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Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil mit einem metallischen Substrat und einem zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Schichtsystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils umfassend ein metallisches Substrat, wobei eine Verschleißschutzschicht zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.
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Aus der
DE 10 2005 047 449 A1 ist ein Schichtsystem zum Schutz einer Gliederkette gegen Verschleiß und zur Steigerung der Energieeffizienz bekannt. Dieses Schichtsystem weist eine Verschleißschutzschicht auf, die als nitridische oder nichtnitridische Hartstoffschicht ausgebildet ist und unmittelbar auf die Funktionsfläche des Kettenbolzens abgeschieden wird. Auf dieser harten Verschleißschutzschicht ist zur Reduktion der Reibung eine Gleitstoffschicht vorgesehen, die aus einem Weichmetall, aus MoS
2, WS
2 oder aus einer Polymerschicht gebildet ist. Mit einem derartigen Schichtsystem kann der Verschleiß der Elemente der Gliederkette gesenkt werden. Allerdings ist es wünschenswert, den Verschleißschutz für stark beanspruchte Bauteile weiter zu verbessern.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das tribologische Verhalten, insbesondere den Verschleißschutz, zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht und eine auf der Verschleißschutzschicht angeordnete Deckschicht, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Schichtsystem ein gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Verschleiß von Reibpartnern erreicht werden kann, wobei die Reibung zwischen den Reibpartnern nicht erhöht wird. Dabei setzt die Deckschicht aus Kupfer-Kohlenstoff-Nanokomposit die Reibung herab. Die unter der Nanokompositschicht angeordnete Verschleißschutzschicht bildet einen Schutz gegen abrasiven Verschleiß.
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Unter einer Nanokompositschicht wird im Sinne der Erfindung eine mehrphasige Festkörperschicht verstanden, bei der mindestens eine Phase derart strukturiert ist, dass sie in zumindest einer Dimension eine Abmessung kleiner als 100 nm, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 99 nm, beispielsweise im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweist. Die erfindungsgemäße Nanokompositschicht weist mindestens zwei Phasen auf, wobei eine erste Phase Kupfer und eine zweite Phase Kohlenstoff ist.
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Bevorzugt die Nanokompositschicht einen Gehalt an Kupfer und Kohlenstoff auf, der in Summe größer ist als 70 Atom-%, bevorzugt größer ist als 80 Atom-%, besonders bevorzugt größer ist als 90 Atom-%.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verschleißschutzschicht als nitridische Hartstoffschicht, insbesondere als eine stöchiometrische Chromnitridschicht oder eine nicht stöchiometrische Chromnitridschicht (CrN oder Cr2N) oder eine Kombination davon, ausgebildet. Alternativ kann die Verschleißschutzschicht als chromnitridbasierte Schicht ausgebildet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschicht einen Stickstoffgehalt aufweist, der kleiner gleich 60 Atom-%, bevorzugt kleiner 60 Atom-%, ist.
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Bevorzugt weist die Verschleißschutzschicht eine Schichtdicke im Bereich von 2,0 µm bis 5,0 µm auf.
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Die Verschleißschutzschicht grenzt bevorzugt unmittelbar an die als Nanokompositschicht ausgebildete Deckschicht an. Das bedeutet, dass keine weiteren Schichten zwischen der Verschleißschutzschicht und der Nanokompositschicht vorhanden sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht eine Kohlenstoffmatrix und in der Kohlenstoffmatrix eingelagerte Kupferpartikel aufweist. Die Kohlenstoffmatrix kann beispielsweise als Graphitmatrix vorliegen, in welche die Kupferpartikel eingebunden sind. Alternativ kann die Kohlenstoffmatrix aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet sein, der auch als Diamond-like Carbon (DLC) bezeichnet wird.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Nanokompositschicht eine Kupfermatrix und in der Kupfermatrix eingelagerte Kohlenstoffpartikel aufweist. Die Kohlenstoffpartikel können als Graphitpartikel vorliegen, die in der Kupfermatrix eingebettet sind. Alternativ können die Kohlenstoffpartikel DLC sein.
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Bevorzugt ist es, wenn die Kupferpartikel oder die Kohlenstoffpartikel eine Korngröße im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 99 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 70 nm, aufweisen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht Sauerstoff aufweist, wobei der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 30 Atom-%, bevorzugt kleiner als 20 Atom-% ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Nanokompositschicht Stickstoff aufweisen, wobei der Gehalt an Stickstoff in der Nanokompositschicht kleiner als 10 Atom-%, bevorzugt kleiner als 5 Atom-% ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Gehalt an anderen Metallen als Kupfer in der Nanokompositschicht kleiner als 0,01 Atom-%, bevorzugt kleiner als 0,001 %, besonders bevorzugt ist die Nanokompositschicht frei von anderen Metallen als Kupfer. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Nanokompositschicht eine oder mehrere Zwischenschichten aufweist, die aus einem anderen Metall als Kupfer gebildet sind. Bevorzugt ist das andere Metall Titan (Ti), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Chrom (Cr), Wolfram (W), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Vanadium (V).
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Nanokompositschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1,0 µm bis 10,0 µm, bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 2,5 µm, aufweist.
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Bevorzugt weist das Schichtsystem eine Schichtdicke im Bereich 0,6 µm bis 21,0 µm, bevorzugt im Bereich 2,5 µm bis 8,5 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 µm bis 5,0 µm, auf.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschicht eine Vickers-Härte im Bereich von 1000 bis 4000 HV und die Nanokompositschicht eine Vickershärte von kleiner als 1500 HV aufweisen. Dadurch kann hoher Verschleißschutz der Reibpartner erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem eine Haftvermittlerschicht, die angrenzend an die Verschleißschutzschicht angeordnet ist. Durch die Haftvermittlerschicht kann die Haftung des Schichtsystems an einem Substrat, insbesondere einem metallischen Substrat, verbessert werden. Die Haftvermittlerschicht weist insbesondere Chrom und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination davon auf. Besonders bevorzugt besteht die Haftvermittlerschicht aus Chrom und/oder Titan.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil umfassend ein metallisches Substrat und ein zumindest partiell auf einer Oberfläche des Substrats angeordnetes Schichtsystem, das wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, wobei die Verschleißschutzschicht zwischen der Nanokompositschicht und dem Substrat angeordnet ist.
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Das metallische Substrat ist bevorzugt aus Stahl gebildet. Beispielsweise kann der Stahl als Stahl des Typs 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2, 34CrAIMo5-10 oder 42CrMo4 ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist das Bauteil ein Motorelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein Kettenelement, beispielsweise ein Kettenbolzen, ein Element des Ventiltriebs, beispielsweise ein Kipphebel, ein Schlepphebel oder ein Tassenstößel, oder ein Gleit- bzw. Wälzlager, oder ein Zahnrad. Bevorzugt ist das Bauteil ein Kettenelement einer Hülsenkette oder einer Zahnkette oder einer Rollenkette.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem eine Haftvermittlerschicht, die angrenzend an die Verschleißschutzschicht angeordnet und angrenzend an das Substrat angeordnet ist. Das Vorsehen einer Haftvermittlerschicht kann die Haftung des Schichtsystems an dem metallischen Substrat verbessern. Die Haftvermittlerschicht weist insbesondere bevorzugt Chrom und/oder Titan auf.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schichtsystem, insbesondere die Verschleißschutzschicht und die Nanokompositschicht, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. physical vapour deposition, PVD) abgeschieden ist.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils umfassend ein Substrat vorgeschlagen, wobei eine Verschleißschutzschicht zumindest partiell auf eine Oberfläche des Substrats, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, und auf die Verschleißschutzschicht eine Deckschicht, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, abgeschieden wird, wobei die Deckschicht als Nanokompositschicht ausgebildet ist, die Kupfer und Kohlenstoff aufweist.
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Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem beschrieben worden sind.
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Zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) werden bevorzugt die Verfahren Kathodenzerstäubung oder Lichtbogenverdampfen oder eine Kombination davon eingesetzt. Bevor die Verschleißschutzschicht auf das Substrat aufgebracht wird, kann optional eine Haftvermittlerschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung direkt auf dem Substrat abgeschieden werden. Die Haftvermittlerschicht kann beispielsweise Chrom, Titan und/oder Aluminium und/oder Niob und/oder Vanadium und/oder Molybdän oder eine Kombination davon aufweisen. Besonders bevorzugt besteht die Haftvermittlerschicht aus Chrom und/oder Titan.
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Zur Ausbildung der Haftvermittlerschicht und/oder der Verschleißschutzschicht und/oder der Nanokompositschicht kann das Bauteil auf einem Bauteilhalter angeordnet werden, der in einer Vakuumkammer um eine insbesondere senkrechte Achse rotiert wird (PVD-Batchanlage). Innerhalb der Vakuumkammer können verschiedene Targets angeordnet sein. Beispielsweise kann ein erstes Target zur Bildung der Haftvermittlerschicht, ein zweites Target zur Bildung der Verschleißschutzschicht und ein drittes Target zu Bildung der Nanokompositschicht vorgesehen sein. Das Target zu Bildung der Nanokompositschicht ist bevorzugt als gemeinsames Kohlenstoff-Kupfer-Target ausgebildet, das sowohl Kupfer als auch Kohlenstoff umfasst. Beispielsweise kann das gemeinsame Target ein Mosaik-Target oder ein Legierungstarget sein.
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Alternativ kann zur Ausbildung der Haftvermittlerschicht, der Verschleißschutzschicht und/oder der Nanokompositschicht eine Durchlaufanlage (PVD In-Line) zur PVD-Beschichtung verwendet werden, bei der das Bauteil in einer Transportrichtung durch eine Vakuumkammer transportiert wird. Optional kann das Bauteil zusätzlich zu der Bewegung in Transportrichtung um eine Drehachse, insbesondere eine Längsachse des Bauteils, gedreht werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem in einer schematischen Schnittdarstellung; und
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils in einer perspektivischen Schnittdarstellung.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 gezeigt, welches ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 aufweist, dessen Schichten 2, 3, 4 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung ausgebildet worden sind. Das Substrat 11 des Bauteils 10 ist aus einem Stahl ausgebildet, beispielsweise aus Stahl des Typs 16MnCr5, C45, C60, 100Cr6, 31 CrMoV9, 80Cr2 oder 42CrMo4. Auf dem Substrat 11 ist zumindest partiell eine Haftvermittlerschicht 2 mit der Schichtdicke d1 abgeschieden. Die Haftvermittlerschicht 2 besteht bevorzugt aus Chrom und/oder Titan. Über die direkt an dem Substrat 11 angrenzende Haftvermittlerschicht 2 wird eine stoffschlüssige Verbindung zu der ebenfalls an der Haftvermittlerschicht 2 angrenzenden Verschleißschutzschicht 3 gebildet. Die Schichtdicke d1 der Haftvermittlerschicht 2 liegt im Bereich von 0,01 µm bis 1,0 µm.
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Die Verschleißschutzschicht ist 3 aus stöchiometrischem oder nicht stöchiometrischem Chromnitrid oder eine Kombination davon gebildet und weist eine hohe Härte auf, so dass das darunterliegende Substrat 11 sehr gut gegen Verschleiß geschützt wird. Die Schichtdicke der d2 der Verschleißschutzschicht 3 liegt im Bereich von 2,0 µm bis 5,0 µm.
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Auf der Verschleißschutzschicht 3 ist, unmittelbar an die Verschleißschutzschicht 3 angrenzend, eine Nanokompositschicht abgeschieden, die als Kupfer-Kohlenstoff-Nanokomposit 4 ausgebildet ist. Die Nanokompositschicht 4 ist im Wesentlichen zweiphasig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Nanokompositschicht 4 neben den Hauptbestandteilen Kupfer und Kohlenstoff lediglich geringe Anteile anderer Elemente enthält, im vorliegenden Fall vornehmlich geringe Anteile an Sauerstoff und/oder Stickstoff. Der Gehalt dieser Elemente liegt im Bereich kleiner als 30 Atom-%, bevorzugt kleiner als 20 Atom-%, besonders bevorzugt kleiner als 10 Atom-%. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Nanokompositschicht 4 eine Kohlenstoffmatrix 5 und in der Kohlenstoffmatrix 5 eingelagerte Kupferpartikel 6 auf. Die Korngröße dieser Kupferpartikel 6 liegt im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm. Die Kohlenstoffmatrix 5 ist aus Kohlenstoff ausgebildet.
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Die Schichtdicke der d3 der Nanokompositschicht 4 liegt im Bereich von 0,1 µm bis 10,0 µm, bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 2,5 µm.
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Die Nanokompositschicht 4 bildet eine mit dem jeweiligen Reibpartner des Bauteils 10 zusammenwirkende Deckschicht, welche das tribologische Verhalten verbessert, insbesondere den Verschleiß verringert.
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In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 gezeigt, das ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 aufweist. Das Schichtsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist im Wesentlichen die Merkmale des Schichtsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf, unterscheidet sich von dem Schichtsystem des ersten Ausführungsbeispiels in der Ausgestaltung der Nanokompositschicht 4. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Nanokompositschicht 4 eine Kupfermatrix 7 und in der Kupfermatrix 7 eingelagerte Kohlenstoffpartikel 8 auf. Die Kohlenstoffpartikel 8 haben eine Korngröße im Bereich kleiner als 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 70 nm.
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Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 10 mit einem Schichtsystem 1 gemäß der Erfindung. Im Unterschied zu dem Schichtsystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Schichtsystem 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel keine Haftvermittlerschicht auf. Die Verschleißschutzschicht 3 dieses Schichtsystems 1 ist unmittelbar angrenzend auf dem Substrat 11 abgeschieden. Insofern grenzt die Verschleißschutzschicht 3 sowohl an dem Substrat 11 als auch an der Nanokompositschicht 4 an und ist zwischen diesen beiden Schichten 3, 4 vorgesehen.
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In der 4 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Gliederkette 20 mit erfindungsgemäßen Bauteilen dargestellt, die als Kettenglied 21, 22 oder Kettenbolzen 26 ausgestaltet sind. Die Gliederkette 20 kann als Teil eines Kettentriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eingesetzt werden. Die Kette 20 weist eine Vielzahl an Kettengliedern 21, 22 auf, die über Kettenbolzen 22 schwenkbar miteinander verbunden sind. Hierzu weisen die Kettenglieder 21, 22 mindestens zwei Ausnehmungen 24 auf, durch die jeweils ein Kettenbolzen 26 geführt ist.
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Die Kette 20 umfasst Innenkettenglieder 22, in deren Ausnehmungen 24 eine Hülse 23 angeordnet ist, beispielsweise mittels Presspassung. Der Kettenbolzen 26 ist innerhalb der Hülse 23 angeordnet und bildet mit der Hülse 23 des Innenkettenglieds 22 eine Reibpaarung. Bei der Kette 20 gemäß 4 sind die Ausnehmungen 25 der Außenkettenglieder 21 mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet als die Ausnehmungen 24 der Innenkettenglieder 22. Der Kettenbolzen 26 ist jeweils auch innerhalb der Ausnehmung 25 eines Außenkettenglieds 21 angeordnet und mit dem Außenkettenglied 25 verbunden, insbesondere mittels Presspassung.
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Um die Reibung und den Verschleiß der Reibpaarung zu verringern ist der Kettenbolzen 26 der Gliederkette 20 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1, beispielsweise einem Schichtsystem wie in 1, 2 oder 3 gezeigt, beschichtet. Alternativ oder zusätzlich kann die Innenkontur der Hülsen 23 der Innenkettenglieder 22 und/oder die Innenkontur der Ausnehmungen 25 der Außenkettenglieder 21 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem beschichtet sein. Besonders bevorzugt weisen der Kettenbolzen 25 und/oder die Innenkontur der Hülse 23 und/oder die Innenkontur der Ausnehmung 25 ein identisches Schichtsystem 1 auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Außenkontur des Außenkettenglieds 21 und/oder die Außenkontur des Innenkettenglieds 22 mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem 1 versehen sein, beispielsweise um die Reibung gegenüber einer Kettenführungsschiene zu reduzieren.
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Gemäß einer Abwandlung der in 4 gezeigten Rollenkette ist die Gliederkette 20 als Hülsenkette oder als Zahnkette ausgebildet.
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Die vorstehend beschriebenen Bauteile weisen jeweils zumindest partiell ein Schichtsystem 1 umfassend mindestens eine Verschleißschutzschicht 3 und eine auf der Verschleißschutzschicht 3 angeordnete Deckschicht auf, die als Nanokompositschicht 4 ausgebildet ist, welche Kupfer 6, 7 und Kohlenstoff 5, 8 aufweist.
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Die beschriebenen Bauteile 10, 21, 22, 26 werden mit einem Vakuumbeschichtungsverfahren beschichtet, bei welchem auf eine Oberfläche des Substrats 11 des Bauteils 10, 21, 22, 26 eine Verschleißschutzschicht 3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird. Auf die Verschleißschutzschicht 3 wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Nanokompositschicht abgeschieden wird, die Kupfer 6, 7 und Kohlenstoff 5, 8 aufweist. Optional kann in einem Zwischenschritt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung zunächst eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat 11 aufgebracht werden bevor die Verschleißschutzschicht 3 abgeschieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schichtsystem
- 2
- Haftvermittlerschicht
- 3
- Verschleißschutzschicht
- 4
- Deckschicht, Nanokompositschicht
- 5
- Kohlenstoffmatrix
- 6
- Kupferpartikel
- 7
- Kupfermatrix
- 8
- Kohlenstoffpartikel
- 10
- Bauteil
- 11
- Substrat
- 20
- Kette
- 21
- Außenkettenglied
- 22
- Innenkettenglied
- 23
- Hülse
- 24
- Ausnehmung
- 25
- Ausnehmung
- 26
- Kettenbolzen
- D
- Schichtdicke des Schichtsystems
- d1
- Schichtdicke der Haftvermittlerschicht
- d2
- Schichtdicke der Verschleißschutzschicht
- d3
- Schichtdicke der Nanokompositschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005047449 A1 [0002]
