DE102021206765A1 - Verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil (1), insbesondere ein hydraulisches Ventilbauteil, dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche (2) zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht (4) versehen ist, welche auf einer zwischen dem Metallbauteil (1) und der Verschleißschutzschicht (4) angeordneten Haftschicht (5) aufgebracht ist, wobei zwischen dem Metallbauteil (1) und der Haftschicht (5) eine aus Wolfram (W) oder einer Wolframverbindung bestehende Diffusionsbarriereschicht (6) angeordnet ist, um eine Diffusion von aus dem Metallbauteil (1) stammenden Metallen (Fe, Cr, Ni, Mo) zu blockieren und hieraus entstammende Nicht-Metalle (N, C) zu absorbieren oder zu blockieren, so dass Letztere nicht zur Haftschicht (5) vordringen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil, insbesondere ein hydraulisches Ventilbauteil, dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist, welche auf einer zwischen dem Metallbauteil und der Verschleißschutzschicht angeordneten Haftschicht aufgebracht ist. Außerdem betrifft die Erfindung als exemplarischen Anwendungsfall ein hydraulisches Ventil, das mit einem solchen verschleißschutzbeschichteten Metallbauteil ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zum Aufbringen mindestens einer Verschleißschutzschicht auf das Metallbauteil.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf tribologisch hoch belastete Bauteile, vorzugsweise der Kraftfahrzeugtechnik. Funktionsschichten zur Oberflächenvergütung dienen vornehmlich dem Verschleißschutz und stellen ein weit verbreitetes Mittel zur Steigerung der Dauerbelastbarkeit dar. Hierfür kommen die interessierenden Hartstoffschichten zum Einsatz, welche vorzugsweise aus Metallnitriden oder Metallcarbiden bestehen. Insbesondere in der Automobiltechnik werden Bauteile, wie beispielsweise hydraulische Hochdruck-Komponenten, unter Einhaltung von sehr geringen Maßtoleranzen lokal stark beansprucht. So werden beispielsweise Ventil- oder Hochdruckpumpen-Bauteile in Kraftstoffeinspritzsystemen mit solchen Hartstoffschichten vor Verschleiß geschützt. Zur Erzielung einer hinreichenden Standzeit für derartig tribologisch hoch beanspruchte Bauteile ist eine zuverlässige Schichthaftung der mindestens einen Verschleißschutzschicht sicherzustellen.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2018 202 842 A1 geht ein gattungsgemäß verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil hervor. Hierbei ist eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Metallbauteils zumindest teilweise mit einer mehrschichtigen Verschleißschutzschicht versehen, welche in der Terminologie der Offenbarung zumindest eine metallische Haftschicht, eine Haftvermittlerschicht sowie mindestens eine Deckschicht aufweist. Während die metallische Haftschicht aus einem Metall besteht, besteht die hierauf aufgebrachte Haftvermittlerschicht aus einem wasserstofffreien carbidbildenden Metall oder einem boridbildenden Metall. Die hierauf aufgetragene Deckschicht besteht aus einem wasserstofffreien tetraedrischen Kohlenstoff. Durch diesen Schichtaufbau wird eine thermisch stabile Haftung der einzelnen Schichten untereinander bewirkt, womit ein hoher Widerstand gegenüber hohen tribologischen Belastungen erzielt wird.
  • Gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik erfolgt die Schichtanbindung durch direktes Aufbringen der Beschichtung auf die Bauteiloberfläche. Eine Diffusion von aus dem Metallbauteil stammenden Metallen, wie insbesondere Eisen, Chrom, Nickel oder Molybdän sowie hieraus entstammende Nicht-Metalle, wie beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoff, können die Schichthaftung insbesondere von Verschleißschutzschichten aus Metall-Carbiden oder Metall-Nitriden beeinträchtigen.
  • Die Diffusionsneigung der vorgenannten Nicht-Metalle wird insbesondere durch das Oberflächenhärten eines auf Chrom-Nickel-, Chrom-Molybdän- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl bestehenden Metallbauteils verursacht, indem beim Aufkohlen beziehungsweise Nitrieren in die Oberfläche des Metallbauteils Kohlenstoff beziehungsweise Stickstoff eingebracht wird. Neben diesen leichten Elementen können auch schwere Elemente, wie beispielsweise das Eisen des Grundstoffs oder Chrom als Legierungsstoff, in die Beschichtung hinein diffundieren.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein gattungsgemäßes verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil einen wirksamen Diffusionsschutz leichter und schwerer Elemente aus dem Metallbauteil in dessen Beschichtung zu schaffen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem verschleißschutzbeschichteten Metallbauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Der Anspruch 9 gibt ein dazugehöriges Fertigungsverfahren zum Aufbringen einer Verschleißschutzschicht auf ein tribologisch hoch beanspruchtes Metallbauteil an und der Verwendungsanspruch 11 bezieht sich auf die Verwendung von Wolfram oder einer Wolframverbindung für den erfindungsgegenständlichen Einsatzzweck.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zwischen dem Metallbauteil und einer eine Verschleißschutzschicht tragenden Haftschicht eine aus Wolfram W oder einer Wolframverbindung bestehende Diffusionsbarriereschicht angeordnet ist, die eine Diffusion von aus dem Metallbauteil stammenden Metallen - insbesondere Eisen, Chrom, Nickel, Molybdän - blockiert und hieraus entstammende Nicht-Metalle - insbesondere Stickstoff und Kohlenstoff - absorbiert oder blockiert, so dass Letztere nicht zur Haftschicht vordringen kann.
  • Mit anderen Worten gewährleistet die erfindungsgemäße Lösung eine im Rahmen des konkreten Schichtaufbaus definierte Barriere, um eine Diffusion von leichten Elementen - insbesondere Kohlenstoff und Stickstoff - und/oder schweren Elementen - insbesondere Eisen, Chrom, Nickel, Molybdän - zu unterbinden.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass dank der in den Schichtaufbau speziell integrierten Diffusionsbarriereschicht eine Umwandlung von Teilen der Haftschicht sowie der Verschleißschutzschicht als Resultat einer Diffusion der vorgenannten Elemente verhindert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Diffusionsbarriereschicht aus vorzugsweise Wolframcarbid oder alternativ Wolframnitrid besteht. Insbesondere der Einsatz von Wolframcarbid führt zu einer außergewöhnlich hohen Schichthaftung.
  • Als zu beschichtendem Metallbauteil kommt vorzugsweise ein hoch legierter Chrom-Nickel-, Chrom-Molybdän- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl zum Einsatz. Diese Stahllegierungen kommen meist für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile der hier interessierenden Art zum Einsatz und werden gewöhnlich mittels Karburieren oder insbesondere Nitrieren oberflächengehärtet. Dabei verhindert die erfindungsgemäße Diffusionsbarriereschicht wirksam das Diffundieren des hierdurch in die Oberfläche des Metallbauteils eingebrachten Kohlenstoffs beziehungsweise Stickstoffs, indem diese Elemente durch die Diffusionsbarriereschicht aufgenommen werden, so dass diese an die nachfolgende Haftschicht nicht durchdringen. Zusätzlich hierzu blockiert die aus Wolfram W oder einer der besagten Wolframverbindungen bestehende Diffusionsbarriereschicht direkt die Diffusion von aus dem Stahlbauteil stammenden Metallen, hierbei insbesondere Eisen und Chrom.
  • Vorzugsweise ist die im Rahmen des erfindungsgegenständlichen Schichtaufbaus zum Einsatz kommende Verschleißschutzschicht als eine Metall-Karbid- oder Metall-Nitrid-Verbindung ausgeführt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, umfassend: Chromnitrid, Aluminiumchromnitrid, Aluminiumchromtitannitrid, Aluminiumtitannitrid, Chromkarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid. Diese Metallverbindungen eignen sich insbesondere zum Verschleißschutz der hier interessierenden tribologisch hoch beanspruchten Metallbauteile.
  • Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Schichthaftung kommt vorzugsweise eine Haftschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und dem Metallbauteil zum Einsatz, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als eine hochreine Übergangsmetall-Schicht ausgeführt ist, ausgewählt aus einer Gruppe von Übergangsmetallen, umfassend Chrom, Titan, Molybdän, Vanadium, Hafnium, Tantal, Zirkonium oder Kombinationen hieraus.
  • Vorzugsweise sollte die Haftschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,05 bis 1 Mikrometer ausgebildet sein, um einerseits durch die Mindestdicke eine zuverlässige Haftvermittlerfunktion auszuführen und andererseits bei Maximaldicke noch eine relativ dünne Beschichtung zu realisieren. Im Zusammenhang hiermit wird für die Diffusionsbarriereschicht eine Schichtdicke zwischen 0,01 bis 1 Mikrometer empfohlen. Prinzipiell gilt, dass die Aufnahmefähigkeit der hier hineindiffundierenden Nicht-Metalle mit steigender Schichtdicke zunimmt, andererseits wird ein zuverlässiger Schutz bereits ab der minimalen Schichtdicke erzielt. Eine Schichtdicke über die Maximalangabe hinaus führt zu keiner signifikanten Verbesserung der Barrierefunktion.
  • Der vorstehend beschriebene Schichtaufbau lässt sich vorzugsweise durch die folgenden Beschichtungsschritte erzielen:
    • - Aufbringen einer aus Wolfram W oder einer Wolframverbindung bestehenden Diffusionsbarriereschicht auf die zu beschichtende Oberfläche des Metallbauteils,
    • - Aufbringen einer, insbesondere aus einem Übergangsmetall bestehenden, Haftschicht,
    • - Aufbringen zumindest einer insbesondere aus einem Metall-Carbid- oder Metall-Nitrid-Verbindung bestehenden Verschleißschutzschicht.
  • In fertigungstechnischer Hinsicht wird vorgeschlagen, zumindest eine der vorgenannten Schichten - Diffusionsbarriereschicht, Haftschicht und Verschleißschutzschicht - mittels eines PVD-Verfahrens aufzubringen. Die an sich bekannten vakuumgestützten und plasmaaktivierten PVD-Verfahrenstechniken eignen sich zur Aufbringung der tribologischen Hartstoffschicht in Form der Verschleißschutzschicht und ebenso auch zur Aufbringung der erfindungsgegenständlichen Zwischenschichten, so dass sich der Schichtaufbau in fertigungstechnisch effizienter Weise realisieren lässt. Optional kann über eine Verschleißschutzschicht noch eine metallische Deckschicht aufgetragen werden, um die mechanische Belastung auf den Schichtaufbau zu reduzieren.
  • Figurenliste
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein, ein verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil umfassendes, hydraulisches Ventil, und
    • 2 eine Detailschnittdarstellung eines Metallbauteils mit erfindungsgemäßer Verschleißschutzschichtbeschichtung.
  • Gemäß 1 umfasst ein als Kugelventil ausgeführtes hydraulisches Ventil 10 ein verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil 1, welches hier einen kegelförmigen Ventilsitz 11 ausbildet. Der Ventilsitz 11 wirkt mit einem kugelförmigen Gegenkörper 12 zusammen, welcher in allgemein bekannter Weise zum Schließen des Ventils an den Ventilsitz 11 zur Anlage bringbar ist.
  • Das verschleißschutzbeschichtete Metallbauteil 1 ist im Bereich der tribologisch beanspruchten Oberfläche 2 mit einer mehrschichtigen Beschichtung 3 zum Verschleißschutz versehen.
  • Gemäß 2 besteht diese mehrschichtige Beschichtung 3 im Detail aus einer äußeren Verschleißschutzschicht 4, die bei diesem Ausführungsbeispiel aus in einem PVD-Verfahren durch Abscheidung aufgebrachten Chromnitrid besteht. Diese Verschleißschutzschicht 4 ist dabei auf einer Haftschicht 5 aufgebracht, welche zur verbesserten Schichthaftung dienend bei diesem Ausführungsbeispiel durch im PVD-Verfahren abgeschiedenes Chrom besteht und damit als hoch reine Übergangsmetall-Schicht fungiert. Optional kann noch eine Chrom-Topschicht aufgetragen werden.
  • Zwischen der Oberfläche des Metallbauteils 1 und der Haftschicht 5 ist eine in diesem Ausführungsbeispiel aus Wolfram W bestehende Diffusionsbarriereschicht 6 angeordnet, welche ebenfalls mit einem PVD-Verfahren aus der Dampfphase abgeschieden worden ist.
  • Das Metallbauteil 1 besteht hier aus einem hochlegierten Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl, nämlich X40CrMoV5-1, welcher durch Nitrieren oberflächengehärtet ist. Die Diffusionsbarriereschicht 6 verhindert dabei nicht nur eine Diffusion von dem im Metallbauteil 1 durch das Nitrieren enthaltenen Stickstoff N sowie dem im Stahl enthaltenen Kohlenstoff C in die Haftschicht 5 hinein, sondern blockiert direkt auch eine Diffusion von Eisen Fe oder der Legierungsmetalle des Stahls in die Diffusionsbarriereschicht 6 hinein. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht insoweit eine doppelte Diffusionsbarriereschicht zur Erzielung einer besonders beständigen Schichthaftung der Verschleißschutzschicht 4.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, statt reinem Wolfram eine Wolframverbindung, insbesondere Wolframcarbid, zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Diffusionsbarriereschicht zu verwenden, um eine hohe Schutzhaftung zu realisieren.
  • 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 102018202842 A1 [0003]

Claims (12)

  1. Verschleißschutzbeschichtetes Metallbauteil (1), insbesondere ein hydraulisches Ventilbauteil, dessen tribologisch beanspruchte Oberfläche (2) zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht (4) versehen ist, welche auf einer zwischen dem Metallbauteil (1) und der Verschleißschutzschicht (4) angeordneten Haftschicht (5) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Metallbauteil (1) und der Haftschicht (5) eine aus Wolfram (W) oder einer Wolframverbindung bestehende Diffusionsbarriereschicht (6) angeordnet ist, um eine Diffusion von aus dem Metallbauteil (1) stammenden Metallen (Fe, Cr, Ni, Mo) zu blockieren und hieraus entstammende Nicht-Metalle (N, C) zu absorbieren oder zu blockieren, so dass Letztere nicht zur Haftschicht (5) vordringen.
  2. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wolframverbindung zur Ausbildung der Diffusionsbarriereschicht (6) Wolframcarbid oder Wolframnitrid zum Einsatz kommt.
  3. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) aus einem hochlegierten Chrom-Nickel-, Chrom-Molybdän-, Chrom-Molybdän-Vanadium- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl besteht.
  4. Metallbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem hochlegierten Stahl bestehende Metallbauteil (1) mittels Karburieren oder Nitrieren oberflächengehärtet ist.
  5. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) als eine Metall-Karbid- oder Metall-Nitrid-Verbindung ausgeführt ist, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend: Chromnitrid, Chromcarbid, Titannitrid, Titancarbonnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumcarbid oder Kombinationen hiervon, umfassend Mehrelementphasen.
  6. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) als eine hochreine Übergangsmetall-Schicht ausgeführt ist, ausgewählt aus einer Gruppe von Übergangsmetallen, umfassend Chrom, Titan, Molybdän, Vanadium, Hafnium, Tantal, Zirkonium oder Kombinationen hieraus.
  7. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht (6) mit einer Schichtdicke zwischen 0,01 bis 1 Mikrometern ausgebildet ist.
  8. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) mit einer Schichtdicke zwischen 0,05 bis 1 Mikrometern ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Aufbringen mindestens einer Verschleißschutzschicht (4) auf eine tribologisch beanspruchte Oberfläche (2) eines Metallbauteils (1), insbesondere eines hydraulischen Ventilbauteils, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Beschichtungsschritte: - Aufbringen einer Wolfram (W) oder einer Wolframverbindung bestehenden Diffusionsbarriereschicht (6) auf die zu beschichtende Oberfläche (2) des Metallbauteils (1), - Aufbringen einer, insbesondere aus einem Übergangsmetall bestehenden, Haftschicht (5), - Aufbringen zumindest einer, insbesondere aus einer Metall-Karbid- oder Metall-Nitrid-Verbindung bestehenden, Verschleißschutzschicht (4), so dass durch die Diffusionsbarriereschicht (6) eine Diffusion von aus dem Metallbauteil (1) stammenden Metallen (Fe, Cr, Ni, Mo) blockiert wird und hieraus entstammende Nicht-Metalle (N, C) absorbiert oder blockiert werden, so dass Letztere nicht zur Haftschicht (5) vordringen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen zumindest einer der Schichten: Diffusionsbarriereschicht (6), Haftschicht (5) und Verschleißschutzschicht (4) ein PVD-Verfahren durchgeführt wird.
  11. Verwendung einer aus Wolfram (W) oder einer Wolframverbindung bestehenden Diffusionsbarriereschicht (6) zwischen einer tribologisch beanspruchten Oberfläche (2) eines Metallbauteils (1) und einer Haftschicht (5) des Metallbauteils (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  12. Hydraulisches Ventil (10) mit einem verschleißschutzbeschichteten Metallbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, sowie einem hieran dichtend zur Anlage bringbaren Gegenkörper (12), wobei das verschleißschutzbeschichtete Metallbauteil (1) als ein Ventilsitz (11) für den Gegenkörper (12) ausgebildet ist.
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