DE102016210507B4 - Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement sowie Maschinenelement - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche (1) an einem Maschinenelement (2), wobei die Gleitfläche (1) des Maschinenelements (2) für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wobei zunächst eine Oberflächenstruktur (3) mittels Laser in zumindest einen Teilbereich einer Oberfläche des Maschinenelements (2) eingebracht wird, wobei unmittelbar danach eine Beschichtung (4) zumindest teilweise in dem Teilbereich auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements (2) aufgebracht wird, und dass die Gleitfläche (1) zumindest einen Bereich des Maschinenelements (2) umfassend bereitgestellt wird, in welchem die Oberflächenstruktur (3) mit darauf aufgebrachter Beschichtung (4) vorliegt, und wobei die Beschichtung (4) zumindest teilweise durch ein PVD-Verfahren und/oder ein PACVD-Verfahren und/oder ein CVD-Verfahren aufgebracht wird, und wobei die Beschichtung (4) zumindest teilweise nasschemisch ausgebildet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Maschinenelement mit einer Gleitfläche.
- Die
DE 10 2009 060 924 A1 beschreibt eine Struktur enthaltend einen Festschmierstoff für eine vakuumtribologische Anwendung. Dabei wird auf einer Substratbasis ein Schichtsystem, umfassend eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff ausgebildet und im Schichtsystem oder in der Substratbasis und im Schichtsystem mittels eines Laserinterferenzverfahrens eine Vertiefungsstruktur ausgebildet, die mit einem Festschmierstoff gefüllt wird. - Die
DE 698 31 675 T2 offenbart ein selbstschmierendes Lager. Ein Substrat wird durch einen diskontinuierlichen Laserstrahl mit Strukturen auf dessen Oberfläche versehen. Das Substrat kann dabei mittels nasschemischer Verfahren, wie Galvanisieren, Chromat- oder Phosphatbehandlungen, Eloxieren oder chemisches Beizen, behandelt sein. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement sowie ein Maschinenelement mit einer Gleitfläche weiterzuentwickeln.
- Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
- Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement, wobei die Gleitfläche des Maschinenelements für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wird zunächst eine Oberflächenstruktur mittels Laser in zumindest einen Teilbereich einer Oberfläche des Maschinenelements eingebracht, wobei unmittelbar danach eine Beschichtung zumindest teilweise in dem Teilbereich auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements aufgebracht wird, wobei die Gleitfläche zumindest einen Bereich des Maschinenelements umfassend bereitgestellt wird, in welchem die Oberflächenstruktur mit darauf aufgebrachter Beschichtung vorliegt, und wobei die Beschichtung zumindest teilweise durch ein PVD-Verfahren und/oder ein PACVD-Verfahren und/oder ein CVD-Verfahren aufgebracht wird, und wobei die Beschichtung zumindest teilweise nasschemisch gebildet wird.
- Mit anderen Worten findet zwischen dem Einbringen der Oberflächenstruktur mittels Laser in die Oberfläche des Maschinenelements und der Beschichtung der strukturierten Oberfläche des Maschinenelements kein weiteres Verfahren zur Behandlung der Oberfläche des Maschinenelements statt. Somit erfolgt die Beschichtung der strukturierten Oberfläche des Maschinenelements ohne eine weitere Nachbehandlung, wie beispielsweise Polieren oder Kugelstrahlen der strukturierten Oberfläche des Maschinenelements.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gleichmäßige Beschichtung ausgebildet, deren Beschichtungsoberfläche die Oberflächenstruktur abbildet, auf welcher sie abgeschieden bzw. ausgebildet wurde. Im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen die Beschichtungsoberfläche selbst strukturiert und damit lokal in der Schichtdicke vermindert und bearbeitet wird, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beständige und gleichmäßig beanspruchbare Gleitflächen ausbilden, die unempfindlicher gegen Abplatzer oder Rissbildung im Bereich der Beschichtung sind. Es entstehen Gleitflächen mit hoher Verschleißresistenz und Haltbarkeit.
- Die Oberflächenstruktur ist zumindest in einem Teilbereich der Oberfläche des Maschinenelements ausgebildet, wobei die Beschichtung diesen Teilbereich ganz oder auch nur teilweise bedecken kann. Dabei kann eine Gleitfläche gleichzeitig sowohl Bereiche des Maschinenelements umfassen, die die Oberflächenstruktur aufweisen und die die beschichtete Oberflächenstruktur aufweisen. Ferner ist es aber auch denkbar, dass die Oberflächenstruktur und die Beschichtung an der gesamten Oberfläche des Maschinenelements ausgebildet sind.
- Die Oberflächenstruktur ist insbesondere zur Aufnahme von Schmiermittel vorgesehen. Mithin kann mittels der Oberflächenstruktur das Schmiermittel in der Gleitfläche zwischen den beiden Maschinenelementen gehalten bzw. gezielt geführt werden. Dabei kann die Oberflächenstruktur aus einer Vielzahl von identischen oder unterschiedlichen Vertiefungsgeometrien mit unterschiedlichen Formen und Tiefen bestehen. Ferner können die jeweiligen Vertiefungsgeometrien hinsichtlich des Schmiermittelflusses miteinander kommunizieren oder derart beabstandet voneinander ausgebildet sein, dass ein Schmiermittelfluss zwischen den jeweiligen Vertiefungsgeometrien verhindert wird. Beispielsweise können die Vertiefungsgeometrien als konzentrische Rillen, unterbrochene konzentrische Rillen, hexagonale Lochstrukturen, Linienstrukturen und Punktstrukturen ausgebildet sein. Auch Kombinationen derartiger Vertiefungsgeometrieen haben sich bewährt,
- Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Vertiefungsgeometrien als konzentrische Rillen ausgebildet. Insbesondere beträgt die Rillentiefe zwischen 0,1 µm und 1µm , wobei die Rillenbreite zwischen 10µm und 100µm beträgt. Ein radialer Abstand zwischen den konzentrischen Rillen liegt vorzugsweise im Bereich von 10µm bis 150µm.
- Unter einer Beschichtung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Einzelschicht verstanden. Insbesondere können dabei auch mehrere Einzelschichten zumindest teilweise übereinander und/oder nebeneinander als Schichtsystem ausgebildet sein. Dabei können mehrere Einzelschichten aus gleichen Beschichtungsmaterialien oder aus unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien oder aus einigen gleichen und weiteren unterschiedlichen Beschichtungsmaterialeien ausgebildet sein. Auch kann die Schichtdicke der Einzelschichten voneinander abweichen.
- Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Oberflächenstruktur durch ein direktschreibendes Lasermikrostrukturierungsverfahren und/oder durch ein direktschreibendes Laserinterferenzstrukturierungsverfahren zumindest teilweise in die Oberfläche des Maschinenelements eingebracht wird. Mithin kann die Oberflächenstruktur durch das direktschreibende Lasermikrostrukturierungsverfahren oder durch das direktschreibende Laserinterferenzstrukturierungsverfahren erzeugt werden. Ferner ist es aber auch denkbar, dass die Oberflächenstruktur durch das direktschreibende Lasermikrostrukturierungsverfahren und durch das direktschreibende Laserinterferenzstrukturierungsverfahren erzeugt wird.
- Mittels des direktschreibenden Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens wird eine Oberflächenstruktur mit geringerer Tiefe im Vergleich zum direktschreibenden Lasermikrostrukturierungsverfahren erzeugt. Durch die Kombination beider Verfahren kann somit eine Oberflächenstruktur geschaffen werden, die unterschiedliche Tiefen aufweist. Die Einwirkdauer des Lasers, insbesondere der Laserpulse in der Oberfläche des Maschinenelements zur Ausbildung der Oberflächenstruktur liegt vorzugsweise im Femtosekunden- bis Nanosekundenbereich. Insbesondere beträgt die Pulsdauer des Lasers zwischen 100fs und 100ns. Ferner ist die Wellenlänge des Lasers derart auf die Oberfläche des Maschinenelements abzustimmen, dass eine vollständige Verdampfung der Oberfläche des Maschinenelements in der Einwirkzone der Laserstrahlung stattfindet. Insbesondere beträgt die Wellenlänge des Lasers zwischen 450nm und 650nm, vorzugsweise zwischen 500nm und 600nm. Dies verhindert insbesondere eine Gratbildung und Aufwürfe an den Vertiefungsgeometrien. Die einzustellende Wellenlänge ist insbesondere von dem Werkstoff abhängig, aus dem das Maschinenelement gebildet ist.
- Erfindungsgemäß wird die Beschichtung zumindest teilweise durch ein PVD-Verfahren und/oder ein PACVD-Verfahren und/oder ein CVD-Verfahren aufgebracht. Mit anderen Worten wird die Beschichtung bevorzugt nach mindestens einem Verfahren gemäß PVD (Physical Vapour Deposition) oder PACVD (Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht. Im PVD-Verfahren werden beispielsweise durch Sputtern Partikeln aus einem Targetmaterial herausgelöst und in einem Plasma auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements transportiert. Bei einem CVD-Verfahren erfolgt die Schichtabscheidung an der erhitzten strukturierten Oberfläche des Maschinenelements aufgrund einer chemischen Reaktion aus einer Gasphase. Ferner erfolgt beim PACVD-Verfahren die Schichtabscheidung durch Plasma-unterstützte chemische Reaktion aus einer Gasphase.
- Erfindungsgemäß wird in Kombination die Beschichtung auch zumindest teilweise nasschemisch ausgebildet. Dabei hat es sich insbesondere bewährt, eine Phosphatierung oder Brünierung durchzuführen. Bei der Phosphatierung wird durch eine chemische Reaktion der Gleitfläche des Maschinenelements mit einer wässrigen Phosphat-Lösung eine sogenannte Konversionsschicht aus fest anhaftenden Metallphosphaten gebildet. Auch beim Brünieren wird eine Konversionsschicht erzeugt, jedoch wird diese Konversionsschicht durch saure bzw. alkalische Lösungen oder Salzschmelzen erzeugt, wobei die gebildete Konversionsschicht aus Mischoxiden besteht.
- Weiterhin kann die Beschichtung umfassend mehrere Einzelschichten ausgebildet werden, wobei eine oder mehrere dieser Einzelschichten mittels einer Gasphasenabscheidung gebildet werden und eine oder mehrere dieser Einzelschichten nasschemisch abgeschieden werden. Die Einzelschichten zur Ausbildung einer Beschichtung können sich demnach in Flächenausdehnung und/oder Schichtdicke und/oder Schichtmaterial und/oder im Verfahren zur Herstellung unterscheiden.
- Die Aufgabe wird weiterhin für das Maschinenelement umfassend eine Gleitfläche, die für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass die Gleitfläche nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.
- Das Maschinenelement ist insbesondere dazu vorgesehen, in einem Gleit-Wälzkontakt zu dem weiteren Maschinenelement zu stehen. Insbesondere ist das Maschinenelement als Tassenstößel ausgebildet. Ferner kann das Maschinenelement auch als hebelartiger Nockenfolger für ein Ventiltriebsystem einer Brennkraftmaschine oder als Komponente einer Pumpe ausgebildet sein.
- Das Maschinenelement ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gebildet, insbesondere aus Stahl.
- Bevorzugt ist die Beschichtung zumindest teilweise aus amorphem Kohlenstoff und/ oder Chrom und/oder aus Wolfram und/oder aus Titan und/oder aus Molybdän und/oder aus Eisen und/oder aus Eisenoxid und/oder aus Eisenphosphat ausgebildet. Amorpher Kohlenstoff ist ferner unter der Bezeichnung DLC (Diamond Like Carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff bekannt. Eine DLC-Beschichtung ist bevorzugt über ein PVD-, CVD- oder PACVD-Verfahren ausgebildet.
- Weiterhin hat sich eine Hartverchromung als Beschichtung bewährt. Zur Ausbildung einer Beschichtung in Form einer Hartverchromung ist vorzugsweise ein nasschemisches Abscheideverfahren vorgesehen.
- Ferner bevorzugt umfasst die Beschichtung Hartstoffe. Unter dem Begriff „Hartstoffe“ sind insbesondere Nitride, Karbide und Oxide zu verstehen.
Die Beschichtung hat neben einer Reibungsreduzierung ebenso positive Auswirkungen auf das Korrosionsverhalten und die Dauerfestigkeit der Gleitfläche des Maschinenelements. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung eine Schichtdicke von höchstens 10µm auf. - Es zeigen
-
1 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer nicht-erfindungsgemäßen Gleitfläche eines Maschinenelements, und -
2 eine schematische Perspektivdarstellung des nicht-erfindungsgemäßen Maschinenelements gemäß1 . - Gemäß
1 weist ein - hier nur teilweise dargestelltes - Maschinenelement2 aus Stahl in einem Bereich eine Gleitfläche1 auf, die für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren - hier nicht dargestellten - Maschinenelement vorgesehen ist. Die Gleitfläche1 ist durch die Beschichtungsoberfläche der Beschichtung4 bereitgestellt, die eine Oberflächenstruktur3 mit einer Vielzahl von Vertiefungen abbildet. Zur Herstellung der Gleitfläche1 wird zunächst die Oberflächenstruktur3 mittels Laser in eine Oberfläche des Maschinenelements2 eingebracht, wobei unmittelbar nach der Ausbildung der Oberflächenstruktur3 die Beschichtung4 auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements2 aufgebracht wird. Die Oberflächenstruktur3 wird durch ein direktschreibendes Lasermikrostrukturierungsverfahren und durch ein direktschreibendes Laserinterferenzstrukturierungsverfahren in die Oberfläche des Maschinenelements2 eingebracht. Dadurch weist die Oberflächenstruktur3 unterschiedlich tiefe Abschnitte auf. Ferner wird die Beschichtung4 durch ein CVD-Verfahren auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements2 aufgebracht. Die Beschichtung4 ist aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet und weist eine Schichtdicke von 1 µm auf. Eine nachfolgende lokale Abtragung der aufgebrachten Beschichtung4 erfolgt nicht. - Nach
2 ist das Maschinenelement2 als Tassenstößel ausgebildet. Sowohl eine Tassenstößelmantelfläche5 als auch eine Tassenstößelstirnfläche6 des Tassenstößels weisen zur Reibungsreduzierung eine Beschichtung4 auf, die auf einer Oberflächenstruktur3 ausgebildet wurde, die mittels Laser in der Oberfläche des Tassenstößels erzeugt wurde. Die Oberflächenstruktur3 wurde durch stellenweises Verdampfen bzw. Sublimieren der Tassenstößelmantelfläche5 und der Tassenstößelstirnfläche6 erzeugt. Die im Bereich der Oberflächenstruktur3 gebildete Beschichtung4 bildet die dreidimensionale Struktur aufgrund ihrer geringen Schicht-dicke unmittelbar ab und stellt die strukturierte Gleitfläche1 bereit. Die Vertiefungen in der Gleitfläche1 optimieren das Ölhaltevermögen und den Schmierfilmaufbau an der Tassenstößelmantelfläche5 und der Tassenstößelstirnfläche6 . In diesem Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung als nasschemisch erzeugte Hartverchromung ausgebildet. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gleitfläche
- 2
- Maschinenelement
- 3
- Oberflächenstruktur
- 4
- Beschichtung
- 5
- Tassenstößelmantelfläche
- 6
- Tassenstößelstirnfläche
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche (1) an einem Maschinenelement (2), wobei die Gleitfläche (1) des Maschinenelements (2) für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wobei zunächst eine Oberflächenstruktur (3) mittels Laser in zumindest einen Teilbereich einer Oberfläche des Maschinenelements (2) eingebracht wird, wobei unmittelbar danach eine Beschichtung (4) zumindest teilweise in dem Teilbereich auf die strukturierte Oberfläche des Maschinenelements (2) aufgebracht wird, und dass die Gleitfläche (1) zumindest einen Bereich des Maschinenelements (2) umfassend bereitgestellt wird, in welchem die Oberflächenstruktur (3) mit darauf aufgebrachter Beschichtung (4) vorliegt, und wobei die Beschichtung (4) zumindest teilweise durch ein PVD-Verfahren und/oder ein PACVD-Verfahren und/oder ein CVD-Verfahren aufgebracht wird, und wobei die Beschichtung (4) zumindest teilweise nasschemisch ausgebildet wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (3) durch ein direktschreibendes Lasermikrostrukturierungsverfahren und/oder durch ein direktschreibendes Laserinterferenzstrukturierungsverfahren gebildet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der nasschemisch ausgebildete Teil der Beschichtung (4) durch Phosphatieren oder Brünieren gebildet wird. - Maschinenelement (2), umfassend eine Gleitfläche (1), die für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wobei die Gleitfläche (1) nach einem Verfahren gemäß einem der
Ansprüche 1 bis3 ausgebildet ist. - Maschinenelement (2) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) zumindest teilweise aus amorphem Kohlenstoff und/oder aus Chrom und/oder aus Wolfram und/oder aus Titan und/oder aus Molybdän und/oder aus Eisen und/oder aus Eisenoxid und/oder aus Eisenphosphat ausgebildet ist. - Maschinenelement (2) nach
Anspruch 4 oderAnspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) Hartstoffe umfasst. - Maschinenelement (2) nach einem der
Ansprüche 4 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Schichtdicke von höchstens 10µm aufweist. - Maschinenelement (2) nach einem der
Ansprüche 4 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (2) als Motorenelement ausgebildet ist. - Maschinenelement (2) nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (2) als Tassenstößel oder Schlepphebel ausgebildet ist.
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