DE102020202567A1

DE102020202567A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten einer tribologisch hochbelasteten Oberfläche eines metallischen Bauteils

Info

Publication number: DE102020202567A1
Application number: DE102020202567.3A
Authority: DE
Inventors: Marcus Guenther
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2021170286A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer tribologisch hochbelasteten Oberfläche eines metallischen Bauteils (1) mit einer kohlenstoffhaltigen harten Verschleißschutzschicht (2), welche durch ein Plasmaverfahren zumindest einschichtig über zumindest einen Teil der Oberfläche des Bauteils (1) per Sputterquelle (4) aufgetragen wird, wobei die aufgetragene Verschleißschutzschicht (2) anschließend mit von einer lonenquelle (5) generierten Ionen beaufschlagt wird, um die aufgetragene Verschleißschutzschicht (2) zu kompaktieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Beschichten einer tribologisch hochbelasteten Oberfläche eines metallischen Bauteils mit einer kohlenstoffhaltigen harten Verschleißschutzschicht, welche durch ein Plasmaverfahren zumindest einschichtig über zumindest einen Teil der Oberfläche des Bauteils per Sputterquelle aufgetragen wird.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere auf Kraftstoffeinspritzsysteme. Deren metallischen Bauteile, wie beispielsweise Ventilsitze von Kraftstoffinjektoren, Injektornadeln, Gleitlagerstellen bei Hochdruckpumpen und dergleichen sind im Betrieb starken Drücken und Reibbeanspruchungen ausgesetzt, so dass derartige tribologisch hoch beanspruchten Oberflächen hier interessierender metallischer Bauteile mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen sind, welche insbesondere die Reibwerte in tribologischen Kontakten deutlich senken.
Derartige Verschleißschutzschichten enthalten beispielsweise Chromnitrit, Titannitrit oder DLC (Diamond-Like Carbon). Besondere wasserstofffreie tetraedrische amorphe Kohlenstoffschichten, so genannte ta-C-Schichten, eignen sich aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständigkeit und einem geringen Reibwert gegenüber metallischen Gegenkörpern für tribologisch hochbelastete Kontakte. Derartige Verschleißschutzschichten kommen neben der Einspritztechnik auch in der Werkzeugtechnik zum Einsatz, also als Werkzeugbeschichtungen.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2009 046 284 A1 geht ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht hervor. Dabei wird die Verschleißschutzschicht durch Lichtbogenabscheidung auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht. Die Lichtbogenabscheidung oder Vakuumbogenverdampfung verursacht so genannte Droplets auf der Oberfläche der Verschleißschutzschicht, welche sich beim Schichtwachstum auf den Bauteilen mit ablagern. Diese werden durch eine nachfolgende Ultraschall-Kavitationsbehandlung entfernt. Die verfahrensbedingt verbleibenden Vertiefungen können in vorteilhafter Weise anschließend als Schmiermitteltaschen dienen.
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass die störenden Droplets alternativ auch durch einen mechanischen Finish-Prozess, beispielsweise mittels Bürsten, Schleifbändern oder abrasiven Medien entfernt werden können, was jedoch ebenfalls einen aufwendigen zusätzlichen Arbeitsschritt verursacht.
Ein weiteres allgemein bekanntes Verfahren zum Abscheiden von insbesondere ta-C-Schichten stellt das so genannte HiPIMS (Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern) dar. Hierdurch wird durch kurze hochenergetische Pulse bei Spannungen von bis zu zwei Kilovolt eine Ionisierung des Sputtermaterials erreicht, das anschließend mittels Bias-Spannung zum Substrat beschleunigt wird und dort eine harte Kohlenstoffschicht ausbildet. Hierfür ist allerdings eine aufwendige Generatorentechnik im Vergleich zu herkömmlichen Sputterquellen notwendig. Dies betrifft neben den Sputter-Generatoren auch den Generator für die Bias-Spannung. Zusätzlich müssen diese im unteren Kilohertzbereich betriebenen Geräte untereinander synchronisiert werden. Insbesondere bei großen Kathodenflächen, wie diese in Batch-Anlagen für Automotive-Anwendungen üblich sind, stößt diese Technologie an Machbarkeitsgrenzen, da neben den hohen Spannungen auch hohe Pulsströme von mehreren Kiloampere Spitzenstrom erzeugt werden müssten, was auch zu Lichtbogenproblemen an der Kathode selbst führen kann.
Aus der DE 10 2016 225 449 A1 geht ein anderes Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht hervor, bei welchem durch ein Plasmaverfahren zumindest einschichtig über zumindest einen Teil der Oberfläche des Bauteils eine harte Verschleißschutzschicht aufgetragen wird. Die sich dabei auf der Oberfläche der aufgetragenen harten Verschleißschutzschicht abscheidenden Droplets werden mechanisch in vorstehend beschriebener Weise entfernt.
Um die dabei wiederum entstehenden Vertiefungen auf der Oberfläche zu glätten, wird auf die mechanisch bearbeitete Verschleißschutzschicht eine demgegenüber weichere Einlaufschicht aufgetragen. Gegenüber der Verschleißschutzschicht ist die weichere Einlaufschicht als eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C: H) ausgebildet. Auch dieses Beschichtungsverfahren bedarf mehrerer örtlich getrennt voneinander auszuführender Arbeitsschritte.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines metallischen Bauteils mit einer harten Verschleißschutzschicht zu schaffen, mit welchem/welcher sich in fertigungstechnisch einfacher Weise ein serientaugliches Beschichten der Bauteile mit einer dropletfreien, wasserstofffreien und harten Verschleißschutzschicht durchführen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 9 gibt eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung an.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass die per Plasmaverfahren aufgetragene Verschleißschutzschicht anschließend mit von einer Ionenquelle generierten Ionen beaufschlagt wird, um die aufgetragene Verschleißschutzschicht zu kompaktieren.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass damit ein Herstellungsverfahren zur Abscheidung von insbesondere wasserstofffreien ta-C-Schichten als Verschleißschutzschichten ohne aufwendige Generatorentechnik bereitgestellt werden kann, wobei die Vermeidung störender Droplets auf der Oberfläche durch eine zusätzliche lonenquelle im Zuge einer Plasmaionisierung erfolgt, indem damit ein Nachkompaktieren der herkömmlichen Sputterschicht erfolgt.
Vorzugsweise wird zum Schichtaufbau der Verschleißschutzschicht auf der Oberfläche des Bauteils das Auftragen A und Kompaktieren B periodisch wiederholt, bis eine ausreichende Schichtdicke erzeugt ist. Dies kann vorteilhafterweise im kontinuierlichen Fertigungsverfahren durchgeführt werden. Dabei kompaktieren die Ionen der lonenquelle die wachsende Schicht, so dass sp3- Kohlestoff-Kohlenstoffbindungen erzeugt werden, also eine möglichst harte Kohlenstoffschicht entsteht, welche eine Schichthärte von vorzugsweise < 30 GPa aufweist.
Vorzugsweise wird die lonenquelle mit einem Edelgas betrieben, so dass zum Kompaktieren Edelgasionen generiert werden. Als Edelgas kommen beispielsweise Argon, Neon, Krypton oder Xenon in Betracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die lonenquelle zur Steuerung der Ionenenergie mit einer zusätzlichen Bias-Spannung zwischen Bauteil und Ionenquelle betrieben werden. Als lonenquelle kann ein Elektronenbogen, eine Mikrowellenentladung oder RF-Ionenquelle oder ähnliches verwendet werden.
Da die erfindungsgemäße Nachkompaktierung nur auf die Oberfläche der wachsenden Verschleißschutzschicht wirkt, sind die beiden Prozessschritte A und B wie vorstehend erläutert periodisch zu wiederholen, was durch eine Rotation einer Werkstückhalteeinheit realisierbar ist, welche ein oder mehrere Bauteile aufnimmt.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass mehrere Sputterquellen vorgesehen sind, welche die Verschleißschutzschicht mit unterschiedlichen Elementen dotieren. So kann eine Dotierung mit beispielsweise Wolfram, Chrom oder Bor durchgeführt werden.
Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Rahmen einer kontinuierlichen Fertigung wird vorgeschlagen, die lonenquelle räumlich getrennt von der mindestens einen Sputterquelle anzuordnen. So kann gemäß einer ersten Ausführungsform die lonenquelle gegenüberliegend der Sputterquelle angeordnet sein, wobei das mindestens eine Bauteil rotierend dazwischen positioniert ist, um einen anwachsenden Schichtaufbau mit periodischem Auftragen A und Kompaktieren B zu realisieren.
Nach einer zweiten Ausführungsform können mehrere kranzförmig angeordnete Bauteile zwischen lonenquelle und Sputterquelle rotierend positioniert werden. Hiermit lassen sich vorteilhafterweise gleichzeitig mehrere Bauteile beschichten.
Gemäß einer dritten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass im Zentrum von mehreren kranzförmig rotierenden Bauteilen eine innere lonenquelle positioniert ist, wobei die Sputterquelle außenliegend angeordnet ist. Dabei dreht sich bei der kranzförmigen Anordnung der Kranz der Bauteile und die Bauteile rotieren zusätzlich um die eigene Achse. Eine solche Vorrichtung lässt sich im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsformen besonders bauraumsparend realisieren.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 einen schematischen Ablaufplan des Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Bauteils mit einer kohlenstoffhaltigen harten, dropletarmen Verschleißschutzschicht,
2 einen schematischen Teilquerschnitt durch ein Bauteil mit hieran angebrachter Verschleißschutzschicht,
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detailbeschreibung der Zeichnung.
Gemäß 1 erfolgt zur Durchführung des Verfahrens zum Beschichten einer tribologisch hochbelasteten Oberfläche eines Bauteils in einem initialen Verfahrensschritt ein Positionieren P des Bauteils im Wirkbereich einer Sputterquelle sowie einer lonenquelle. Anschließend erfolgt ein Auftragen A einer kohlenstoffhaltigen harten Verschleißschutzschicht, hier einer ta-C-Schicht, durch ein von der Sputterquelle ausgeführtes Plasmaverfahren, hier mittels DC-Magnetronsputtern (PVD) eines Grafittargets. Nachfolgend wird die aufgetragene kohlenstoffhaltige Verschleißschutzschicht mit von einer lonenquelle generierten Ionen derart beaufschlagt, dass die aufgetragene Verschleißschutzschicht kompaktiert wird. Hierdurch wird der Anteil an sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffverbindungen erhöht und somit die Härte der anwachsenden Verschleißschutzschicht ebenfalls erhöht.
Die 2 zeigt ein durch das vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren bearbeitetes Bauteil 1 in Form eines rotationssymmetrischen zylindrischen Körpers, auf dem die kohlenstoffhaltige Verschleißschutzschicht 2 aufgetragen und kompaktiert wurde. Durch Drehung des Bauteils 1 erfolgt ein anwachsender Schichtaufbau der Verschleißschutzschicht 1, die nach dem Auftragen kompaktiert wird.
In 3 ist eine für dieses Verfahren geeignete Vorrichtung dargestellt, bei welcher das Bauteil 1 an einer Werkstückhalteeinheit 3, beispielsweise einem Drehteller, rotierbar positioniert wird. Beabstandet hiervon ist einerseits eine Sputterquelle 4 zum Auftragen der kohlenstoffhaltigen Verschleißschutzschicht 2 angeordnet. Räumlich getrennt von der Sputterquelle 4 und dieser gegenüberliegend ist andererseits eine lonenquelle 5 angeordnet, welche zum Kompaktieren der aufgetragenen Verschleißschutzschicht 2 durch Beaufschlagung mit Ionen dient. Durch die Rotation des Bauteils 1 erfolgt das vorstehend beschriebene periodische Auftragen A und Kompaktieren B zum Schichtaufbau der Verschleißschutzschicht 2. Zur Steuerung der Ionenenergie wird zwischen dem Bauteil 1 und der lonenquelle 5 eine Bias-Spannung 6 angelegt.
Gemäß der mit 4 illustrierten alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Werkstückhalteeinheit 3' verwendet, mit welcher sich mehrere Bauteile 1 kranzförmig positionieren lassen. Dabei wird sowohl die Werkstückhalteeinheit 3' als auch jedes einzelne hieran angeordnete Bauteil 1 (exemplarisch) rotierend angetrieben. Mit dieser Vorrichtung können mehrere Bauteile 1 gleichzeitig beschichtet werden, indem durch die Sputterquelle 4 das Auftragen und durch die lonenquelle das nachfolgende Kompaktieren der aufgetragenen Verschleißschutzschicht 2 erfolgt.
Gemäß 5 ist die Vorrichtung gemäß des vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiels dahingehend modifiziert, dass die lonenquelle 5 an zentraler Stelle, also auf der Drehachse der Werkstückhalteeinheit 3' angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine bauraumsparende Anordnung der Vorrichtung. Ansonsten entspricht der Aufbau und die Funktionsweise dieses dritten Ausführungsbeispiels dem vorstehenden Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern kann auch Abwandlungen hiervon mit beinhalten, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch denkbar, die Sputterquelle zentral und die lonenquelle außen anzuordnen.
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

DE 102009046284 A1 [0004]
DE 102016225449 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Beschichten einer tribologisch hochbelasteten Oberfläche eines metallischen Bauteils (1) mit einer kohlenstoffhaltigen harten Verschleißschutzschicht (2), welche durch ein Plasmaverfahren zumindest einschichtig über zumindest einen Teil der Oberfläche des Bauteils (1) per Sputterquelle (4) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Verschleißschutzschicht (2) anschließend mit von einer lonenquelle (5) generierten Ionen beaufschlagt wird, um die aufgetragene Verschleißschutzschicht (2) zu kompaktieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schichtaufbau der Verschleißschutzschicht (2) das Auftragen (A) und Kompaktieren (B) periodisch wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschleißschutzschicht (2) eine wasserstofffreie tetraedrische Kohlenstoffschicht (ta-C-Schicht) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Auftragen (A) und Kompaktieren (B) eine sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffschicht mit einer Schichthärte von > 30 GPa erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle (5) mit einem Edelgas betrieben wird, so dass zum Kompaktieren (B) Edelgasionen generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle (5) zur Steuerung der lonenenergie mit einer Bias-Spannung (6) zwischen Bauteil (1) und lonenquelle (5) betrieben wird.
Metallisches Bauteil (1), das nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche beschichtet ist.
Metallisches Bauteil (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als tribologisch hochbelastete Komponente eines Kraftstoffinjektors oder einer Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens: - eine Werkstückhalteeinheit (3; 3') zum rotierbaren Positionieren (P) des zu beschichtenden Bauteils (1), - eine Sputterquelle (4) zum Auftragen (A) einer kohlenstoffhaltigen harten Verschleißschutzschicht (2), sowie - eine lonenquelle (5) zum Kompaktieren (B) der aufgetragenen Verschleißschutzschicht (2) durch Beaufschlagung mit Ionen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle (5) als Elektronenbogen, als Mikrowellenentladung oder als RF-Ionenquelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sputterquellen (4) vorgesehen sind, welche die Verschleißschutzschicht (2) unterschiedlichen metallischen Elementen dotieren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle (5) räumlich getrennt von der mindestens einen Sputterquelle (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenquelle (5) gegenüberliegend der Sputterquelle (4) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bauteil (1) rotierend dazwischen positioniert ist, um einen anwachsenden Schichtaufbau mit periodischem Auftragen (A) und Kompaktieren (B) zu realisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere kranzförmig angeordnete Bauteile (1) zwischen lonenquelle (5) und Sputterquelle (4) rotierend positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum von mehreren kranzförmig angeordneten Bauteilen (1) eine innere lonenquelle (5) positioniert ist, wobei die Sputterquelle (4) außenliegend angeordnet ist.