrückständen ausgebildet sind, wird versucht, die Belagsbildung zu begrenzen.
Aus der DE 10 2006 017 449 A1 ist ein System zum Einspritzen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei das System mindestens eine Bauteilkomponente mit einem Hohlraum und/oder einer Bohrung aufweist, wobei im Betrieb des Systems mindestens eine Innenwand des Hohlraums und/oder der Bohrung mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff in Kontakt ist und wobei die mindestens eine Innenwand mindestens eine dem Kraftstoff zuweisende Schutzbeschichtung aufweist. Die Schutzbeschichtung dient zur Vermeidung einer Einwirkung von Korrosion und Abrasion auf die Innenwand.
Aus der DE 10 2008 044 024 A1 ist ein PE-CVD-Beschichtungsverfahren zum Beschichten metallischer Werkstücke, insbesondere von Komponenten von Kraftstoff-Einspritzsystemen bekannt, wobei die metallischen Werkstücke mit einer hochfrequenten Wechselspannung oder einer gepulsten oder ungepulsten Gleichspannung beaufschlagt und einem Plasmastrom aus einem Gasverteiler ausgesetzt werden. Dabei ist vorgesehen, dass die Werkstücke ortsfest relativ zum Gasverteiler angeordnet werden. Die mittels des Beschichtungsverfahrens erhaltene Schutzschicht basiert auf Kohlenwasserstoffen und/oder Silanen und ist abriebsfest. Außerdem dient sie dazu, die Werkstücke vor Korrosion zu schützen.
Aus der WO 2000051732 A1 ist ein Verfahren zum Verändern einer Festkörperoberfläche bekannt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt wasserstoffhaltiges amorphes Silizium auf der Oberfläche durch thermische Zerlegung bei einer erhöhten Temperatur von Siliziumhydridgas abgeschieden, um Silan-Radikale zu bilden, welche rekombinieren, um die Oberfläche mit wasserstoffhaltigem amorphem Silizium zu beschichten, und in einem zweiten Verfahrensschritt wird die beschichtete Oberfläche funktionalisiert, indem das Substrat einem Reagens, welches eine ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe aufweist, unter einem vorbestimmten Druck und einer erhöhten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgesetzt wird.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den Prozessschritt des Beschichtens die von der aufgebrachten Schicht bedeckte Substratoberfläche eines Bauteils sich während des Prozesses verändert, indem in die Oberflächenzone des Substrats Silizium-Fremdatome eindiffundieren und dabei aufgrund dieser Eindiffusion die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Oberflächenzone verändert werden, und in einem weiteren Prozessschritt die aufgebrachte Schicht abgetragen wird, wobei die während der Diffusion veränderte Substratoberfläche entblößt wird. Die durch die Eindiffusion von Silizium-Fremdatomen veränderte Oberflächenzone ist nach Abtragung der Schicht inertisiert, d.h. sie ist beispielsweise gegenüber Kraftstoffrückständen reaktionsarm und wirkt daher einer Belagsbildung entgegen.
Insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf kraftstoffführende Bauteile wie Einspritzdüsen wird im funktionssensitiven Bereich der Spritzlöcher deren Spritzlochoberflächen, d.h. deren Manteloberflächen, erfindungsgemäß so verändert, dass diese sich gegenüber Kraftstoffrückständen chemisch weitgehend inert verhalten, wodurch einer belagsbildenden und somit querschnittsverengenden Verkokung der Spritzmantelflächen entgegengewirkt wird, so dass die Funktionssicherheit und mithin die Lebensdauer erfindungsgemäß behandelter Einspritzdüsen über einen langen Zeitraum weitgehend aufrechterhalten bleibt. Vorteilhaft ist dabei zudem, dass der nach dem im Rahmen einer Vorbehandlung einer Einspritzdüse standardmäßig durchgeführten hydroerosiven Verrunden erzielte Innenquerschnitt der Spritzlöcher und deren damit verknüpfte Kenncharakteristik aufgrund der zum Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgenden Abtragung der aufgebrachten Schicht im wesentlichen wieder hergestellt wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit welcher die unter der ausgebildeten Schicht vergrabene Oberfläche definiert und – in der Serienfertigung von Bauteilen – mit hoher Reproduzierbarkeit bloßgelegt wird, erfolgt das Abtragen der Schicht in wenigstens einem Reinigungsschritt mittels Ultraschallreinigen mit einer von der Dicke der ausgebildeten Schicht und von der Art eines dabei verwendeten Reinigungsmittels abhängigen Zeitdauer. Zusätzlich wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtragen der Schicht diese einer alkalischen Lösung ausgesetzt. Dazu wird eine alkalische Lösung mit einem stark basischen pH-Wert, vorzugsweise mit einem pH-Wert von etwa 14, eingesetzt.
Gemäß einer kostengünstig durchführbaren und technisch relativ einfach zu beherrschenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Verfahrensschritt zum Ausbilden der Schicht auf der Oberfläche des Bauteils mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Dabei wird zum Ausbilden der Schicht auf der Oberfläche wasserstoffhaltiges amorphes Silizium auf dieser Oberfläche abgeschieden.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und in der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in schematischer Darstellung:
1 ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Prozessschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verändern der Oberfläche eines Bauteils,
2 das Bauteil in Querschnittansicht zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 das Bauteil von 2 mit auf dessen Oberfläche ausgebildeter Siliziumschicht, wobei während eines Verfahrensschritts des Nachbehandelns eine Diffusion von Siliziumatomen aus der Siliziumschicht in den oberflächennahen Bereich des Bauteils erfolgt, und
4 das Bauteil von 3 im Anschluss an einen erfindungsgemäßen Verfahrensschritt, wobei die auf der Oberfläche des Bauteils ausgebildete Siliziumschicht abgetragen ist und die aus der Schicht herausdiffundierten Siliziumatome im oberflächennahen Bereich des Bauteils verbleiben.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in 1 in seiner Gesamtheit mit 100 bezeichnete Flussdiagramm veranschaulicht die wesentlichen Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten bzw. Verändern der Substratoberfläche eines Bauteils. Nach einem ersten Prozessschritt 110, bei welchem das Bauteil gefertigt wird, wird dieses Bauteil in einem Schritt 120 einer Vorbehandlung unterzogen, indem beispielsweise bei einer Einspritzdüse deren Spritzlöcher hydroerosiv verrundet werden.
In einem daran anschließenden Prozessschritt 130 erfolgt das Reinigen der Oberfläche des Bauteils mittels einer chemischen Reinigungslösung wie z.B. Aceton. Dieser Nassreinigungsschritt 130 dient dazu, die chemische Sauberkeit der nachfolgend zu bedampfenden Substratoberfläche des Bauteils sicherzustellen.
Danach wird in einem weiteren Prozessschritt 140, bei dem das Bauteil in eine Reaktionskammer, d.h. einen Reaktor, eingesetzt wird, auf der gereinigten Oberfläche des Bauteils eine Schicht ausgebildet, die mittels CVD („chemical vapor deposition“) bzw. chemischer Gasphasenabscheidung als Siliziumschicht oder als zumindest siliziumhaltige Schicht bei einer Prozesstemperatur bzw. Aufwachstemperatur von etwa 400°C auf der Oberfläche aufgedampft bzw. abgeschieden wird, indem wasserstoffhaltiges amorphes Silizium auf die Oberfläche aufgebracht wird. Bei diesem Prozessschritt 140 verändert sich aufgrund der erhöhten Prozesstemperatur von etwa 400°C durch einen dadurch initiierten Diffusionsprozess, bei dem Siliziumatome aus der Schicht in die Oberfläche bzw. Oberflächenzone eindiffundieren, die Oberfläche bzw. Oberflächenzone des Substrats des Bauteils. In einem darauf folgenden Prozessschritt 150 wird die Prozesstemperatur T gegenüber der im vorherigen Schritt 140 eingestellten ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur erhöht, so dass T > 400 °C ist, um den bereits im vorherigen Schritt 140 eingeleiteten Diffusionsprozess von Silizium-Fremdatomen aus der aufgebrachten Schicht in die Oberflächenzone des Substrats fortzusetzen bzw. zu verstärken und dadurch die physikalisch-chemische Veränderung der Oberflächenzone des Substrats des Bauteils weiter fortzusetzen.
Im Anschluss daran wird in einem Prozessschritt 160 diese aufgewachsene Schicht im wesentlichen vollständig abgetragen, um die durch das Ausbilden der Schicht gemäß Schritt 140 und durch das Nachbehandeln gemäß Schritt 150 physikalisch und chemisch veränderte Oberfläche des Bauteils zu entblößen. Dazu wird das zuvor gemäß Prozessschritt 140 beschichtete und gemäß Schritt 150 nachbehandelte Bauteil in einem Ultraschallbad gereinigt mit einer von der Dicke der ausgebildeten Schicht und von der Art eines dabei verwendeten Reinigungsmittels abhängigen Zeitdauer, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Schichtdicke der Schicht bei etwa 100 bis 500 nm liegt, etwa 45 Minuten beträgt. Außerdem wird die Schicht mittels einer alkalischen Lösung wie beispielsweise Aceton abgetragen, die einen stark basischen pH-Wert aufweist, der bevorzugt einem Wert von etwa 14 entspricht. Dieses pH-Milieu wird so gewählt, um im bevorzugten Anwendungsfall eines aus Stahl gebildeten Bauteils einen genügend großen Abstand zu dem kritischen pH-Wert pH = 5, bei dem auch rostfreie Stähle rosten, einzuhalten.
2 veranschaulicht das Bauteil 1 zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten der Oberfläche 2 und zwar nach dem Prozessschritt 130, d.h. nach dem Reinigen der Oberfläche 2 des Bauteils 1.
3 veranschaulicht das Bauteil 1 mit auf dessen Oberfläche 2 ausgebildeter Siliziumschicht in einer Verfahrensstufe während des Prozessschritts 150, welcher dem Nachbehandeln der Oberfläche 2 dient. Aufgrund der beim Prozessschritt 150 eingestellten zweiten Temperatur, die höher ist als die beim vorherigen Prozessschritt 140 eingestellte erste Temperatur, wird die bereits beim Schritt 140 eingeleitete Diffusion von Siliziumatomen 4 aus der Schicht 3 in die Oberfläche 2 und den darunter liegenden oberflächennahen Bereich des Bauteils 1 fortgesetzt und verstärkt.
4 veranschaulicht das Bauteil 1 im Anschluss an den zum Abtragen der Schicht 3 dienenden Verfahrensschritt 160. Dabei ist die auf der Oberfläche 2 ausgebildete Schicht 3 (vgl. 3) abgetragen und die in die Oberfläche 2 und den darunter liegenden oberflächennahen Bereich eindiffundierten Siliziumatome 4 verbleiben dort als in die Mikrostruktur des Bauteils 1 eingelagerte Fremdatome. Aufgrund der Einlagerung der Silizium-Fremdatome 4 in die Mikrostruktur dieser vom Diffusionsprozess erfassten Oberflächenzone des Bauteils 1 ändern sich die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche 2 und damit auch deren chemische Eigenschaften.
Zusammenfassend dient das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum Bearbeiten bzw. Verändern der Oberfläche eines Bauteils oder Werkstücks, insbesondere einer Einspritzdüse, und umfasst die Verfahrensschritte des Vorbehandelns 120 und/oder Reinigens 130 der Oberfläche des Bauteils, des Ausbildens 140 einer Siliziumschicht oder siliziumhaltigen Schicht auf der Oberfläche des Bauteils als Substrat mittels Abscheidung bei einer vorbestimmten Temperatur, des Nachbehandelns 150 der Oberfläche mit der darauf ausgebildeten Schicht bei einer gegenüber dem Schritt zum Ausbilden der Schicht höheren Temperatur, um eine Eindiffusion von Silizium-Fremdatomen aus der Schicht in eine Oberflächenzone des Substrats des Bauteils zu verstärken, und des Abtragens 160 der auf der Oberfläche ausgebildeten Schicht, um die durch das Ausbilden 140 der Schicht veränderte Oberfläche zu entblößen, die aufgrund der Diffusionsvorgänge eine physikalisch-chemische Veränderung der Oberflächenzonenstruktur und mithin ein chemisch weitgehend inertes Verhalten insbesondere gegenüber Kraftstoffrückständen aufweist.
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 102006017449 A1 [0003]
DE 102008044024 A1 [0004]
WO 2000051732 A1 [0005]

Claims

Verfahren (100) zum Bearbeiten der Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Einspritzdüse, mit folgenden Verfahrensschritten: – Vorbehandeln (120) und/oder Reinigen (130) der Oberfläche (2) des Bauteils (1); – Ausbilden (140) einer Siliziumschicht oder siliziumhaltigen Schicht (3) auf der Oberfläche (2) des Bauteils mittels Abscheidung bei einer ersten Temperatur; – Nachbehandeln (150) der Oberfläche (2) mit der darauf ausgebildeten Schicht (3) bei einer gegenüber dem Schritt (140) zum Ausbilden der Schicht zweiten Temperatur, die größer ist als die erste Temperatur, um eine Eindiffusion von Silizium-Atomen (4) aus der Schicht in die Oberfläche und/oder einen oberflächennahen Bereich des Bauteils zu verstärken; – Abtragen (160) der auf der Oberfläche (2) ausgebildeten Schicht (3), um die beim Ausbilden und Nachbehandeln der Schicht veränderte Oberfläche zu entblößen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen (160) der Schicht (3) in wenigstens einem Reinigungsschritt mittels Ultraschallreinigen mit einer von der Dicke der ausgebildeten Schicht (3) und von der Art eines dabei verwendeten Reinigungsmittels abhängigen Zeitdauer erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtragen (160) der Schicht (3) diese einer alkalischen Lösung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtragen (160) der Schicht (3) eine alkalische Lösung mit einem stark basischen pH-Wert, vorzugsweise mit einem pH-Wert von etwa 14, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Ausbilden (140) der Schicht (3) auf der Oberfläche (2) des Bauteils mittels chemischer Gasphasenabscheidung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden (140) einer Schicht (3) auf der Oberfläche (2) wasserstoffhaltiges amorphes Silizium auf der Oberfläche abgeschieden wird.
Bauteil, insbesondere eine Einspritzdüse, mit gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 veränderter Oberfläche.