DE102019210061A1

DE102019210061A1 - Auf Gleitreibung beanspruchtes System

Info

Publication number: DE102019210061A1
Application number: DE102019210061.9A
Authority: DE
Inventors: Tim Kunze; Stefan Makowski; Sophie Trautewig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-01-14
Also published as: WO2021005058A1

Abstract

Bei dem auf Gleitreibung beanspruchtes System mit verbesserten tribochemischen Verschleißeigenschaften ist eine auf Gleitreibung beanspruchte Oberfläche mindestens eines Reibpartners mit einer wasserstofffreien ta-C-Beschichtung versehen, die an der Oberfläche mit alternierend nebeneinander angeordneten Bereichen, die überwiegend mit sp3(B) und sp2(A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, gebildet ist. Dabei sind Bereiche, die überwiegend mit sp2(A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind bis in eine Tiefe von maximal 2 µm ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung ausgebildet. Zwischen Oberflächen von zwei Reibpartnern ist ein Schmiermittel eingesetzt, das Fettsäuren oder deren Molekülverbindungen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf Gleitreibung beanspruchtes System mit verbesserten tribochemischen Verschleißeigenschaften. Dabei gleiten zwei Oberflächen von zwei Reibpartnern aneinander. Bei solchen Systemen müssen zwei wesentliche Probleme beachtet werden. Dies ist einmal ein möglichst kleiner Reibungskoeffizient, der sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken kann. Zum anderen ist ein geringer Verschleiß wünschenswert, um eine erhöhte Lebensdauer zu erreichen.
Beide Probleme können auch durch geeignete Schmiermittel positiv beeinflusst werden.
In jüngster Vergangenheit wurden Oberflächen von Reibpartnern, die auf Reibung beansprucht werden u.a. auch mit amorphem Kohlenstoff beschichtet. Dabei hat sich heraus gestellt, dass wasserstofffreie ta-C-Schichten gut geeignet sind. So werden bereits beispielsweise auf Reibung beanspruchte Oberflächen von Elementen, die in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, so beschichtet.
Es hat sich gezeigt, dass diese Schichten aufgrund der hohen Härte sehr verschleißfest sind. ta-C-Beschichtungen ermöglichen somit den Einsatz hochbelasteter Gleitkontakte, welche sonst zum Kaltverschweißen/Fressen neigen und zum sofortigen Ausfall des Systems führen würden.
Untersuchungen zeigen jedoch, dass bei hochbelasteten tribologischen Kontakten ein kritischer chemischer Verschleißmechanismus auftreten kann, wenn ungünstige Bedingungen gemeinsam auftreten. Dies sind z.B. ta-C/Stahl-Kontakte (ta-C: hoher sp³-Gehalt) bei denen eine hohe Flächenpressung (p > 1000 MPa), eine erhöhte Temperatur sowie Schmiermittel mit ungesättigten Fettsäuren oder deren Derivate auftritt. Der Verschleiß an der ta-C-Schicht kann dann um den Faktor 1000 und mehr ansteigen.
Dieses tribochemische Verschleißverhalten schränkt den angestrebten Einsatz von Schmiermitteln auf Basis nachwachsender Rohstoffe mit ta-C-Schichten ein, da diese in der Regel Bestandteile ungesättigter Fettsäuren enthalten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Verbesserung des Verschleißverhaltens und insbesondere für eine reduzierte Verschleißrate bei gleichzeitig gutem Reibungskoeffizienten anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen System ist eine auf Gleitreibung beanspruchte Oberfläche mindestens eines Reibpartners mit einer wasserstofffreien ta-C-Beschichtung versehen, die an der Oberfläche mit alternierend nebeneinander angeordneten Bereichen, die überwiegend mit sp³ und sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, gebildet ist. Dabei sind Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind bis in eine Tiefe von maximal 2 µm ausgehend von der Oberfläche der Beschichtung ausgebildet. Außerdem ist zwischen Oberflächen von zwei Reibpartnern ein Schmiermittel eingesetzt, das Fettsäuren oder deren Molekülverbindungen zur Reibungsminderung auf ta-C-Schichten, bevorzugt Bestandteile auf Basis nachwachsender Rohstoffe enthält.
Unter „überwiegend mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet“ soll ein Anteil von mindestens 55 Vol.-% verstanden sein.
Unter „überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet“ soll ein Anteil von mindestens 65 Vol.-% verstanden sein.
Vorteilhaft sollten Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, linienförmig und/oder mit punktförmigen Elementen ausgebildet sein. Linienförmige Bereiche können dabei parallel zueinander ausgerichtet sein, wobei es vorteilhaft ist, linienförmige Strukturelemente, die linienförmige Bereiche bilden, senkrecht oder parallel zu einer Bewegungsrichtung in der Reibung auftritt, auszurichten.
Es können dabei aber auch linienförmige Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, in eine Achsrichtung eine größere Tiefe ausgehend von der Oberfläche der Beschichtung aufweisen, als Bereiche, die ebenfalls überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet und in eine andere Achsrichtung, insbesondere senkrecht zu den Bereichen, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff und größerer Tiefe ausgebildet sind, ausgerichtet sein.
Bereiche, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, können als linienförmige Struktur mit unterschiedlicher Tiefe einzelner Strukturelemente ausgebildet sein.
Bereiche der Oberfläche, die überwiegend mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, sollten mindestens 10 % der Oberfläche der Beschichtung bilden.
Vorteilhaft besteht auch die Möglichkeit, dass in der Beschichtung mindestens eine Schicht parallel zur Oberfläche der Beschichtung und in einem Abstand zur Oberfläche der Beschichtung, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung ist besonders günstig, um Scherspannungen, die bei der reibenden Beanspruchung auftreten, besser zu kompensieren.
In der ta-C-Beschichtung können mehrere ta-C-Schichten, die die überwiegend mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, angeordnet sein. Vorteilhaft können diese Schichten auch unterschiedliche Härten aufweisen.
Dieser Vorteil kann aber auch dadurch erreicht werden, in dem ausgehend von der Oberfläche der Beschichtung ein gradierter Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff, der ausgehend von der Oberfläche der Beschichtung ansteigt, oder parallel zur Oberfläche der Beschichtung Schichten ausgebildet sind, deren jeweiliger Anteil an sp²hybridisiertem Kohlenstoff ausgehend von der Oberfläche von Schicht zu Schicht stufenweise ansteigt, angeordnet ist/sind. Es ist aber auch ein kontinuierlicher Anstieg des Anteils an sp² hybridisiertem Kohlenstoff ausgehend von der Oberfläche des Substrates bis zur Oberfläche der ta-C-Beschichtung möglich.
Dabei sollte die ta-C-Schicht mit überwiegend sp³ hybridisiertem Kohlenstoff in mindestens einem Bereich einen Anteil von mindestens 55 Vol.-% aufweisen. Die Bereiche mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff sollten einen Gehalt von mindestens 50 Vol.-% aufweisen, darüber hinaus kann mindestens ein Bereich einen um mindestens 20 Vol.-% geringeren sp³-Anteil gegenüber den Bereichen mit überwiegend sp³ hybridisiertem Kohlenstoff aufweisen.
(Beispiele: beliebige Stapel mit 40 Vol.-%/50 Vol.-%/60 Vol.-% sp³-Bereichen; beliebiger Gradient von 35 Vol.-% auf 55 Vol.-% sp³ oder auch beliebiger Gradient von 49 Vol.-% bis 70 Vol.-% sp³)
Diese Schichten oder ein gradierter sich kontinuierlich verändernder Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff können ausgebildet werden, indem die lonenenergie während des Beschichtungsprozesses entsprechend variiert wird.
Die Beschichtung sollte eine Mindestschichtdicke von 0,1 µm aufweisen.
Mit einer strukturierten ta-C-Beschichtung kann der reibungsmindernde Vorteil der Beschichtung ohne tribochemischen Verschleiß genutzt werden.
Die Kombination von ta-C-Schicht mit fettsäurebasierten Schmiermitteln oder Schmierstoffzusätzen (z.B. Glycerol-Monooleat, auch GMO) bringt gute Reibvorteile. Ohne eine Strukturierung mit Bereichen, die überwiegend mit sp² hybridisertem Kohlenstoff gebildet sind, steigt der Verschleiß unter ungünstigen Bedingungen der ta-C-Beschichtung jedoch um den Faktor 100 oder höher gegenüber abrasivem Verschleiß an.
Die Kombination von strukturierter ta-C-Beschichtung mit fettsäurebasiertem Schmiermittel bringt erhebliche Reibvorteile ohne dass Verschleiß auftritt, da der lokal definiert rehybridisierte sp²-reiche Anteil der ta-C-Beschichtung keinem tribochemischen Verschleiß unterliegt und dadurch der Verschleiß der gesamten ta-C-Beschichtung vermieden werden kann.
Gleichzeitig bietet der verbleibende sp³-reiche Anteil der ta-C-Beschichtung aufgrund der hohen Härte guten Verschleißschutz für klassischen abrasiven Verschleiß. Eine so strukturierte ta-C-Beschichtung ist deshalb beständig gegen tribochemischen und abrasiven Verschleiß.
Der tribochemische Verschleiß kann so stark vermindert werden, dass er vergleichbar zum abrasiven Verschleiß fast nicht messbar ist. Eine Verschleißspur kann dann eine Tiefe von nur wenigen hundert Nanometern, insbesondere < 0,5 µm aufweisen.
Die wasserstofffreie ta-C-Beschichtung kann in an sich bekannter Weise mit einem PVD-Verfahren, insbesondere mittels des einschlägig bekannten Laser-Arc-Verfahren ausgebildet werden.
Nach dem die Beschichtung als homogene Schicht, mindestens eine Schicht mit erhöhtem Anteil an überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff oder als gradierte Beschichtung, wie oben beschrieben, ausgebildet worden ist, können Bereiche ausgehend von der Oberfläche lokal definiert ausgebildet werden, in dem ein lokal definierter Energieeintrag, beispielsweise mittels mindestens eines Laserstrahls lokal definiert entlang der Oberfläche der ta-C-Beschichtung mit seinem Brennfleck geführt wird. Dabei kann lokal definiert eine Rehybridisierung, bei der sp³ hybridisierter Kohlenstoff in sp² hybridisierten Kohlenstoff umgewandelt wird, erreicht werden. Hierfür kann man auch das Verfahren der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP), bei dem mindestens zwei Teilstrahlen eines aufgeteilten Laserstrahls miteinander interferierend auf die ta-C-Beschichtung gerichtet werden, einsetzen. Dies ist ein hochproduktives Verfahren.
Durch die Kombination von ta-C-Schichten mit hohem sp³-Anteil mit der Bearbeitung durch einen IR-Laser können besonders hohe Umwandlungstiefen erreicht werden.
Bei dem System wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (ta-C) einschließlich ta-C:Me und ta-C:X ist die Wirkung der Strukturierung wesentlich. Als Me kann man beispielsweise Eisen, Kupfer, Molybdän oder Chrom in die ta-C-Beschichtung dotieren. X kann beispielsweise Fluor, Silizium, Bor oder Stickstoff sein.
Wie bereits erläutert, können Bereiche, insbesondere an der Oberfläche einer ta-C-Beschichtung überwiegend mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff und dazu alternierend Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff mit Strukturtiefen im Bereich des Lebensdauerverschleißes (insbesondere zwischen 0,1 µm - 2 µm) ausgebildet sein. Der Anteil an überwiegend sp³ hybridisiertem Kohlenstoff kann innerhalb der amorphen Kohlenstoff-Beschichtung zwischen 2 Vol.-% bis 90 Vol.-% variieren, was eine Variation der Härte zwischen 10 GPa bis 80 GPa und des E-Moduls zwischen 100 GPa bis 800 GPa zur Folge hat. Ein linienförmiger Bereich, der überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann eine Breite von 0,05 µm bis 50 um, insbesondere 0,2 - 20 µm, aufweisen. Der Abstand linienförmiger Bereiche oder von zwei nebeneinander angeordneten Linien, die mit punktförmigen Elementen gebildet sind, sollte 0,05 µm bis 50 um betragen. Mit linienförmigen Bereichen oder punktförmigen Elementen können auch kreuzförmige oder andere geometrische Strukturen ausgebildet sein.
Eine so strukturierte ta-C-Beschichtung kann folgende Eigenschaften aufweisen:

• Lokale, sp²-Bereiche A vermeiden einen tribochemischen Verschleiß über die gesamte Kontaktfläche
• Die Inhibitionswirkung resultiert aus der chemischen Struktur, welche in der Tiefe ausgebildet wird. Sie ist wirksam, bis die Schicht bis zur Umwandlungstiefe vollständig abrasiv abgetragen wird. Da bei üblicher abrasiver Beanspruchung der Abtrag über die Lebensdauer die Umwandlungstiefe von bis zu 2 µm in der Regel nicht übersteigt, kann die chemische Struktur als lebensdauerstabil angesehen werden.
• Aufgrund des lokal unterschiedlichen Verschleißwiderstandes der ta-C und a-C-Bereich bildet sich bei Abrasion eine selbsterhaltende topographische Struktur aus.

Die geometrische Gestalt und Dimensionierung von Strukturen, die aus Bereichen mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, kann von dem zu erwartenden Verschleiß abhängig definiert werden. Über die eingesetzte Laserwellenlänge und das Strukturierungsverfahren lassen sich Tiefe, Form/Richtung unabhängig voneinander einstellen, wodurch ein präzises, komplexes Design der rehybridisierten Strukturen möglich wird.
Bei tribologischer Anwendung können definierte, tiefenabhängige Strukturen erzeugt werden, indem sich über die Lebensdauer und mit Verschleißfortschritt aus mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet Bereichen topografische Strukturen durch Abrasion oder tribochemischen Verschleiß ausbilden.
Es können nach dem lokal definierten Energieeintrag in die ta-C-Beschichtung definierte, oberflächennahe Einlaufstrukturen erhalten werden, die z.B. eine hohe Flächenpressung zur Aktivierung von Extreme-Pressure- Schmierstoffadditiven (EP-Additive) mit anschließend niedrigerer Flächenpressung sowie eine höhere Schmierfilmdicke ermöglichen.
Mit Linienstrukturen als Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, kann das Schmiermittelverhalten gezielt beeinflusst werden, beispielsweise um die Zuführung oder das Ausquetschen von Schmiermittel im tribologischen Kontakt gezielt zu beeinflussen.
Mit Punktstrukturen als Bereiche, die überwiegend mit sp2 hybridisiertem Kohlenstoff ausgebildet sind, können Taschen zur Schmierstoffrückhaltung erhalten werden.
Es ist die Kombination verschiedener Strukturen von Bereichen bzw. Schichten, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, möglich.
Verschleißindikator, Der Abtrag mit einer Tiefe ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung in Bereichen, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, kann einen Verschleißindikator darstellen.
Mit Bereichen, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, kann ein optisch unsichtbares Sicherheitsmerkmal erhalten werden, das sich nach Gebrauch (normaler tribochemischer oder abrasiver Verschleiß) noch auf bzw. in der ta-C-Beschichtung nachweisen lässt (z.B. Kalottenschliff, Raman-Mapping, Laserbeugung, ggfls. auch mit Auge für große Strukturen).
Es können definierte kompositartige Kohlenstoffstrukturen mit harten ta-C-Abschnitten in weicher a-C-Matrix zur gezielten Modifikation von E-Modul-Härte-Verhältnis (Errosions-, Abrasions-, Verschleißbeständigkeit, Eigenspannungsrelaxation) eingesetzt und ausgenutzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können die Merkmale einzelner Beispiele oder Merkmale, die man Figuren entnehmen kann, unabhängig vom jeweiligen Beispiel oder Figur miteinander kombinieren.
Dabei zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Beispiel, bei dem eine Oberfläche eines Reibpartners mit einer ta-C-Beschichtung versehen ist, die im Wesentlichen mit Bereichen, die mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, an der Oberfläche lokal definiert Bereiche ausgehend von der Oberfläche aufweisen, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, aufweist, und bei tribochemischer oder abrasiver Verschleißbeanspruchung einem selektiven Abtrag unterliegen;
2 in schematischer Darstellung ein Beispiel, bei dem eine Oberfläche eines Reibpartners mit einer ta-C-Beschichtung versehen ist, bei der linienförmige Bereiche, die mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen mit unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlichem Abstand vorhanden sind;
3 in schematischer Darstellung ein Beispiel, bei dem eine Oberfläche eines Reibpartners mit einer ta-C-Beschichtung versehen ist, bei dem zusätzliche parallele Schichten, die mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet und parallel zur Oberfläche der ta-C-Beschichtung ausgerichtet sind und
4 in schematischer Darstellung ein Beispiel, bei dem eine Oberfläche eines Reibpartners mit einer ta-C-Beschichtung mit gradiertem Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff versehen ist.

Die ta-C-Beschichtung, wie sie bei Beispielen gemäß der 1 bis 3 angewandt werden kann, weist einen ca. 75 Vol.-%-igen Anteil an sp³ hybridisiertem Kohlenstoff B, eine Härte H = 60 GPa und einen E-Modul von E = 600 GPa auf.
Die Gesamtschichtdicke kann bei allen Beispielen mit 5,7 µm gewählt werden.
Für die lokal definierte Ausbildung der Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff A gebildet sind, kann man eine Strukturierung der ta-C-Beschichtung mittels DLIP, bei einer Laserwellenlänge 1054 nm, einer Pulsdauer 12 ns, einer Pulsfrequenz 1 kHz und einer Energiedichte ca. 1100 mJ/cm² durchführen. Dabei kann man Bereiche, die mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff A gebildet sind, als eine linienförmige Kreuzstruktur mit 5 µm Strukturlänge und einer initialen Topographiehöhe von ca. 300 nm ausbilden. Diese Bereiche weisen lokal veränderte Eigenschaften, wie eine Härte 20 GPa bei einem ca. 15 Vol.-%-igen sp³-Anteil auf.
Bei einer tribologischen Prüfung wurde mit einem hochbelasteten, reversierenden Kontakt mit einer Stahlkugel auf eine auf einer Oberfläche eines Substrats, das den Reibpartner darstellen sollte, auf eine ta-C-Beschichtung eingewirkt. Die Kugel hatte einen Außendurchmesser d = 10 mm, es wirkte eine Normalkraft von 50 N, was einer initialen Flächenpressung von ca. 1,2 GPa entspricht. Es wurde eine Temperatur von 80°C, bei einer Versuchsdauer von 1 h, eine Schwingweite der Kugelbewegung von 1 mm und eine Schwingfrequenz von 50 Hz eingehalten. Als Schmiermittel wurde Glycerol-Monooleat (GMO), als initiale Tröpfchenschmierung eingesetzt.
5 kann man die erfindungsgemäß verbesserten Verschleißeigenschaften entnehmen, welche im Vergleich zu einer nicht strukturierten ta-C-Beschichtung sowie der Motoröl-Schmierung dargestellt sind. Während der Verschleiß der ta-C-Beschichtung bei Motoröl-Schmierung nicht messbar ist und ein üblicher Reibkoeffizient von mehr als 0,1 erzielt wird, kommt es bei der Verwendung von GMO als Schmiermittel zu einer vorteilhaften niedrigeren Reibung, jedoch erhöht sich der Verschleiß erheblich um fast den Faktor 100 durch Einsetzen eines tribochemischen Verschleißmechanismus. Durch die Kombination einer strukturierten ta-C-Beschichtung mit GMO-Schmierung kann ein niedriger Reibkoeffizient erhalten werden, wobei der Verschleiß unterhalb der Messgrenze bleibt. Auf diesem Weg können durch Kombination von ta-C-Beschichtung und Schmiermitteln, die Bestandteile auf Basis nachwachsender Rohstoffe enthalten, unter Vermeidung des tribochemischen Verschleißes eingesetzt werden.
1a kann man entnehmen, dass sich das Volumen der Bereiche, die mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff A gebildet sind, nach der Rehybridisierung vergrößert und diese Bereiche Erhebungen an der Oberfläche der ta-C-Beschichtung bilden. Das überstehende Volumen der Erhebungen aus überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff A kann vor der Anwendung mechanisch abgetragen werden, wie es in 1 b dargestellt ist. Bei tribochemischem Verschleiß unterliegen die Bereiche, die mit überwiegend sp³ hybridisiertem Kohlenstoff B gebildet sind, einem verstärkten Angriff, sodass die Bereiche B erhaben bleiben und eine Struktur ausbilden (1c). Diese selbstausbildende Struktur bleibt auch bei einem fortgeschrittenem Abtrag vorhanden (1d). Bei abrasivem Verschleiß unterliegen die Bereiche A einem verstärkten Angriff (1e) und bilden eine Topografie aus, welche sich umgekehrt zur initialen Topografie verhält. Aufgrund der hohen Härtedifferenz erhält sich die Struktur auch bei fortschreitendem Abtrag der härteren, überwiegend aus sp³ hybridisiertem Kohlenstoff B ausgebildeten Bereichen (1f).
So ist in 1 ein Beispiel in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, bei dem eine wasserstofffreie ta-C-Beschichtung auf einer Oberfläche eines Substrats C mit überwiegend sp³ hybridisiertem Kohlenstoff B mit einem Anteil von 75 Vol.-% ausgebildet worden ist. Anschließend wurden linienförmige Bereiche A, die mit überwiegend sp² hybridisiertem Kohlenstoff mit einem DLIP-Verfahren ausgebildet. Diese Bereiche hatten einen Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff A von 85 Vol.-%, eine Strukturtiefe von 0,6 µm, eine Strukturperiode A von 5 µm.
Mit 2 soll verdeutlicht werden, wie linienförmige Bereiche, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff A gebildet sind, ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung in zwei bei diesem Beispiel senkrecht zueinander ausgerichtete Achsrichtung verlaufen können und mit unterschiedlicher Tiefe in jeder der zwei Achsrichtungen ausgebildet werden können.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel sind zwei Schichten parallel zur Oberfläche der ta-C-Beschichtung innerhalb dieser Beschichtung während ihrer Herstellung ausgebildet worden. Diese Schichten hatten jeweils eine Schichtdicke, die 25 % der Gesamtschichtdicke der ta-C-Beschichtung ausmacht. Der Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff A in diesen Schichten betrug 85 Vol.-%. Anschließend wurden wieder linienförmige Bereiche, wie beim Beispiel nach 1 mittels eines DLIP-Verfahrens ausgebildet.
Das Beispiel nach 4 unterscheidet sich von den Beispielen gemäß der 1 und 3 dadurch, dass sich der Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff A ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung kontinuierlich oder sukzessive stufenweise erhöht. Dies kann man bei der Herstellung der ta-C-Beschichtung, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, erreichen. Dabei liegt der Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff A an der Oberfläche der ta-C-Beschichtung bei 25 Vol.-% und verringert sich ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung stufenweise oder kontinuierlich bis zur Oberfläche des Substrats C auf 85 Vol.-%.
Anschließend wurden wieder linienförmige Bereiche mittels DLIP-Verfahren ausgebildet, die wieder überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff A durch den lokal definierten Energieeintrag gebildet sind.

Claims

Auf Gleitreibung beanspruchtes System mit verbesserten tribochemischen Verschleißeigenschaften, bei dem eine auf Gleitreibung beanspruchte Oberfläche mindestens eines Reibpartners mit einer wasserstofffreien ta-C-Beschichtung versehen ist, die an der Oberfläche mit alternierend nebeneinander angeordneten Bereichen, die überwiegend mit sp³ (B) und sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, gebildet ist, wobei Bereiche, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind bis in eine Tiefe von maximal 2 µm ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung ausgebildet sind, und zwischen Oberflächen von zwei Reibpartnern ein Schmiermittel eingesetzt ist, das Fettsäuren oder deren Molekülverbindungen enthält.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, linienförmig und/oder mit mehreren punktförmigen Elementen ausgebildet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Oberfläche, die überwiegend mit sp³ (B) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, mindestens 10 % der Oberfläche der ta-C-Beschichtung bilden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, als linienförmige Struktur in eine Achsrichtung eine größere Tiefe ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung aufweisen, als Bereiche, die ebenfalls überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet und in eine andere Achsrichtung, insbesondere senkrecht zu den Bereichen, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff und größerer Tiefe ausgebildet sind, ausgerichtet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche, die überwiegend mit sp² (A) hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, als linienförmige Struktur mit unterschiedlicher Tiefe einzelner Strukturelemente ausgebildet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ta-C-Beschichtung mindestens eine parallel zur Oberfläche der ta-C-Beschichtung und in einem Abstand zur Oberfläche der ta-C-Beschichtung mindestens eine Schicht, die überwiegend mit sp² hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ta-C-Beschichtung mehrere ta-C-Schichten, die überwiegend mit sp³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet sind, angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Oberfläche der ta-C-Beschichtung der Anteil an sp² hybridisiertem Kohlenstoff kontinuierlich oder von Schicht zu Schicht stufenweise ansteigt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmiermittel eine Fettsäure oder ein Fettsäureester, insbesondere Ölsäure oder ein Ölsäureester enthalten ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ta-C-Beschichtung eine Mindestschichtdicke von 0,1 µm aufweist.