DE102018211387A1 - Wear protection layer arrangement and component with wear protection layer arrangement - Google Patents
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Abstract
Bei einer Verschleißschutzschichtanordnung (10) mit einem Substrat (11), einer auf dem Substrat ausgebildeten Haftvermittlerschicht (12) und wenigstens einer nach außen abschließenden Schutzschicht (15), die als amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht ausgebildet ist, ist vorgesehen, dass ein substratseitiger Bereich (15') der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15) mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, und ein außenseitiger Bereich (15") undotiert bleibt. Zwischen der Haftvermittlerschicht (12) und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15) können zwei Übergangsschichten (13, 14) ausgebildet sein, die durchgehend mit Silizium als Dotierstoff dotiert sein können. Die Übergangsschichten (13, 14) können jeweils eine im Vergleich zum substratseitigen Bereich (15') der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15) niedrigere Silizium-Dotierung aufweisen. In the case of a wear protection layer arrangement (10) with a substrate (11), an adhesion promoter layer (12) formed on the substrate and at least one protective layer (15) which closes outwards and is designed as an amorphous hydrogen-containing carbon layer, it is provided that a region on the substrate side (15 ') of the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15) is doped with silicon as a dopant, and an outside area (15 ") remains undoped. Between the adhesion promoter layer (12) and the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15) there can be two transition layers The transition layers (13, 14) can each have a lower silicon doping than the substrate-side region (15 ') of the amorphous carbon layer (15) ,
Description
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ferner ein Bauteil nach Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a wear protection layer arrangement according to the preamble of claim 1 and further to a component according to claim 9 and a method for producing a wear protection layer arrangement according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Bauteile, die hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt sind, wie dies insbesondere bei Komponenten von Hochdruckeinspritzsystemen (Common-Rail-Injektoren) der Fall ist, werden serienmäßig mit Verschleißschutzschichten versehen. Als Verschleißschutzschichten kommen dazu amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schichten zum Einsatz, die mittels plasmaunterstützter Abscheidungsverfahren auf den Bauteilen aufgebracht werden und eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 350° C aufweisen.Components that are exposed to high temperatures and high pressures, as is the case in particular with components of high-pressure injection systems (common rail injectors), are provided with wear protection layers as standard. Amorphous hydrogen-containing carbon layers are used as wear protection layers, which are applied to the components by means of plasma-assisted deposition processes and have a temperature resistance of up to approximately 350 ° C.
Grundlagenforschungsergebnisse (vgl. [1]
Offenbarungepiphany
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Verschleißschutzschichtanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine erweiterte Temperaturbeständigkeit bis etwa 500° C bei praktisch unvermindert hoher Verschleißbeständigkeit aufweist. Dazu ist vorgesehen, dass ein substratseitiger Bereich der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, und ein außenseitiger Bereich undotiert bleibt. Durch die selektive Silizium-Dotierung des substratseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht kann das dort eingebaute Silizium Sauerstoff, der über sich bei erhöhter Temperatur erweiternde Hohlräume in der Netzwerkstruktur eindiffundiert, zu Siliziumoxid-Verbindungen binden, wodurch sich dort eine Diffusionsbarriere für Sauerstoff ausbildet, welche ein Oxidieren der darunterliegenden Haftvermittlerschicht aus Chrom mit daraus resultierender Rissbildung zwischen Haftvermittlerschicht und amorpher Kohlenstoff-Schicht und zumindest teilweiser Enthaftung der letzteren verhindert; indem der obere Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht undotiert, also frei von Silizium als Dotierstoff, bleibt, bildet sich in diesem substratseitigen Bereich ein „reines“ Kohlenwasserstoffnetzwerk mit seinem spezifischen Mikrogefüge und mithin seiner charakteristischen Härte bzw. Verschleißfestigkeit aus.The wear protection layer arrangement with the characterizing features of claim 1 has the advantage that it has an extended temperature resistance up to about 500 ° C with practically undiminished high wear resistance. For this purpose, it is provided that a region on the substrate side of the amorphous hydrogen-containing carbon layer is doped with silicon as a dopant, and an outer region remains undoped. Due to the selective silicon doping of the area of the amorphous carbon layer on the substrate side, the silicon oxygen built in there, which diffuses into the network structure via cavities that expand at elevated temperatures, can bind to silicon oxide compounds, thereby forming a diffusion barrier for oxygen, which prevents oxidation of the underlying adhesion promoter layer made of chromium with resulting crack formation between the adhesion promoter layer and the amorphous carbon layer and at least partial delamination of the latter; As the upper area of the amorphous carbon layer remains undoped, ie free of silicon as a dopant, a "pure" hydrocarbon network with its specific microstructure and therefore its characteristic hardness and wear resistance is formed in this substrate-side area.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.Further advantageous developments and refinements of the invention result from the measures listed in the subclaims.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, mit welcher eine konstant hohe Qualität hinsichtlich der Verschleißfestigkeit erzielbar ist, besteht darin, dass der substratseitige Bereich der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ein Silizium-Dotierungsprofil aufweist, das so eingestellt ist, dass es in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu Netzwerkkonstituenten der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht liegt. Dabei umfasst das Silizium-Dotierungsprofil ausgehend von einer Grenzfläche der Kohlenstoff-Schicht einen ansteigenden Profilabschnitt zunehmender Siliziumkonzentration, einen Plateau-Bereich mit einer etwa konstant verlaufenden Maximal-Konzentration des Silizium-Dotierstoffs, und einen abfallenden Profilabschnitt mit einer auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration. Das Erreichen des Nullniveaus definiert das Ende des substratseitigen Bereichs und zugleich den Beginn des außenseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht.A preferred development of the invention, with which a consistently high quality with regard to wear resistance can be achieved, is that the substrate-side region of the amorphous hydrogen-containing carbon layer has a silicon doping profile which is set in such a way that it is in a concentration value range from 1 to 20 at .-% in relation to network constituents of the amorphous hydrogen-containing carbon layer. Starting from an interface of the carbon layer, the silicon doping profile comprises an increasing profile section of increasing silicon concentration, a plateau area with an approximately constant maximum concentration of the silicon dopant, and a falling profile section with a silicon concentration falling to zero level. Reaching the zero level defines the end of the substrate-side area and at the same time the beginning of the outside area of the amorphous carbon layer.
Versuchsreihen haben gezeigt, dass es zweckmäßig ist, wenn die Dicke des mit Silizium dotierten substratseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht etwa 20 bis 80 %, vorzugsweise etwa 50 %, der Schichtdicke der Kohlenstoff-Schicht beträgt.Test series have shown that it is expedient if the thickness of the region of the amorphous carbon layer doped with silicon on the substrate is approximately 20 to 80%, preferably approximately 50%, of the layer thickness of the carbon layer.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, mit welcher eine besonders hohe Verschleißfestigkeit der Verschleißschutzschichtanordnung mit einer Schichthärte der amorphen Kohlenstoff-Schicht von ungefähr 35 GPa bei etwa 500° C erzielbar ist, ist wenigstens eine Übergangsschicht vorgesehen, welche zwischen der Haftvermittlerschicht und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Übergangsschicht durchgehend mit Silizium als Dotierstoff dotiert sein kann. Dabei weist die wenigstens eine Übergangsschicht eine im Vergleich zum substratseitigen Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht niedrigere Silizium-Dotierung auf, um einen „fließend“ verlaufenden Dotierungsübergang zum substratseitigen Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht zu bewirken.According to one embodiment of the invention, with which a particularly high wear resistance of the wear protection layer arrangement can be achieved with a layer hardness of the amorphous carbon layer of approximately 35 GPa at approximately 500 ° C., at least one transition layer is provided which is between the adhesion promoter layer and the amorphous hydrogen-containing carbon layer. Layer is formed, wherein the at least one transition layer can be continuously doped with silicon as a dopant. The at least one transition layer has a lower silicon doping compared to the substrate-side region of the amorphous carbon layer in order to “flow” cause doping transition to the substrate-side region of the amorphous carbon layer.
Eine dazu alternative Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass zwei aufeinanderfolgende Übergangsschichten zwischen der Haftvermittlerschicht und der amorphen Kohlenstoff-Schicht ausgebildet sind, wobei die an die amorphe Kohlenstoff-Schicht angrenzende Übergangsschicht eine zumindest gleich große oder etwas höhere Silizium-Dotierungskonzentration im Vergleich zur darunterliegenden und an die Haftvermittlerschicht angrenzenden Übergangsschicht aufweist. Dadurch ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine hinsichtlich der Schichtdicke breitere Diffusionsbarriere für von außen eindiffundierenden Sauerstoff.An alternative embodiment of the invention can consist in that two successive transition layers are formed between the adhesion promoter layer and the amorphous carbon layer, the transition layer adjoining the amorphous carbon layer having an at least the same or slightly higher silicon doping concentration compared to the one below and has a transition layer adjacent to the adhesion promoter layer. In this embodiment, this results in a diffusion barrier for oxygen diffusing in from the outside in terms of the layer thickness.
Ein Bauteil mit einer derartigen Verschleißschutzschichtanordnung eignet sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken und ist mithin als Komponente eines Hochdruckeinspritzsystems, insbesondere als Injektor, geeignet.A component with such a wear protection layer arrangement is suitable for use at high temperatures and pressures and is therefore suitable as a component of a high-pressure injection system, in particular as an injector.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschichtanordnung, wobei auf einem Substrat eine Haftvermittlerschicht ausgebildet wird und danach unmittelbar oder mittelbar wenigstens eine amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht als Schutzschicht erzeugt wird, ist vorgesehen, dass beim Erzeugen der wenigstens einen amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ein substratseitiger Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht mit Silizium als Dotierstoff dotiert wird und ein außenseitiger Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht undotiert ausgebildet wird. Dabei wird der substratseitige Bereich mit einem Silizium-Dotierungsprofil ausgebildet, das derart gewählt wird, dass das Dotierungsprofil in einem Plateau in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu beim Erzeugen der amorphen Kohlenstoff-Schicht verwendeten Prozessgasen liegt, wodurch eine reproduzierbar hohe Fertigungsqualität erzielbar ist. Für das Dotierungsprofil werden ausgehend von einer Grenzfläche der Kohlenstoff-Schicht ein ansteigender Profilabschnitt zunehmender Silizium-Konzentration, ein Plateau-Bereich mit einer etwa konstant verlaufenden Silizium-Maximalkonzentration, und ein abfallender Profilabschnitt mit einer etwa auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration im substratseitigen Bereich ausgebildet. Die Erzeugung der amorphen Kohlenstoff-Schicht wird mittels plasmainduzierter Abscheidung (PECVD: „plasma enhanced chemical vapor deposition“) durchgeführt, wobei auf einer oder mehreren dünnen Schicht(en), die entweder die Haftvermittlerschicht aus einem Metall wie z.B. Chrom oder eine bzw. mehrere auf der Haftvermittlerschicht aufgebrachte Übergangsschicht(en) sein kann/können, die amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht durch Wachstum ausgebildet wird.In a method for producing a wear protection layer arrangement, wherein an adhesion promoter layer is formed on a substrate and then at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer is produced directly or indirectly as a protective layer, it is provided that when the at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer is produced, a region on the substrate side the amorphous carbon layer is doped with silicon as a dopant and an outside region of the amorphous carbon layer is formed undoped. The region on the substrate side is formed with a silicon doping profile, which is selected such that the doping profile in a plateau lies in a concentration range of 1 to 20 at .-% in relation to the process gases used in producing the amorphous carbon layer, whereby a reproducible high manufacturing quality can be achieved. For the doping profile, starting from an interface of the carbon layer, an increasing profile section with increasing silicon concentration, a plateau area with an approximately constant maximum silicon concentration, and a falling profile section with an approximately zero silicon concentration in the substrate-side area are formed , The amorphous carbon layer is generated by means of plasma-induced deposition (PECVD: "plasma enhanced chemical vapor deposition"), with one or more thin layer (s) either containing the adhesion promoter layer made of a metal such as e.g. Chromium or one or more transition layer (s) applied to the adhesion promoter layer, the amorphous hydrocarbon layer is formed by growth.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
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1A einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung, die ein Substrat, eine Haftvermittlerschicht, zwei Übergangsschichten und eine nach außen abschließende Funktionsschicht umfasst, wobei die als amorphe Kohlenstoff-Schicht ausgebildete Funktionsschicht einen mit Silizium dotierten substratseitigen Bereich und einen undotierten oberflächenseitigen Bereich aufweist, -
1B ein Schaubild, das ein typisches Silizium-Dotierungsprofil für den substratseitigen Bereich der Funktionsschicht veranschaulicht, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke der Funktionsschicht und entlang der Ordinate das Silizium-Dotierungsprofil als Funktion der Dicke der Funktionsschicht aufgetragen sind. -
2A einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche ein Substrat, eine Haftvermittlerschicht und eine als amorphe Kohlenstoff-Schicht ausgebildete Funktionsschicht umfasst, wobei die Funktionsschicht einen mit Silizium dotierten substratseitigen Bereich und einen undotierten oberflächenseitigen Bereich aufweist, sowie -
2B ein Schaubild, das ein Silizium-Dotierungsprofil für den substratseitigen Bereich der Funktionsschicht der Schichtanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform von2A veranschaulicht, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke des substratseitigen Bereichs der Funktionsschicht und entlang der Ordinate die Konzentration der Silizium-Dotierungsprofils aufgetragen sind.
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1A 3 shows a section through a wear protection layer arrangement according to the invention, which comprises a substrate, an adhesion promoter layer, two transition layers and a functional layer that closes off from the outside, the functional layer designed as an amorphous carbon layer having a substrate-doped region on the substrate side and an undoped region on the surface side, -
1B a diagram illustrating a typical silicon doping profile for the substrate-side region of the functional layer, the layer thickness of the functional layer being plotted along the abscissa and the silicon doping profile as a function of the thickness of the functional layer along the ordinate. -
2A 4 shows a section through the wear protection layer arrangement according to the invention in accordance with a second embodiment, which comprises a substrate, an adhesion promoter layer and a functional layer designed as an amorphous carbon layer, the functional layer having a region doped with silicon on the substrate and an undoped region on the surface, and -
2 B FIG. 3 shows a diagram that shows a silicon doping profile for the substrate-side region of the functional layer of the layer arrangement according to the second embodiment of FIG2A illustrates, the layer thickness of the substrate-side region of the functional layer being plotted along the abscissa and the concentration of the silicon doping profile being plotted along the ordinate.
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Um die Temperaturbeständigkeit der amorphen wasserstoffhaltigen Schutzschicht
Die zwischen der Haftvermittlerschicht
In verfahrenstechnischer Hinsicht sind zur Herstellung der Verschleißschutzschichtanordnung die folgenden Schritte vorgesehen: Zunächst wird auf dem Substrat bzw. der Substratoberfläche die Chrom-Haftvermittlerschicht durch Abscheiden mittels Kathodenzerstäubung („Sputtern“) ausgebildet; in einem optionalen Schritt werden danach auf der Chrom-Haftvermittlerschicht zwei Übergangsschichten durch Abscheiden ausgebildet, wobei Acetylen mittels CVD („chemical vapor deposition“) abgeschieden wird und zur Silizium-Dotierung der Übergangsschichten ein siliziumhaltiges Gas zugegeben wird; und schließlich wird in einem abschließenden Verfahrensschritt die amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger „Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C:H films“, Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 [0003]S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger "Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C: H films", Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 [0003]
- A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer „Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films“, Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 [0003]A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer "Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C: H films", Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 [0003]
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer „Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films", Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 |
S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger „Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C:H films", Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 |
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