DE102019214934A1 - Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10), dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche zumindest teilweise mit einer wenigstens einschichtigen Verschleißschutzschicht (18) versehen ist. Auf der Verschleißschutzschicht (18) ist eine Verschleißschichtanordnung (24) angeordnet, so dass ein an der Verschleißschichtanordnung (24) anliegender Gegenkörper (12) durch Verschleiß an die Verschleißschutzschicht (18) angleichbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil, dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche zumindest teilweise mit einer mehrschichtigen Verschleißschutzschicht versehen ist. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Bauteilanordnung mit einem solchen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteil.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf metallische Bauteile, deren Oberflächen tribologisch hoch beansprucht sind, beispielsweise Bauteile, die im Rahmen eines Kraftstoffeinspritzsystems für Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen, insbesondere Ventilsitze von Kraftstoff Injektoren, Kolbenführungsflächen von Hochdruckpumpen, Gleitlagerschalen von Lagerstellen rotierender Wellen, insbesondere von Hochdruckpumpen. Auch andere mechanische oder hydraulische Anwendungen, insbesondere bei der Kraftstoffeinspritztechnik, sind bei Vorhandensein eines ähnlichen Belastungsprofils denkbar.
  • Stand der Technik
  • Zur Reduzierung von Verschleiß werden in tribologisch hochbelasteten Kontakten heutzutage dünne Hartstoffschichten verwendet, die mittels Plasmabeschichtungen aufgetragen werden. Unter anderem werden hierfür DLC (diamond-like carbon, harte Kohlenstoffschichten) Schichten verwendet. Da Kohlenstoffschichten sehr schlecht auf metallischen Substraten haften, werden typischerweise metallische Haftschichten bzw. Vermittlerschichten für eine bessere Anbindung der DLC-Schicht an das metallische Substrat verwendet.
  • Durch die Eigenschaft der DLC-Schicht an der Oberfläche während der Belastung zu graphitisieren, wird der Gegenkörper geschützt und somit der Verschleiß am Gegenkörper minimiert.
  • Aus der WO 2018/171977 A1 ist ein Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil bekannt. Eine tribologisch beanspruchte Oberfläche dieses Bauteils weist dabei eine mittels Plasmaverfahren aufgetragene Verschleißschutzschicht auf. Die Verschleißschutzschicht ist als Mehrkomponentenschicht ausgebildet und umfasst mindestens ein carbidbildendes Metall. Zusätzlich umfasst die Verschleißschutzschicht Kohlenstoff und ein weiteres Metall, welches keine Carbide oder nur nichtmetallische Carbide ausbildet.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil anzugeben mit welchem eine Haltbarkeit eines nicht beschichteten Gegenkörpers erhöht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung gibt ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil an, dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche zumindest teilweise mit einer wenigstens einschichtigen Verschleißschutzschicht versehen ist.
  • Erfindungsgemäß ist auf der Verschleißschutzschicht demgegenüber weichere Verschleißschichtanordnung angeordnet, so dass ein an der Verschleißschichtanordnung reibender Gegenkörper, durch gegenseitigen Materialabtrag, bezüglich der Verschleißschutzschicht einschleifbar ist. Die Verschleißschichtanordnung ist dabei eine zumindest einschichtige zusätzliche Beschichtung, welche selber verschleißt und welche auch zu einem gewissen Verschleiß des Gegenkörpers beiträgt, was den Einschleifeffekt verursacht. Die Verschleißschichtanordnung weist dabei einen wesentlich höheren Verschleiß auf, als die Verschleißschutzschicht. Mit dieser Schicht soll somit nicht der Verschleiß zusätzlich reduziert werden.
  • Es wurde erkannt, dass durch einen gewissen Verschleiß die Haltbarkeit der Bauteile erhöht werden kann. Die Dauer des Verschleißes ist dabei Abhängig von der Dicke der Verschleißschichtanordnung. Durch den stattfindenden Verschleiß wird ebenfalls die Verschleißschichtanordnung verschlissen, so dass der Gegenkörper nach einem Verschleiß der Verschleißschichtanordnung an der Verschleißschutzschicht anliegt. Es findet dementsprechend ein Einschleifen statt. Zu dem Zeitpunkt, bei welchem der Gegenkörper an der Verschleißschutzschicht anliegt wird dabei der Verschleiß minimiert.
  • Der vorab stattfindende Verschleiß hat dabei die Wirkung, dass eine durch Fertigungstoleranzen oder Lagetoleranzen vorhandene Ungenauigkeit beseitigt wird. Durch diese Ungenauigkeit liegt der Gegenkörper mit einer geringeren Fläche an dem verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteil an. Dadurch wird die Flächenpressung zwischen den beiden Bauteilen erhöht, so dass es zu einem früheren Bruch und damit zu einem Versagen der Bauteile kommen kann. Durch den geplanten Verschleiß wird diese Ungenauigkeit beseitigt, so dass die Bauteile mit einer höheren Fläche aneinander anliegen. Dementsprechend wird die Flächenpressung verringert, so dass die Wahrscheinlichkeit für einen Bruch sinkt. Folglich wird dadurch die Haltbarkeit erhöht.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Verschleißschichtanordnung wenigstens eine metallische Schicht. Eine metallische Schicht hat dabei den Vorteil, dass eine solche Schicht während der Verschleißphase ausreichend duktil ist, um eine hohe Flächenpressung aufnehmen zu können. Dadurch wird eine Bruch der Schicht vermieden. Zusätzlich wird auch die Gefahr eines Versagens des Gegenkörpers verringert.
  • Bevorzugt ist die metallische Schicht aus Refraktär-Metallen gebildet. Refraktär-Metalle sind dabei hochschmelzende Metalle, welche eine hohe Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit aufweisen. Die Refraktär-Metalle sind dabei Metalle wie beispielsweise Cr, Ti, V, Mb oder W. Mit solchen Metallen wird trotz des geplanten Verschleißes noch eine hohe Verschleißfestigkeit erzielt. Solche Materialien werden gewöhnlich zur Beschichtung eingesetzt, so dass diese Metall vorhanden sind und keine zusätzlichen Materialien zum Herstellen der metallischen Schicht benötigt werden. Diese Materialien sind zudem zumeist gegenüber unüblichen Beschichtungen günstig. Ebenso müssen auch keine zusätzlichen Materialien zur Beschichtung angeschafft werden, so dass eine solche metallische Schicht wirtschaftlich aufbringbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Verschleißschichtanordnung wenigstens eine keramische Schicht. Die keramische Schicht ist dabei bevorzugt aus Materialien wie Titannitrid, Chromnitrid, Vanadium Nitrid oder Wolframnitrid gebildet. Eine keramische Schicht hat den Vorteil, dass diese im Vergleich zu einer metallischen Schicht weicher und duktiler ist. Zusätzlich verschleißt eine solche Schicht schneller, so dass diese entsprechend eines gewünschten Ergebnisses gewählt werden kann.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Verschleißschichtanordnung wenigstens eine Metallcarbitschicht. Eine solche Schicht ist dabei vorzugsweise aus beispielsweise Chromcarbid, Wolframcarbit oder Titancarbit hergestellt. Eine Metallcarbitschicht hat dabei im Vergleich zu der metallischen oder keramischen Schicht den Vorteil, dass diese trotz einer Restduktilität härter ist. In Abhängigkeit des Gegenkörper der bestimmten Anwendung kann es dabei notwendig sein, dass die Schicht eher weniger duktil ist. Durch ein solche Material können diese Eigenschaften bereitgestellt werden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Verschleißschutzschicht eine DLC-Schicht ist. Eine DLC-Schicht (diamond-like carbon) ist dabei eine dünne Schicht die überwiegend aus dem Element Kohlenstoff bestehen. Bevorzugt werden dabei beispielsweise tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten oder wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten eingesetzt. Die DLC-Schichten haben dabei den Vorteil, dass diese eine hohe Härte aufweisen. Zusätzlich weisen die DLC-Schichten trotz der hohen Härte aufgrund eines Graphitisierens der Oberfläche gute Schmiereigenschaften auf, so dass der Verschleiß eines Gegenkörpers minimiert wird.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Verschleißschichtanordnung eine Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 6 µm auf. Bevorzugt ist die Schichtdicke dabei zwischen 1 µm und 5 µm und besonders bevorzugt zwischen 3 µm und 4 µm. Die Schichtdicke hängt dabei insbesondere von dem notwendigen Verschleiß ab. Mit solchen Schichtdicken kann dabei ein ausreichender Verschleiß an dem Gegenkörper erzeugt werden, um die Flächenpressung ausreichend reduzieren zu können.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist eine Schichtdicke der Verschleißschichtanordnung kleiner, als eine Schichtdicke der Verschleißschutzschicht. Dementsprechend wird für die Verschleißschichtanordnung weniger Material benötigt, als für die Verschleißschutzschicht. Dadurch fällt eine solche Verschleißschichtanordnung von den Kosten her nicht ins Gewicht. Die Verschleißschichtanordnung lässt sich daher verhältnismäßig günstig auf ein solches metallisches Bauteil auftragen. Aufgrund der relativen Schichtdicke wird daher nochmals deutlich, dass die Verschleißschichtanordnung lediglich während einer Anfangsphase wichtig ist.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist zwischen der Verschleißschichtanordnung und der Verschleißschutzschicht eine Haftschicht zur besseren Anbindung der Verschleißschichtanordnung an die Verschleißschutzschicht angeordnet ist. Dementsprechend wird die Verbindung zwischen der Verschleißschichtanordnung und der Verschleißschutzschicht verbessert, so dass es nicht zu einer Ablösung beider Schichten kommt.
  • Die Erfindung gibt zusätzlich eine Bauteilanordnung an. Bei dieser Bauteilanordnung kommt ein metallisches Bauteil mit einem Gegenkörper in einen verschleißverursachenden Kontakt, wobei das metallische Bauteil als ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil ausgebildet ist. Mit einer solchen Bauteilanordnung werden dabei die zuvor genannten Vorteile erzielt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 Ausführungsbeispiel eines verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils nach dem Stand der Technik mit einem Gegenkörper,
    • 2 Erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils,
    • 3 Zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils,
    • 4a Bauteilanordnung eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils und einem Gegenkörper zu Beginn des Betriebes, und
    • 4b Bauteilanordnung eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils und einem Gegenkörper nach einem Teilverschleiß der Verschlei ßschichtanordnung.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils 10 nach dem Stand der Technik mit einem Gegenkörper 12 gezeigt. Das Verschleißschutzbeschichtete metallische Bauteil 10 ist dabei gebildet aus einem metallischen Bauteil 14, auf dem auf einer tribologisch beanspruchten Oberfläche die Verschleißschutzschicht 18 aufgebracht ist. Die Verschleißschutzschicht 18 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel dabei eine Verschleißschutzdeckschicht 20 und eine Verschleißschutz-Haftschicht 22, welche zwischen der Verschleißschutzdeckschicht 20 und dem metallischen Bauteil 14 angeordnet ist. Mit der Verschleißschutz-Haftschicht 22 wird dabei die Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil 14 und der Verschleißschutzdeckschicht 20 verbessert.
  • Während des Einsatzes kommt der Gegenkörper 12 dabei in Kontakt mit der Verschleißschutzschicht 18. Der Verschleiß beider Körper wird durch die Verschleißschutzschicht 18 dabei reduziert.
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils 10. Dieses Bauteil 10 unterscheidet sich dabei zu dem in 1 gezeigten Bauteil 10 dadurch, dass auf der Verschleißschutzdeckschicht 20 eine weitere Schicht aufgebracht ist. Im Gegensatz zu der Verschleißschutzschicht 18 ist diese Schicht eine Verschleißschichtanordnung 24. Ein daran anliegender Gegenkörper 12 (hier nicht gezeigt) und die Verschleißschichtanordnung 24 verschleißen dabei schneller als an der Verschleißschutzschicht 18.
  • In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils 10 gezeigt. Dieses Bauteil 10 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Bauteil 10 dadurch, dass zwischen der Verschleißschichtanordnung 24 und der Verschleißschutzdeckschicht 20 eine Haftschicht 26 aufgebracht ist, so dass eine Verbindung zwischen diesen beiden Schichten verbessert ist.
  • 4a zeigt eine Bauteilanordnung eines erfindungsgemäßen verschleißschutzbeschichteten metallischen Bauteils 10 und einem Gegenkörper 12 zu Beginn des Betriebes. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verschleißschichtanordnung 22 noch vollständig erhalten. Ebenso weist der Gegenkörper 12 keinen Verschleiß auf. Die relative Lage beider Bauteile 10, 12 zueinander ist dabei übertrieben dargestellt. Es ist jedoch zu sehen, dass der Gegenkörper 12 lediglich an einer Spitze 28 mit der Verschleißschichtanordnung 24 in Kontakt ist, so dass die Kontaktfläche zwischen beiden Bauteilen 10, 12 reduziert ist. Dementsprechend ist die Flächenpressung hoch, so dass es zu einem Bruch der Spitze 28 kommen kann.
  • Demgegenüber zeigt 4b dieselbe Bauteilanordnung nach einer Betriebsdauer, nach welcher die Verschleißschichtanordnung 24 bereits teilweise verschlissen ist. Der Gegenkörper 12 liegt dabei durch die durch Verschleiß dünner gewordene Verschleißschichtanordnung fast an der Verschleißschutzschicht 18 an. Im Vergleich zu 4a ist zu sehen, dass während des Betriebes ebenfalls ein Verschleiß an der Spitze 28 des Gegenkörpers 12 stattgefunden hat, so dass die Spitze 28 abgeflacht ist und somit die Kontaktfläche zwischen dem metallischen Bauteil 10 und dem Gegenkörper 12 vergrößert ist. Dadurch wird die Flächenpressung verringert. Dementsprechend wird die Flächenpressung durch die Verschleißschichtanordnung 24 rascher verringert, als wenn der Gegenkörper 12 an der Verschleißschutzschicht 18 anliegen würde, so dass die Belastung des Gegenkörpers 12 reduziert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2018/171977 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10), dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche zumindest teilweise mit einer wenigstens einschichtigen Verschleißschutzschicht (18) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren Verschleißschutzschicht (18) eine weichere Verschleißschichtanordnung (24) aufgetragen ist, so dass ein an der Verschleißschichtanordnung (24) reibender Gegenkörper (12), durch gegenseitigen Materialabtrag, bezüglich der Verschleißschutzschicht (18) einschleifbar ist.
  2. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschichtanordnung (24) wenigstens eine metallische Schicht umfasst.
  3. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verschleißschichtanordnung (24) aus Refraktär-Metallen gebildet ist.
  4. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschichtanordnung (24) wenigstens eine keramische Schicht umfasst.
  5. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschichtanordnung (24) wenigstens eine Metallcarbitschicht umfasst.
  6. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (18) als eine DLC-Schicht ausgebildet ist.
  7. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschichtanordnung (24) eine Schichtdicke zwischen 0,5 µm und 6 µm aufweist.
  8. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verschleißschichtanordnung (24) und der Verschleißschutzschicht (18) eine zusätzliche Haftschicht (26) zur besseren Anbindung der Verschleißschichtanordnung (24) an die Verschleißschutzschicht (18) angeordnet ist.
  9. Verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Verschleißschichtanordnung (24) kleiner ist, als eine Schichtdicke der Verschleißschutzschicht (18).
  10. Bauteilanordnung, bei der ein metallisches Bauteil (14) mit einem Gegenkörper (12) in einen verschleißverursachenden Kontakt kommt, wobei das metallische Bauteil (14) als ein verschleißschutzbeschichtetes metallisches Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
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