DE102016216428A1

DE102016216428A1 - Gleitelement mit MAX-Phasen-Beschichtung

Info

Publication number: DE102016216428A1
Application number: DE102016216428.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bastuck
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN109642305A; WO2018041770A1; EP3507392A1; US20190194795A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, ein Verfahren zur Herstellung desselben, und die Verwendung des Gleitelementes in einem tribologischen System, wobei das Gleitelement eine Beschichtung aufweist, die, von innen nach außen, zumindest eine Haftschicht und eine MAX-Phasen-Schicht aufweist. Die MAX-Phasen-Schicht weist dabei die Zusammensetzung Mn+1AXn (n = 1, 2, 3) auf, wobei M ein Element aus der Gruppe Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf und Ta bezeichnet, A ein Element aus der Gruppe Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl und Pb bezeichnet und X die Elemente C oder N bezeichnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer MAX-Phasen-Beschichtung. Ein erfindungsgemäßes Gleitelement zeichnet sich durch vorteilhafte tribologische Eigenschaften aus.
Stand der Technik
In Motoren werden derzeit zur Verlängerung der Lebensdauer von Gleitelementen, beispielsweise Kolbenringe, Beschichtungen mit hohen Verschleißwiderständen eingesetzt. Metallische, keramische oder DLC-Schichtsysteme sind Stand der Technik und werden bereits großflächig in industriellen Anwendungen eingesetzt. Je nach Schichtsystem sind dabei die metallischen, keramischen oder DLC-Eigenschaften ausgeprägt. In der Stärke der einzelnen Schichtsysteme liegt gleichzeitig auch eine Limitierung der einstellbaren und damit nutzbaren relevanten Eigenschaften für ein angestrebtes breites Kennfeld in einem tribologischen Beanspruchungskollektiv wie zum Beispiel einem Verbrennungsmotor. Bei gewünschten niedrigen Reibungskoeffizienten wird dabei insbesondere auf kohlenstoffhaltige Metallschichtsysteme oder DLC-Schichtsysteme gesetzt. DLC-Beschichtungen decken einen Großteil der geforderten Eigenschaften, wie zum Beispiel niedrige Reibung, hoher Verschleißwiderstand und maximale Verschleißbeständigkeit bei Mangelschmierung ab. Sie zeigen aber auch Ihre Limitierungen, wie zum Beispiel Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, mechanische Bearbeitbarkeit verglichen zu Metallen oder mangelnde Synergieeffekte mit eingesetzten Additiven in Motorenölen.
Ferner sind aus dem Stand der Technik sogenannte MAX-Phasen bekannt, die aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität und elektrischen Leitfähigkeit auch als Beschichtung von Bauteilen in entsprechenden Anwendungsgebieten verwendet werden. Die MAX-Phasen sind eine Materialfamilie von nanoschichtigen Verbundstoffen mit der Zusammensetzung M_(n+1)AX_(n), wobei n = 1 bis 3 ist. M bezeichnet ein Übergangsmetall, A ist ein A-Gruppen Element und X bezeichnet Stickstoff und/oder Kohlenstoff. Die hexagonale Struktur der MAX-Phasen besteht aus mit A-Gruppenelementschichten verschachtelten Oktaedern. Die Übergangsmetalle umfassen hierbei Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf und Ta, die A-Gruppen-Elemente Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl und Pb.
Die Kristallgitter der Max-Phasen bilden sich in den Einheitszellen (211), (312) & (413) aus. Mögliche MAX-Phasen sind:
Einheitszelle Typ 211:

Ti₂CdC, Sc₂InC, Ti₂AlC, Ti₂GaC, Ti₂InC, Ti₂TlC, V₂AlC, V₂GaC, Cr₂GaC, Ti₂AlN, Ti₂GaN, Ti₂InN, V₂GaN, Cr₂GaN, Ti₂GeC, Ti₂SnC, Ti₂PbC, V₂GeC, Cr₂AlC, Cr₂GeC, V₂PC, V₂AsC, Ti₂SC, Zr₂InC, Zr₂TlC, Nb₂AlC, Nb₂GaC, Nb₂InC, Mo₂GaC, Zr₂InN, Zr₂TlN, Zr₂SnC, Zr₂PbC, Nb₂SnC, Nb₂PC, Nb₂AsC, Zr₂SC, Nb₂SC, Hf₂InC, Hf₂TlC, Ta₂AlC, Ta₂GaC, Hf₂SnC, Hf₂PbC, Hf₂SnN, Hf₂SC

Einheitszelle Typ 312:

Ti₃AlC₂, V₃AlC₂, Ti₃SiC₂, Ti₃GeC₂, Ti₃SnC₂, Ta₃AlC₂

Einheitszelle Typ 413:

Ti₄AlN₃, V₄AlC₃, Ti₄GaC₃, Ti₄SiC₃, Ti₄GeC₃, Nb₄AlC₃, Ta₄AlC₃

Da die M-X Bindungen von starker kovalenter Natur sind, zeigen die M_(n+1)AX_(n)-Phasen typisch keramische Eigenschaften.
Andererseits sind die M-A Bindungen verhältnismäßig schwach, daher zeigen M_(n+1)AX_(n)-Phasen ebenfalls metallische Eigenschaften. Unter Krafteinwirkung verformt sich das Material durch Knickbildung, daraus resultiert eine hohe Dehnbarkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit (siehe auch F. Adibi et al. J. Appl. Phys. 69 (1991) 6437 und Barsoum, Michel W., and Tamer El-Raghy. "The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials Ternary ceramics turn out to be surprisingly soft and machinable, yet also heat-tolerant, strong and lightweight." Am. Scientist 89.4 (2001): 334–343 sowie M.W. Barsoum et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 10194).
Bauteile mit MAX-Phasen-Beschichtungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
So beschreibt die EP 1 685 626 B1 ein Element zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu einem Kontaktelement, um einen elektrischen Strom zwischen dem Element und dem Kontaktelement fließen zu lassen. Das Element ist auf einer Kontaktfläche mit einer Kontaktschicht beschichtet, die die Zusammensetzung MAXn mit n = 1, 2, 3 oder höher aufweist, wobei M ein Übergangsmetall oder eine Kombination von Übergangsmetallen, A ein A-Gruppen-Element oder eine Kombination von A-Gruppen-Elementen und X Stickstoff und/oder Kohlenstoff bezeichnet.
Die EP 2 405 029 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer haft- und kratzfesten Schutzschicht auf einem metallischen Werkstück, wobei die Schutzschicht einen geringen Strahlverschleiß besitzt und das Verfahren das Beschichten des Werkstücks mit einer M_(n+1)AX_(n)-Phase mit M = Ti, Cr, V, Nb oder Mo; A = Ga, Al, Ge oder Si; X = C oder N; sowie n = 1, 2 oder 3 umfasst.
In der US 8 192 850 B1 wird eine Verbrennungsturbinenkomponente beschrieben, die ein Substrat und eine auf dem Substrat vorgesehene Haftschicht beinhaltet, wobei die Haftschicht M_(n+1)AX_(n)-Phasen (n = 1, 2, 3) umfassen kann, und wobei M aus den Gruppen IIIB, IVB, VB, VIB, und VII des Periodensystem der Elemente und Mischungen davon ausgewählt ist, A aus den Gruppen IIIA, IVA, VA, und VIA des Periodensystem der Elemente und Mischungen davon ausgewählt ist, und X zumindest Kohlenstoff oder Stickstoff beinhaltet.
Die WO 2006/057618 A2 betrifft ein beschichtetes Produkt bestehend aus einem metallischen Substrat und einer Kompositbeschichtung, die MAX-Material beinhaltet, wobei die M_(n+1)A_zX_(n)-Phase mindestens ein Übergangsmetall aus der Gruppe M = Ti, Sc, V, Cr, Zr, Nb, Ta, mindestens ein Element aus der Gruppe A = Si, Al, Ge und/oder Sn und mindestens eines der Elemente C und/oder N umfasst, wobei n = 0,8–3,2 und z = 0,8–1,2 ist.
EP 2 740 819 A1 offenbart ein Schichtsystem für eine Kompressorschaufel, das als Beschichtung eine aluminiumreiche MAX-Phase aufweist, bzw. bei dem die Beschichtung aus einer aluminiumreichen MAX-Phase besteht.
Schließlich beschreiben Gupta et al. das tribologische Verhalten von ausgewählten MAX-Phasen gegenüber Nickelbasis-Superlegierungen (Gupta, Surojit, et al. "Ambient and 550 C tribological behavior of select MAX phases against Ni-based superalloys." Wear 264.3 (2008): 270–278).
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, bevorzugt einen Kolbenring, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie die Verwendung des Gleitelementes in einem tribologischen System zur Verfügung zu stellen, wobei das Gleitelement eine hohe Lebensdauer, günstige tribologische Eigenschaften und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement, das Verfahren zur Herstellung des Gleitelementes nach Anspruch 10 und die Verwendung des Gleitelementes nach Anspruch 13.
Die Erfinder konnten zeigen, dass die Beschichtung des Gleitelementes gemäß Anspruch 1, insbesondere die MAX-Phasen-Schicht, eine für tribologische Anwendungen vorteilhafte Kombination typischer Eigenschaftsprofile konventioneller Schichtsysteme darstellt.
Dabei können durch die atomare Bindungsstruktur der sogenannten MAX-Phasen-Schicht keramische wie auch metallische Eigenschaften synergetisch genutzt werden und die Limitierungen der jeweiligen Schichtsysteme überwunden werden. Ferner kann die MAX-Phasen-Schicht, da sie definitionsgemäß Kohlenstoff oder Stickstoff enthält, niedrige Reibwerte und gute Notlaufeigenschaften bei Mangelschmierung erzielen.
Eine hohe thermische Stabilität, eine gute Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, sowie verbesserte Korrosionsbeständigkeit werden dabei durch die keramischen Eigenschaften der MAX-Phasen-Schicht gewährleistet. Die gute thermische Leitfähigkeit sowie Resistenz gegen thermische Schockbelastungen können dagegen auf die metallischen Eigenschaften der MAX-Phasen-Schicht zurückgeführt werden. Die resultierende Beschichtung ist ferner sehr gut spanend zu bearbeiten und verfügt über eine außergewöhnlich hohe Toleranz gegenüber tribologischer Beanspruchung.
Die Erfinder haben ferner überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung einer Haftschicht die Lebensdauer der Gesamtbeschichtung signifikant erhöht. Die Haftschicht erfüllt den funktionellen Zweck, die Haftung zwischen Gleitelementsubstrat und Beschichtung zu gewährleisten. Insbesondere gleicht die Haftschicht mögliche Spannungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gleitelementsubstrat und Beschichtung, aus. Dieser Spannungsausgleich verbessert die Haftung und lässt das Gleitelement thermische Belastungsunterschiede und dadurch hervorgerufene Spannungszustände des Materialkollektivs, bestehend aus Gleitelementsubstrat und Beschichtung, im Betrieb kompensieren. Somit können erst durch die Applikation der Haftschicht die hervorragenden tribologischen Eigenschaften der MAX-Phasen-Schicht auch langfristig gewährleistet werden
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitelementes sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bevorzugt enthält die Haftschicht Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram. Besonders bevorzugt besteht die Haftschicht aus den genannten Materialien. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Materialauswahl die Haftung der Beschichtung signifikant verbessert.
Mit Vorteil beträgt die Schichtdicke der Haftschicht 0,1–3,0 µm. Bei geringeren Schichtdicken kann die Verbesserung der Haftung nicht sichergestellt werden, wohingegen höhere Schichtdicken aus Gründen der Verfahrensökonomie unerwünscht sind.
Ferner ist vorgesehen, die Beschichtung auf einem Gleitelementsubstrat aufzutragen, wobei das Gleitelementsubstrat aus Guss oder Stahl besteht. Besonders bevorzugt sind dabei die folgenden Materialien: unlegiertes, unvergütetes Gusseisen mit Lamellargraphit, legierter Grauguss mit Karbiden (wärmebehandelt oder nicht wärmebehandelt), vergüteter Sphäroguss, unvergüteter Vermiculargraphitguss, Stahlguss mit mindestens 10 Gew.-% Chrom (nitriert oder nicht nitriert), Chrom-Stahl mit mindestens 10 Gew.-% Chrom (nitriert oder nicht nitriert) und Chrom-Silizium-Kohlenstoffstahl. Die genannten Materialien sind in besonderer Weise geeignet, die Festigkeit des Gleitelementes sicherzustellen.
Bevorzugt weist die Beschichtung eine gemittelte Rautiefe von R_z < 7µm, bevorzugt R_z < 4µm, eine reduzierte Spitzenhöhe von R_pk < 0,4µm, bevorzugt R_pk < 0,2µm und/oder eine Kernrautiefe von R_k < 1µm, bevorzugt R_k < 0,6µm auf. Eine derartige Beschichtung verbessert die Reibeigenschaften des Gleitelementes.
Mit Vorteil bezeichnet in der Zusammensetzung M_n+1AX_n der MAX-Phasen-Schicht das Element M entweder Ti oder Cr, das Element A entweder Al oder Si, wobei n = 1 oder 2 ist. Die MAX-Phasen-Schichten der genannten chemischen Zusammensetzungen weisen eine gute Eignung für tribologische Anwendungen auf, und zeichnen sich durch gute Verfügbarkeit der chemischen Bestandteile aus.
Besonders bevorzugt kommen erfindungsgemäß die MAX-Phasen-Schichten der folgenden Schichttypen zum Einsatz:

– Cr₂AlC: Typ 211; Anteil Cr: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil C: 24–26 at.%
– Cr₂AlN: Typ 211; Anteil Cr: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil N: 24–26 at.%
– Ti₂AlC: Typ 211; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil C: 24–26 at.%
– Ti₂AlN: Typ 211; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil N: 24–26 at.%
– Ti₃SiC₂: Typ 312; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Si: 16–18 at.%; Anteil C: 32–34 at.%.

Die genannten Schichttypen haben in Versuchsreihen besonders günstige Lebensdauern gepaart mit exzellenten tribologischen Eigenschaften gezeigt.
Es wird zudem bevorzugt, dass die Beschichtung eine Härte von 2–6 GPa aufweist. Der genannte Härtebereich stellt einerseits einen Mindestverschleißschutz des Gleitelementes sicher, verhindert aber andererseits unnötig starke abrasive Schädigung des Reibpartners.
Mit Vorteil weist die Beschichtung außerdem ein E-Modul von 150–350 GPa auf. Zwar fällt die Festigkeit der Beschichtung mit fallendem E-Modul ab. Für den Fall der elastischen Verformung der Beschichtung mit dem Substrat kann ein geringes E-Modul der Beschichtung die Schichtlebensdauer aber verlängern. Der genannte Wertebereich des E-Moduls stellt daher das Optimum für den Anwendungsfall Gleitelement dar.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gleitelementes sieht die folgenden Verfahrensschritte vor: Bereitstellen eines Gleitelementsubstrates, bevorzugt aus Guss oder Stahl bestehend, Beschichten zumindest einer Teilfläche des Gleitelementsubstrates mit einer Haftschicht, wobei die Haftschicht bevorzugt Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram enthält, besonders bevorzugt aus Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram besteht, und Beschichten zumindest eines Teils der Haftschicht mit einer MAX-Phasen-Schicht, wobei die MAX-Phasen-Schicht die Zusammensetzung M_n+1AX_n (n = 1, 2, 3), aufweist und wobei M ein Element aus der Gruppe Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf und Ta bezeichnet, A ein Element aus der Gruppe Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl und Pb bezeichnet und X die Elemente C oder N bezeichnet. Derart können verfahrensökonomisch Gleitelemente mit hoher Lebensdauer, günstigen tribologischen Eigenschaften und guter Verarbeitbarkeit produziert werden.
Mit Vorteil wird im Herstellungsverfahren die Rauheit der MAX-Phasen-Schicht und/oder Haftschicht nach dem Beschichtungsprozess mittels Läppen, Bandpolieren und/oder Bürstpolieren reduziert. Die so hergestellten Gleitelemente weisen verbesserte Reibeigenschaften auf.
Zudem ist vorgesehen, dass zumindest eine Schicht der Beschichtung mittels PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder thermischem Spritzen, bevorzugt mittels High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) oder Pulse Laser Deposition (PLD) abgeschieden wird. Die genannten Verfahren führen zu hervorragenden Schichtqualitäten bei akzeptabler Herstellungsdauer.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gleitelementes in einem tribologischen System, bevorzugt in einem Otto- oder Dieselmotor, zumindest bestehend aus dem Gleitelement, einem mit dem Gleitelement in reibendem Kontakt stehenden Reibpartner und mindestens einem Schmierstoff, bevorzugt Motoröl, wobei der Schmierstoff Additive enthält. Die metallischen Eigenschaften der MAX-Phasen-Schicht verleihen der Beschichtung polare Oberflächenzustände, welche entscheidend für den Elektronenaustausch mit Additivkomponenten in Schmierstoffen und somit der Ausbildung sogenannter Tribofilme sind. Somit können zusätzliche Synergieeffekte zwischen Beschichtung- und Schmierstofftechnologie hinsichtlich Verschleißschutz und Reibungsminderung im tribologischen Beanspruchungskollektiv genutzt werden.
Als besonders geeignete Additive haben sich organische Reibmodifikatoren (organic friction modifiers) wie beispielsweise Glycerol Mono Oleate (GMO), anorganische Reibmodifikatoren (inorganic friction modifiers) wie beispielsweise molybdenum dialkyldithiocarbamates (MoDTC) und/oder polymerische Reibmodifikatoren (polymeric friction modifiers) herausgestellt. Die polymerischen Reibmodifikatoren unterscheiden sich von den herkömmlichen Reibmodifikatoren dadurch, dass die Moleküle in langen Polymerketten (5000–50000 Daltons [Da]) vorliegen. Herkömmliche Reibmodifikatoren bestehen dagegen aus kleinen Molekülen (250–300 Daltons [Da]). Durch die Polymerstruktur wird daher die Stabilität des Schmierfilms auf den Laufflächen (Kolbenringbeschichtung und Zylinder) vorteilhaft erhöht.
Bezüglich der Zusammensetzung der MAX-Phasen sind geringe Konzentrationsabweichungen, insbesondere Abweichungen von der stöchiometrischen Summenformel von bis zu ±2 at.%, vom Schutzumfang der Erfindung umfasst.
Bevorzugte Ausführungsform
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist als Gleitelement ein Kolbenring vorgesehen, dessen Grundmaterial aus einem Chrom-Silizium-Kohlenstoffstahl besteht. Die äußere Umfangsfläche des Kolbenrings fungiert dabei als Substrat, auf dem zunächst eine Chromnitrid-Haftschicht mittels PVD-Verfahren in der Schichtdicke 1 µm abgeschieden wird. Auf der Haftschicht wird anschließend mittels High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) eine MAX-Phasen-Schicht in der Schichtdicke 1 µm mit der Summenformel Ti3SiC2 aufgebracht, wobei die tatsächlichen Anteile der Komponenten Ti: 48–52 at.%, Si: 16–18 at.% und C: 32–34 at.% betragen. Die gemittelte Rautiefe der Beschichtung wird abschließend mittels Bandpolieren auf einen Wert von R_z < 4µm eingestellt. Ein Gleitelement mit der vorstehend beschriebenen Beschichtung weist insbesondere eine extreme Widerstandsfähigkeit unter thermischer Beanspruchung gegen Oxidation und Bruch auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1685626 B1 [0008]
EP 2405029 A1 [0009]
US 8192850 B1 [0010]
WO 2006/057618 A2 [0011]
EP 2740819 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. Adibi et al. J. Appl. Phys. 69 (1991) 6437 [0006]
Barsoum, Michel W., and Tamer El-Raghy. "The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials Ternary ceramics turn out to be surprisingly soft and machinable, yet also heat-tolerant, strong and lightweight." Am. Scientist 89.4 (2001): 334–343 [0006]
M.W. Barsoum et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 10194 [0006]
Gupta, Surojit, et al. "Ambient and 550 C tribological behavior of select MAX phases against Ni-based superalloys." Wear 264.3 (2008): 270–278 [0013]

Claims

Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung, von innen nach außen, zumindest folgende Schichten aufweist: eine Haftschicht, und eine MAX-Phasen-Schicht mit der Zusammensetzung M_n+1AX_n (n = 1, 2, 3), wobei M ein Element aus der Gruppe Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf und Ta bezeichnet, A ein Element aus der Gruppe Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl und Pb bezeichnet und X die Elemente C oder N bezeichnet.
Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram enthält, bevorzugt aus Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram besteht.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Haftschicht 0,1–3,0 µm beträgt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einem Gleitelementsubstrat aufgetragen ist und das Gleitelementsubstrat aus Guss oder Stahl besteht, bevorzugt aus einem der folgenden Materialien besteht: – Unlegiertes, unvergütetes Gusseisen mit Lamellargraphit – Legierter, wärmebehandelter oder nicht wärmebehandelter Grauguss mit Karbiden – vergüteter Sphäroguss – unvergüteter Vermiculargraphitguss – Stahlguss mit mindestens 10 Gew.-% Chrom, nitriert oder nicht nitriert – Chrom-Stahl mit mindestens 10 Gew.-% Chrom, nitriert oder nicht nitriert – Chrom-Silizium-Kohlenstoffstahl.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine gemittelte Rautiefe von R_z < 7µm, bevorzugt R_z < 4µm, eine reduzierte Spitzenhöhe von R_pk < 0,4µm, bevorzugt R_pk < 0,2µm und/oder eine Kernrautiefe von R_k < 1µm, bevorzugt R_k < 0,6µm aufweist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der MAX-Phasen-Schicht mit der Zusammensetzung M_n+1AX_n das Element M entweder Ti oder Cr bezeichnet, das Element A entweder Al oder Si bezeichnet und n = 1 oder 2 ist.
Gleitelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die MAX-Phasen-Schicht aus einem der folgenden Schichttypen ausgewählt ist: – Cr₂AlC: Typ 211; Anteil Cr: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil C: 24–26 at.% – Cr₂AlN: Typ 211; Anteil Cr: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil N: 24–26 at.% – Ti₂AlC: Typ 211; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil C: 24–26 at.% – Ti₂AlN: Typ 211; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Al: 24–26 at.%; Anteil N: 24–26 at.% – Ti₃SiC₂: Typ 312; Anteil Ti: 48–52 at.%; Anteil Si: 16–18 at.%; Anteil C: 32–34 at.%.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Härte von 2–6 GPa aufweist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein E-Modul von 150–350 GPa aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Gleitelementsubstrates, bevorzugt aus Guss oder Stahl bestehend, – Beschichten zumindest einer Teilfläche des Gleitelementsubstrates mit einer Haftschicht, wobei die Haftschicht bevorzugt Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram enthält, besonders bevorzugt aus Chrom, Chromnitrid, Titan und/oder Wolfram besteht, und – Beschichten zumindest eines Teils der Haftschicht mit einer MAX-Phasen-Schicht, wobei die MAX-Phasen-Schicht die Zusammensetzung M_n+1AX_n (n = 1, 2, 3), aufweist und wobei M ein Element aus der Gruppe Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf und Ta bezeichnet, A ein Element aus der Gruppe Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl und Pb bezeichnet und X die Elemente C oder N bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der MAX-Phasen-Schicht und/oder Haftschicht nach dem Beschichtungsprozess mittels Läppen, Bandpolieren und/oder Bürstpolieren reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht der Beschichtung mittels PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder thermischem Spritzen, bevorzugt mittels High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) oder Pulse Laser Deposition (PLD) abgeschieden wird.
Verwendung eines Gleitelementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem tribologischen System, bevorzugt in einem Otto- oder Dieselmotor, zumindest bestehend aus dem Gleitelement, einem mit dem Gleitelement in reibendem Kontakt stehenden Reibpartner und mindestens einem Schmierstoff, bevorzugt Motoröl, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff Additive enthält.
Verwendung eines Gleitelementes in einem tribologischen System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive organische Reibmodifikatoren (organic friction modifiers), anorganische Reibmodifikatoren (inorganic friction modifiers) und/oder polymerische Reibmodifikatoren (polymeric friction modifiers) umfassen.