DE60116407T2 - Amorphe oxidhaltige Kohlenstoffschicht - Google Patents

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Description

  • STAND DER TECHNIK FÜR DIE ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht, die auf ein Gleitbauteil und dergleichen aufgebracht wird, um dessen Verschleißfestigkeit zu erhöhen und den Reibungskoeffizienten zu senken. Insbesondere ist sie auf eine harte Kohlenstoffschicht als Schutzschicht und ein Verfahren zur Herstellung der harten Kohlenstoffschicht gerichtet. Weiterhin betrifft die Erfindung mit einer harten amorphen Kohlenstoffschicht beschichtete mechanische Bauteile, die für Automobile und elektrische Haushaltsgeräte verwendet werden. Erfindungsgemäß wird der Terminus "hart" entsprechend der allgemeinen Terminologie der Tribologie (siehe beispielsweise "Tribologist" [in Japanisch], Bd. 44, Nr. 9, 1999, kleine Spezialausgabe "harte Materialien") benutzt. Speziell kann von einem Gleitbauteil, das härter als sein Gegenstück ist, festgestellt werden, dass es harte Eigenschaften besitzt. Insbesondere beträgt die Härte der harten Schicht HV (Micro-Vickershärte) 1000 oder darüber und speziell HV 1500 oder darüber. Einige Beispiele für Verwendungen von harten amorphen Kohlenstoffschichten sind in "Tribologist", Bd. 41, Nr. 9, 760–771 (1996) zusammengefasst.
  • 2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • Die herkömmlichen Verfahren für die Behandlung der Oberfläche eines metallischen Materials zur Verbesserung ihrer Verschleiß- und Abriebfestigkeit umfassen Nitridieren, PVD (Physical Vapour Deposition) und CVD (Chemical Vapour Deposition). So ist Metallcarbid, beispielsweise TiC, oder Metallnitrid, beispielsweise TiN, durch letztere zwei Verfahren als harte Schicht auf die Oberfläche des metallischen Materials eines Werkzeugs, einer Metalldüse oder dergleichen aufgebracht worden. Da diese Schichten eine Härte von HV 2000 bis 3000 haben, aber der Reibungskoeffizient im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 liegt und damit relativ hoch ist, erhöht sich der Gleitwiderstand mit dem Gegenmaterial entsprechend den Umständen. Im Ergebnis gibt es Probleme mit dem Verschleiß der Schicht und einer Beschädigung des Gegenmaterials.
  • Die Gleitteile des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sind harten Gleitbedingungen, insbesondere auf der äußeren Umfangsfläche der Kolbenringe, ausgesetzt. Die Rotorblätter eines Kompressors und der Plunger (Kolben) einer Kraftstoffeinspritzpumpe sind ebenfalls harten Gleitbedingungen ausgesetzt. Die für diese Teile erforderliche Verschleißfestigkeit muss deshalb hoch sein.
  • Bisher werden, um zufrieden stellende Gleiteigenschaften, insbesondere Verschleißfestigkeit, dieser Bauteile sicherzustellen, hochwertige verschleißfeste Materialien verwendet und einer Oberflächenhärtung wie Nitridieren und Aufkohlen unterworfen. Das herkömmliche Verfahren verursacht jedoch insoweit ein Problem, als teure Materialien eingesetzt werden. Außerdem werden, da die Oberflächenhärtung bei einer hohen Temperatur von einigen hundert Grad bis 1000°C durchgeführt werden muss, die Maßgenauigkeit aufgrund der thermischen Verformung und die Härte des Substrats (Werkstück) verringert.
  • Der Plungerkolben einer Kraftstoffeinspritzpumpe arbeitet in einer schlecht schmierenden Benzinumgebung. Deshalb wird eine Verbundbeschichtung mit dispergierten harten Teilchen auf seiner Oberfläche aufgebracht. Dabei muss die Wärmebehandlung bei etwa 400°C durchgeführt werden, um die Härte des Verbundwerkstoffs auf das erforderliche Maß zu erhöhen. Es sollte daher ein qualitativ hochwertiges Material, das SKD 11 (Kaltarbeitswerkzeugstahl) gleichwertig ist, verwendet werden, um ein Erweichen während der Wärmebehandlung zu vermeiden. Unter solchen Umständen ist es erwünscht, ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten harten Schicht bei niedrigerer Temperatur zu entwickeln.
  • Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die durch CVD mit einem Plasma oder Ionenstrahl ausgebildet wird, hat eine hohe Härte im Bereich von etwa 2000 bis 3000 HV. Diese Schicht ist interessant als ein Material mit hoher Verschleißfestigkeit. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht kann als diamantähnliche, i-Kohlenstoff- und hydrierte amorphe Kohlenstoffschicht (a-C:H) und dergleichen bezeichnet werden. Jede dieser Schichten besteht hauptsächlich aus amorphem Kohlenstoff.
  • Obwohl die Verwendung einer solchen harten amorphen Kohlenstoffschicht für Gleitbauteile in Erwägung gezogen worden ist, wird durch ihre inhärent große Druckspannung ihre Haftung am Substrat verringert und eine dicke Beschichtung unmöglich gemacht.
  • Es ist vorgeschlagen worden, die Haftung der harten amorphen Kohlenstoffschicht am Substrat zu verbessern, indem eine Zwischenschicht, die aus einem Metall, Metallnitrid und Metallcarbid besteht, zwischen Substrat und Schicht eingebaut wird. So ist beispielsweise in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 5-82472 die Verwendung von Carbid, Carbidnitrid, Carbidoxid, Carbidnitridoxid und Carbidborid von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems der Elemente sowie von Carbid oder Carbidnitrid von Si als Zwischenschicht offenbart. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 10-130865 ist eine Zwischenschicht offenbart, die hauptsächlich mindestens ein Metall, das aus der aus Al, Cr, Sn und Co bestehenden Gruppe ausgewählt ist, oder dessen Oxid, Nitrid oder Carbid umfasst. Diese Vorschläge zur Verbesserung der Haftung hängen jedoch mit einer Zwischenschicht anstatt mit der direkt am Gleitvorgang beteiligten Oberflächenschicht zusammen.
  • In Surface Coating Technology, 47, 710–721 (1991) und der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-240957 (Japanisches Patent Nr. 2 971 928) ist offenbart, dass ein niedriger Reibungskoeffizient durch Adsorption von in der Umgebung befindlichem Gas an das Siliciumoxid (SiO2), das sich auf der Gleitfläche einer harten amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Siliciumschicht gebildet hat, erhalten wird. Dabei ist festzustellen, dass sich dieses Siliciumoxid auf der Oberfläche der hydrierten amorphen Kohlenstoffschicht, die zuvor Si in der Schicht enthält, während des Gleitens auf dem Gegenstück ausbildet. Anders ausgedrückt ist das Siliciumoxid nicht von Beginn an in der Schicht vorhanden. Deshalb ist der Reibungskoeffizient zu Beginn des Gleitvorgangs hoch und ein längerer Zeitraum erforderlich, um einen niedrigen Reibungskoeffizienten zu erreichen.
  • In Goel et al., "Diamond-like nanocomposites (a-C:H/a-Si:O) for tribological applications" sind diamantähliche Nanoverbundbeschichtungen offenbart, die harte amorphe Kohlenstoffschichten sind und Kohlenstoff und Wasserstoff sowie ein glasartiges Siliciumnetzwerk umfassen. Zusätzlich ist ein kleiner Anteil an Carbidstrukturen in dem diamantähnlichen Nanoverbundwerkstoff vorhanden.
  • Dorfmann, B. et al., "Diamond-like nanocomposite coatings: Novel thin films" betrifft diamantähliche Nanoverbundbeschichtungen. Die Struktur dieser Verbundwerkstoffe besteht aus zwei im Atommaßstab zufälligen Netzwerken, wobei jedes durch zusätzliche Atomspezies chemisch stabilisiert ist. Das erste Netzwerk ist ein Kohlenstoff-Wasserstoff-Netzwerk und das zweite umfasst ein Siliciumoxid.
  • In US 5 352 493 ist ein amorpher Nanoverbundwerkstoff beschrieben, der ein diamantähnliches Kohlenstoffnetzwerk, das durch Wasserstoff stabilisiert ist, und ein glasartiges Siliciumnetzwerk, das durch Sauerstoff stabilisiert ist, umfasst. Zusätzlich können Legierungselemente wie Bor, Silicium, Wolfram und Titan in dem Nanoverbundwerkstoff vorhanden sein.
  • WO 97/14555 A ist auf ein Verfahren zur Verringerung der Reibung von Komponenten in einer Kraftübertragungseinheit gerichtet. Es ist eine Beschichtung offenbart, die aus einem diamantähnlichen festen Werkstoff hergestellt ist, der ein diamantähnliches Kohlenstoffnetzwerk, das durch Wasserstoff stabilisiert ist, ein Siliciumnetzwerk, das durch Sauerstoff stabilisiert ist, und ein Netzwerk, das aus Dotierelementen erzeugt worden ist, die Elemente der Gruppen 1 bis 7b und 8 des Periodensystems der Elemente enthalten, umfasst. In dem diamantähnlichen festen Werkstoff sind keine Carbide vorhanden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, diese Probleme des Standes der Technik zu lösen und eine harte amorphe Kohlenstoffschicht mit hoher Härte, niedrigem Reibungskoeffizienten und guter Haftung bereitzustellen.
  • Der Erfindung liegt weiterhin als Aufgabe zugrunde, eine harte amorphe Kohlenstoffschicht bereitzustellen, die Metalloxid enthält und welche ab Beginn des Gleitvorgangs einen stabil niedrigen Reibungskoeffizienten erreicht. Eine herkömmliche amorphe Kohlenstoffschicht ist nicht in der Lage, einen solchen Reibungskoeffizienten von Beginn an aufzuweisen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch eine harte amorphe Kohlenstoffschicht, die hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff umfasst, wobei zusätzlich Carbide und Oxide von einem Metall oder Metallen, das/die aus der Gruppe aus Si, Ti, B und W ausgewählt ist/sind, vorhanden sind und, wenn das Metall Si ist, der Anteil an Si in Atom-%, das an Kohlenstoff gebunden ist, größer als derjenige des an Sauerstoff gebundenen Si ist.
  • Außerdem liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, mechanische Bauteile bereitzustellen, die auf den Gleitflächen mit einer harten amorphen Kohlenstoffschicht, die Metalloxid enthält, beschichtet sind.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein mechanisches Bauteil 10, 12, 30, 42 mit einer Gleitfläche, die mit einer harten amorphen Kohlenstoffschicht überzogen ist, die hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff umfasst, wobei zusätzlich Carbide und Oxide von einem Metall oder Metallen, das/die aus der Gruppe aus Si, Ti, B und W ausgewählt ist/sind, vorhanden sind und, wenn das Metall Si ist, der Anteil an Si in Atom-%, das an Kohlenstoff gebunden ist, größer als derjenige des an Sauerstoff gebundenen Si ist.
  • Die erfindungsgemäße harte amorphe Kohlenstoffschicht umfasst hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff und zusätzlich Carbide und Oxide von einem Metall oder Metallen und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil in Atom-% von dem Metall oder den Metallen, das/die an Kohlenstoff gebunden ist/sind, größer als derjenige des/der Metalle/s, das/die an Sauerstoff gebunden ist/sind, ist. Das Metalloxid kann ein Oxid mindestens eines Elements sein, das aus der aus Si, Ti, B und W bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Der Sauerstoffgehalt der Schicht beträgt vorzugsweise etwa 0,1 bis 10 Atom-%.
  • Die amorphe Kohlenstoffschicht, die hauptsächlich Kohlenstoff, Wasserstoff und zusätzlich Carbide und Metalloxid umfasst, kann gebildet werden, indem Kohlenstoffmaterial, metallhaltiges Material und Sauerstoff in eine Vakuumkammer, in welcher ein Substrat angeordnet ist, geleitet werden.
  • Die erfindungsgemäße amorphe Kohlenstoffschicht besitzt eine hohe Härte, verbesserte Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Die erfindungsgemäße amorphe Kohlenstoffschicht kann deshalb auf ein mechanisches Bauteil aufgebracht werden, das eine Gleitfläche besitzt und unter Bedingungen arbeitet, unter welchen eine Schmierung schwierig ist.
  • Die Nebenbestandteile der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht sind hauptsächlich Oxide und umfassen Fluor, Brom, Chlor und dergleichen, die in den Ausgangsstoffen vorhanden sind, zusätzlich zu einem kleinen Anteil an Sauerstoff, der nicht als Oxid gebunden ist, und Metallelementen.
  • Erfindungsgemäß bilden die Hauptbestandteile, das heißt Kohlenstoff und Wasserstoff, eine amorphe Struktur, die durch Ar-Laser-Raman-Spektroskopie nachgewiesen wird. Dieser amorphen Struktur werden ausgezeichnete Gleiteigenschaften zugeschrieben. Das Metalloxid kann kristallin oder amorph sein.
  • Erfindungsgemäß ist das Gegenstück ein Zylinder oder eine Zylinderauskleidung, der/die aus Gusseisen oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, wenn das Gleitteil ein Kolbenring ist. Das Gegenstück ist ein Rotor oder ein Gehäuse, der/das bei einem Kompressorrotorblatt aus Aluminium bzw. Eisen hergestellt ist, und ein Zylinder, der bei dem Plungerkolben einer Kraftstoffeinspritzpumpe aus einem SKD 11 äquivalenten Material hergestellt ist. Dies sind lediglich Beispiele, und die erfindungsgemäße harte amorphe Kohlenstoffschicht kann auf einem beliebigen Bauteil vorliegen, vorausgesetzt, dass sich ihre Gleiteigenschaften nutzen lassen.
  • Die Härte der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht wird fundamental von deren Wasserstoffgehalt bestimmt. Beträgt die Härte HV 1800 oder weniger, ist die Verschleißfestigkeit gering. Andererseits wird, wenn die Härte HV 2500 oder darüber beträgt, die Schicht spröde. Die Härte beträgt deshalb vorzugsweise HV 1800 bis 2500. Besonders bevorzugt beträgt die Härte HV 1900 bis 2400. Ist die Schicht dünner als 2 μm, wird die Verschleißfestigkeit ungenügend. Andererseits, wenn die Schicht dicker als 15 μm ist, löst sie sich unter Spannung ab. Die Dicke der Schicht beträgt deshalb vorzugsweise 5 bis 10 μm.
  • Anschließend werden die Flächen eines Gleitbauteils, auf welchen die amorphe hochkohlenstoffhaltige Schicht ausgebildet wird, beschrieben. Bei einem Kolbenring wird die Schicht wenigstens auf der äußeren Umfangsfläche gebildet. Sie wird bei einem dreiteiligen Ölabstreiferkolbenring auf der gesamten Oberfläche von Führungsschiene und Ösenteil des Abstandhalters aufgebracht. Bei einem Kompressorrotorblatt wird die Schicht auf einer oder mehreren von runder Oberseite und Seitenfläche des Rotorblatts aufgebracht. Bei dem Plungerkolben einer Kraftstoffeinspritzpumpe wird die Schicht auf wenigstens der äußeren Umfangsfläche des Plungerkolbens ausgebildet. Dabei kann das Substrat eines Kolbenrings, Rotorblatts, Plungerkolbens und dergleichen aus einem herkömmlichen Material bestehen. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die erfindungsgemäßes Metalloxid enthält, kann direkt auf die metallische Unterlage aufgebracht oder auf einer Schicht wie einer Nitrid-, Cr-Plattier- und Ni-Co-P-Verbundschicht, in welcher harte Teilchen, beispielsweise Siliciumnitridteilchen, dispergiert sind, und einer ionenplattierten Schicht aus CrN, TiN und dergleichen ausgebildet werden.
  • Der amorphe Kohlenstoff, der hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff umfasst und Metalloxid enthält, kann gebildet werden, indem Kohlenstoffmaterial, Metall enthaltendes Material und Sauerstoff in eine Vakuumkammer geleitet werden, in welcher ein Gleitbauteil angeordnet ist. Das schichtbildende Verfahren kann das RF-plasmaunterstützte CVD-, Ionenstrahlbedampfungs- und Vakuumlichtbogenverfahren sein. Ein Beispiel für das RF-plasmaunterstützte CVD-Verfahren wird weiter unten beschrieben.
  • Als Kohlenstoffmaterial können gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Acetylen und dergleichen verwendet werden. Als Metall enthaltende Materialien können Tetramethylsilan, Tetraethylsilan, Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan, Triethoxybor, Borfluorid, Tetra-iso-propoxytitan, Wolframhexafluorid und dergleichen verwendet werden.
  • Das Gleitbauteil sollte während der Schichtbildung nicht erhitzt werden. Obwohl sich die Temperatur des Gleitbauteils erhöht, wenn es einem Plasma ausgesetzt wird, wird die Temperatur auf 200°C oder darunter gehalten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es ist in
  • 1 schematisch die erfindungsgemäß verwendete RF-plasmaunterstützte CVD-Vorrichtung,
  • 2 das Ergebnis einer XPS-Analyse der Elemente der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht,
  • 3 das Ergebnis einer XPS-Analyse des Elements Sauerstoff der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht,
  • 4 ein Querschnitt durch einen Kolbenring, auf welchen die Erfindung angewendet worden ist, wobei die harte amorphe Kohlenstoffschicht auf der äußeren Umfangsfläche ausgebildet worden ist,
  • 5 ein Querschnitt durch einen dreiteiligen Ölabstreiferkolbenring, auf welchen die Erfindung angewendet worden ist,
  • 6A eine perspektivische Ansicht eines Kompressorrotorblatts, auf welches die Erfindung angewendet worden ist,
  • 6B ein Querschnitt durch das Rotorblatt,
  • 7 ein Querschnitt durch den Plungerkolben einer Kraftstoffeinspritzpumpe, auf welchen die Erfindung angewendet worden ist,
  • 8 schematisch eine weitere RF-plasmaunterstützte CVD-Vorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet wurde, um die erfindungsgemäße harte amorphe Kohlenstoffschicht auszubilden,
  • 9 ein Verfahren zur Ausbildung der harten amorphen Kohlenstoffschicht auf äußeren Umfangsfläche von Kolbenringen,
  • 10 ein weiteres Verfahren zum Ausbilden der harten amorphen Kohlenstoffschicht auf der äußeren Umfangs-, Seiten- und inneren Umfangsfläche von Kolbenringen,
  • 11 ein Diagramm, das die Relation zwischen dem Sauerstoffdurchfluss und dem Reibungskoeffizienten veranschaulicht,
  • 12 ein Diagramm, das den Reibungsverlust in einem erfindungsgemäßen Beispiel und in Vergleichsbeispielen veranschaulicht, und
  • 13 ein Diagramm, das den Verschleißanteil eines Rotorblatts in einem erfindungsgemäßen Beispiel und in Vergleichsbeispielen veranschaulicht, gezeigt.
  • SAUERSTOFF IN EINER HARTEN AMORPHEN KOHLENSTOFFSCHICHT
  • Ein metallisches Element wie Si, Ti und W, das leicht ein stabiles Carbid bildet, wird der harten amorphen Kohlenstoffschicht hinzugefügt. Als Ergebnis kann die Haftung der Schicht auf einem auf Eisen basierenden Substrat verbessert werden. Sauerstoff wird dem Plasma während der Schichtbildung zugesetzt, sodass sich ein Metalloxid in der harten amorphen Kohlenstoffschicht bildet. Alternativ können Ausgangsstoffe, die den Sauerstoff und das Metall bereits enthalten, verwendet werden. Wird Si der harten amorphen Kohlenstoffschicht hinzugefügt, bildet sich darin ein Oxid in Form von SiO2. Es ist bekannt, dass der Reibungskoeffizient von SiO2 so hoch wie etwa 1,0 ist. Tritt eine Schmierung durch eine Verschmutzung aufgrund der Adsorption von Gas aus der Umgebung auf, wird der Reibungskoeffizient von SiO2 auf etwa 0,25 gesenkt. Da ein Spurenanteil an Metalloxid nicht nur an der Oberfläche der harten amorphen Kohlenstoffschicht, sondern auch in der Schicht vorhanden ist, findet eine Schmierung durch Verschmutzung ab Beginn des Gleitvorgangs statt und wird während des Gleitvorgangs beibehalten, um den niedrigen Reibungskoeffizienten stabil zu halten.
  • Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die Metalloxid enthält und auf der Oberfläche eines Gleitbauteils ausgebildet worden ist, haftet fest auf diesem. Die Schicht ist hart und ihr Reibungskoeffizient ist niedrig.
  • Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die Metalloxid enthält, ist auf einer Fläche des Gleitbauteils ausgebildet, die sich mit dem Gegenstück in Gleit- oder Stoßkontakt befindet. Somit wird die Verschleißfestigkeit des Gleitbauteils selbst unter harten Bedingungen verbessert.
  • Die erfindungsgemäße harte amorphe Kohlenstoffschicht unterscheidet sich von den herkömmlichen in Bezug darauf, dass sie Metalloxid enthält. Der erfindungsgemäße Reibungskoeffizient ist niedriger als der bisher erreichte. Dabei wird angenommen, dass sich diese Eigenschaft auf Folgendes zurückführen lässt. In einer Silicium enthaltenden harten amorphen Kohlenstoffschicht sind Härte und Reibungskoeffizient von dem Gehalt an Kohlenstoff, Wasserstoff und Silicium und deren Bindungszustand abhängig. In Bezug auf den Bindungszustand sind Kohlenstoffatome miteinander oder mit den Wasserstoffatomen derart verbunden, dass sp2-Bindungen (Graphitstruktur) und sp3-Bindungen (Diamantstruktur) vorliegen. Die Struktur der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht wurde durch Ar-Laser-Raman-Spektroskopie bestimmt und angegeben als ein breiter G-(Graphit-)Peak in der Nähe der Wellenlänge 1550 cm–1 und Sub-D-(ungeordneter)Peak in der Nähe der Wellenlänge 1400 cm1–. Sp2-Bindungen und sp3-Bindungen, das heißt Graphitstruktur bzw. Diamantstruktur, sind miteinander vermischt.
  • Betrachten wir den Bindungszustand des elementaren Siliciums in der Schicht, so ist es mit Kohlenstoff verbunden und bildet stabile Carbide. Es scheint jedoch die Möglichkeit zu geben, dass die teilweise ungebundenen Elektronen als freie Bindungen übrig bleiben, welche die Schicht strukturell instabil machen. Härte und Reibungskoeffizient der Schicht werden offensichtlich von den freien Bindungen beeinflusst. Eine freie Bindung in der Schicht kann aufgrund ihrer Reaktion mit der umgebenden Atmosphäre einer chemischen Umsetzung unterliegen, wenn der Verschleiß in einem solchen Maße fortgeschritten ist, dass das Schichtinnere während des Gleitvorgangs der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Dabei kann die chemische Reaktion im Falle der umgebenden Atmosphäre eine Oxidation sein. Diese Reaktion schreitet fort, bis die Schichtoberfläche einen chemisch stabilen Zustand eingenommen hat. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Analyse des weiter oben beschriebenen Standes der Technik und schlägt vor, einen Spurenanteil Sauerstoff zusammen mit dem hinzugefügten metallischen Element während der Schichtbildung aus dem Plasma in die harte amorphe Kohlenstoffschicht einzubauen. Der Spurenanteil Sauerstoff verbindet sich mit dem metallischen Element, das noch nicht mit Kohlenstoff zu einem stabilen Carbid verbunden ist. Das erhaltene Oxid befindet sich in einem stabilen Bindungszustand.
  • Obwohl im vorhergehenden Abschnitt Siliciumoxid beschrieben worden ist, verbindet sich der harten amorphen Kohlenstoffschicht zugesetztes Ti mit Kohlenstoff, wobei sich TiC bildet, während ungebundenes Ti in der Schicht zurückbleiben kann, um oxidiert zu werden. In diesem Fall können dieselben wie zuvor beschriebenen Effekte erwartet werden.
  • Die erfindungsgemäße harte amorphe Kohlenstoffschicht schließt das zuvor beschriebene Konzept ein und besitzt sowohl einen niedrigen Reibungskoeffizienten, der sich auf die Graphitstruktur zurückführen lässt, als auch eine hohe Härte, die sich auf die Diamantstruktur und die Si-C-Bindung zurückführen lässt. Außerdem weist die erfindungsgemäße Schicht eine stabile geringe Reibung auf, die sich auf die stabile Bindungsstruktur aufgrund der Zugabe von Sauerstoffspuren zurückführen lässt.
  • In 11 ist der Einfluss der Sauerstoffzugabe auf den Reibungskoeffizienten der harten amorphen Kohlenstoffschicht gezeigt. Der Reibungskoeffizient sinkt selbst bei Zusatz von Sauerstoff in kleinen Mengen. Eine solche Schicht wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht, um Anteil und Bindungszustand des Siliciums in der Schicht zu bestimmen. Der Siliciumgehalt beträgt 4 Atom-% oder weniger und ist hauptsächlich mit Kohlenstoff verbunden, wobei sich Si-C-Bindungen ausbilden. Ein Teil des Siliciums ist mit Sauerstoff verbunden und liegt in Form von SiOx vor. Dabei wird angenommen, dass das Siliciumoxid bei der Senkung des Reibungskoeffizienten wirksam ist. Beispiele Das Folgende ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen harten amorphen Kohlenstoffschicht. Ein Substrat wird in einer Vakuumkammer angeordnet, die evakuiert wird, um einen Druck von beispielsweise 5,25–8 Pa (7–6 Torr) oder darunter zu erreichen. Anschließend wird Argon in die Vakuumkammer geleitet, währen das Evakuieren fortgesetzt wird. An das Substrat wird Gleichstrom oder Hochfrequenzstrom angelegt, um eine Plasmaentladung in der Vakuumkammer auszulösen und somit die Substratoberfläche durch das Plasma zu reinigen. Nach Unterbrechung der Argonzufuhr wurde das Kohlenstoffmaterial, das Metall enthaltende Material und der Sauerstoff in die Vakuumkammer geleitet, in welcher das Substrat angeordnet war. Danach wurde eine Plasmaentladung ausgelöst, um auf dem Substrat eine harte amorphe Kohlenstoffschicht zu bilden, die Metalloxid enthielt. Als Kohlenstoffmaterial kann ein gasförmiger Kohlenwasserstoff wie Methan und Acetylen eingesetzt werden. Als Metall enthaltendes Material kann Tetramethylsilan (Si(CH3)4), Tetraethylsilan ( Si(C2H5)4), Tetramethoxysilan (Si(OCH3)4), Tetraethoxysilan (Si(OC2H5)4), Triethoxybor (B(OC2H5)3), Tetra-i-propoxytitan (Ti(OCH(CH3)2)4), Wolframhexafluorid (WF6) und dergleichen verwendet werden.
  • Ein geeigneter Druck in der Vakuumkammer beträgt 7,5–6 bis 7,5–5 Pa (1 bis 10 mTorr).
  • Anschließend werden erfindungsgemäße Beispiele beschrieben.
  • Beispiel 1: (Sauerstoffzusatz)
  • Das Substrat war spiegelpolierter SKH 51. Auf dem Substrat wurde durch RF-plasmaunterstützte CVD eine harte amorphe Kohlenstoffschicht gebildet, die untersucht wurde. Die zur Bildung der Schicht angewendete RF-plasmaunterstützte CVD ist in 1 schematisch gezeigt.
  • Eine (nicht gezeigte) Pumpe wurde an die Evakuierungsöffnung 6 der Vakuumkammer 1 angeschlossen und betrieben, um diese auf 5,2–8 Pa oder darunter zu evakuieren. Durch den Gaseinlass 5 wurde Argon eingeleitet und der Druck auf 7,5 E bis 5 Pa gehalten. Zwischen unterer Elektrode 2 und oberer Elektrode 3 wurde ein Hochfrequenzstrom von 300 W von der RF-Stromquelle 4 angelegt, um zwischen diesen Elektroden ein Plasma zu erzeugen. Das Werkstück (Substrat) 10 wurde auf der unteren Elektrode 2 angeordnet und einen festgelegten Zeitraum lang durch das Ar-Plasma gereinigt. Die Hochfrequenzstromquelle wurde dann abgeschaltet, um die Plasmaentladung zu beenden. Die Ar-Zufuhr wurde beendet. Acetylen, Tetramethylsilan und Sauerstoff wurden durch den Gaseinlass 5 in die Vakuumkammer 1 geleitet. Das Partialdruckverhältnis der Gase wurde auf C2H2 : TMS : O2 = 8,5 : 1 : 0,5 eingestellt. Der Gesamtdruck wurde auf 5,25–5 Pa eingestellt. Nachdem sich der Druck stabilisiert hatte, wurde die RF-Stromquelle 4 wieder eingeschaltet, um 100 W Hochfrequenzstrom anzulegen und ein Plasma zu erzeugen. Die Schichtbildung durch das Plasma wurde etwa 60 Minuten lang durchgeführt. Auf dem Werkstück (Substrat) 10 hatte sich eine etwa 1 μm dicke schwarze Schicht gebildet.
  • Die gebildete schwarze Schicht wurde mit Laser-Raman-Spektroskopie untersucht. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Schicht typischer amorpher diamantartiger Kohlenstoff war. Das Innere der Schicht wurde weiter mit XPS analysiert. In 2 sind die XPS-Analysenergebnisse aller Elemente der Schicht gezeigt. Die Peaks von Cls, Si2p und Si2s wurden bei einer Bindungsenergie von 284 eV, 100 eV bzw. 150 eV nachgewiesen. In 3 sind die Analysenergebnisse des Bindungszustandes des Sauerstoffs in der Nähe einer Wellenlänge von 530 eV gezeigt. Da die Peakwellenlänge des Sauerstoffs 532 eV beträgt, war die SiO2-Bildung nachgewiesen. In Tabelle 1 ist die durch XPS-Analyse erhaltene Zusammensetzung aufgeführt. Die Zusammensetzung zeigt die Bildung von SiO2 in der Schicht an.
  • Tabelle 1
    Figure 00170001
  • Die Reibungseigenschaften der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die sich auf dem Werkstück (Substrat) gebildet hatte, wurden durch einen Kugel-auf-Scheibe-Versuch bewertet. Eine als Gegenmaterial verwendete SUJ-2-Kugel mit einem Durchmesser von 6 mm wurde mit einer Last von 10 N ohne Schmierung bei Raumtemperatur auf die Schicht gepresst und mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s darüber rollen gelassen. Die insgesamt zurückgelegte Entfernung betrug 20 m. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
  • Vergleichsbeispiel
  • Um den Vergleich mit der Erfindung zu erleichtern, wurde die Schichtbildung nur mit Acetylen ohne Tetramethylsilan und Sauerstoff durchgeführt. Das Verfahren der Schichtbildung, der Kammerdruck usw. waren dieselben wie in Beispiel 1. Die Messergebnisse für Schichtdicke und Reibungseigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.
  • Beispiel 2 (Verwendung einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung)
  • Die Schichtbildung wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer dass anstelle von Sauerstoff Tetraethoxysilan (TEOS, (Si(OC2H5)4) verwendet wurde. Das Partialdruckverhältnis der Gase wurde auf C2H2 : TMS : TEOS = 8 : 1 : 1 eingestellt. Der Gesamtdruck wurde auf 5,25–5 Pa eingestellt. Die XPS-Analyse zeigte die Bildung von SiO2 in der Schicht wie in Beispiel 1 an.
  • Tabelle 2
    Figure 00180001
  • Aus dem Vergleich der Reibungskoeffizienten in Tabelle 2 ist ersichtlich, dass er hoch ist, wenn kein SiO2 in der Schicht vorhanden ist. In den Beispielen 1 und 2, in welchen SiO2 in der Schicht vorhanden ist, ist der Reibungskoeffizient 0,05 und damit niedrig.
  • Beispiel 3 (Kolbenring)
  • In 4 ist ein Beispiel für einen Kolbenring gezeigt, auf welchen die Erfindung angewendet worden ist. In 5 ist ein Beispiel für einen dreiteiligen Ölabstreiferkolbenring gezeigt, auf welchen die Erfindung ebenfalls angewendet worden ist. Die schraffierte harte amorphe Kohlenstoffschicht 12 war auf der äußeren Umfangsfläche 7a des Kolbenrings 7 und auf der äußeren Umfangsfläche 10a, der inneren Umfangsfläche 10b und den Seitenflächen 10c der Führungsschiene 10 des dreiteiligen Ölabstreiferkolbenrings ausgebildet worden. Außerdem war die harte amorphe Kohlenstoffschicht 12 auch auf dem Ösenteil 4 des Abstandhalters 13 ausgebildet worden, wo sie mit der Führungsschiene 10 in Berührung kommt. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht 12 wurde durch plasmaunterstützte CVD gebildet und enthielt das weiter oben beschriebene Metalloxid.
  • Kolbenringe 42, die zuvor nitridiert und gereinigt worden waren, wurden auf den Elektrodenplatten 44 angeordnet, die an die in 8 gezeigte RF-Stromquelle 44 angeschlossen waren. Eine (nicht gezeigte) Pumpe, die an die Evakuierungsöffnung 45 der Vakuumkammer 41 angeschlossen war, wurde betrieben, bis diese auf etwa 5,25–8 Pa oder darunter evakuiert worden war. Danach wurde Argon durch den Gaseinlass 46 eingeleitet und der Druck auf etwa 7,5–5 Pa eingestellt. An die Kolbenringe 42 wurde durch die RF-Stromquelle 4 ein Hochfrequenzstrom angelegt, um die Plasmaentladung auszulösen, wodurch die Oberfläche der Kolbenringe gereinigt wurde. Danach wurde die Ar-Zufuhr beendet. Das Kohlenstoffmaterial (Acetylen), das Metall enthaltende Material (Tetramethylsilan) und der Sauerstoff wurden in die Vakuumkammer 41 geleitet. Der RF-Strom wurde erneut angelegt, um die Plasmaentladung auszulösen. Die auf den Kolbenringen 42 ausgebildete harte amorphe Kohlenstoffschicht enthielt Metalloxid (SiO2).
  • Tabelle 3
    Figure 00200001
  • Während der Schichtbildung wurden die Kolbenringe nicht absichtlich erhitzt. Da sie dem Plasma ausgesetzt waren, trafen Elektronen und Ionen aus dem Plasma auf sie, und die Temperatur stieg. Jedoch überstieg die Temperatur der Kolbenringe unter den in Tabelle 3 genannten Bedingungen 200°C nicht.
  • Da die Kolbenringe 42 auf der Elektrodenplatte 44 in 8 übereinander gestapelt worden waren, bildete sich die harte amorphe Kohlenstoffschicht nur auf der äußeren Umfangsfläche. Demgegenüber konnte, wenn die Kolbenringe 42 um die in 9 gezeigte zylindrische Hülse 50 derart aufgereiht wurden, dass sich zwischen ihnen ein konstanter vertikaler Abstand befand, die harte amorphe Kohlenstoffschicht auf der äußeren Umfangsfläche und der Seitenfläche ausgebildet werden. Weiterhin kann, wenn die Kolbenringe 42 von den drei in 10 gezeigten Stäben 60 getragen werden, die harte amorphe Kohlenstoffschicht auf der äußeren Umfangs-, der Seiten- und der inneren Umfangsfläche (außer den Bereichen hinter den Stäben 60) ausgebildet werden.
  • Die Kolbenringe, die der in 8 gezeigten Schichtbildung unterworfen worden waren, wurden im Motortest untersucht, um den Reibungsverlust zu messen. Das Gegenmaterial war eine aus FC250 hergestellte Zylinderauskleidung. Die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 100 U/min, und es wurde ein niedrig viskoses Öl (40°C, 5 cSt) verwendet. Die Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Die in Beispiel 3 verwendeten Kolbenringe wurden zu Vergleichszwecken nitridiert, aber keine weitere Schichtbildung durchgeführt. Der Reibungsverlust wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 3 untersucht. Die Ergebnisse sind in 12 zusammen mit denen von Beispiel 3 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Die im Beispiel 3 verwendeten Kolbenringe wurden zu Vergleichszwecken nitridiert und danach mit einer etwa 20 μm dicken Chromschicht überzogen. Der Reibungsverlust wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 3 untersucht. Die Ergebnisse sind in 12 zusammen mit denjenigen von Beispiel 3 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 4
  • Die harte amorphe Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 10 μm wurde auf der äußeren Umfangsfläche der Kolbenringe durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 3 ausgebildet, außer dass während der Schichtbildung kein Sauerstoff zugesetzt wurde. In dieser Schicht lag Silicium ausschließlich in Form des Carbids vor. Der Reibungsverlust wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 3 bewertet. Die Ergebnisse sind in 12 zusammen mit denjenigen von Beispiel 3 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Wie 12 zu entnehmen, war der Reibungsverlust der Kolbenringe von Beispiel 3 um 11,6% geringer als derjenige der Kolbenringe, die nur nitridiert worden waren (Vergleichsbeispiel 1). Der Reibungsverlust von Beispiel 3 war um etwa 8% geringer als derjenige der Kolbenringe, die nitridiert und verchromt worden waren (Vergleichsbeispiel 3). Der Reibungsverlust von Beispiel 3 war um etwa 3,2% geringer als derjenige der harten amorphen Kohlenstoffschicht von Vergleichsbeispiel 4, in welcher Silicium ausschließlich in Form des Carbids vorlag, da kein Sauerstoff zugesetzt worden war. In der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die Silicium enthält, ist ein Teil des Siliciums nicht in Form des Carbids gebunden. Solches Silicium oxidiert, wenn Sauerstoff als Spurenanteil der harten amorphen Kohlenstoffschicht zugefügt wird. Das Siliciumoxid ist chemisch stabil. Die erhaltene harte amorphe Kohlenstoffschicht zeigt einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und somit geringeren Reibungsverlust als diejenigen der harten amorphen Kohlenstoffschicht ohne Siliciumoxid.
  • Beispiel 4 (Rotorblatt)
  • In 6A ist eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts 20 (Material SKH51) eines Kompressors gezeigt. In 6B ist der Querschnitt durch dieses Rotorblatt 20 gezeigt. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht 12, die Siliciumoxid enthält, hat sich auf der runden Oberseite 20b und den vier Seitenflächen 20a ausgebildet. Das Siliciumoxid wurde in die harte amorphe Kohlenstoffschicht 12 durch die weiter oben beschriebene RF-plasmaunterstützte CVD eingebaut. In Tabelle 4 sind die Produktionsbedingungen für Beispiel 4 und die anderen Vergleichsbeispiele aufgeführt.
  • Tabelle 4
    Figure 00230001
  • Rotorblätter 20 (deren Unterseite 20c nach unten zeigt) wurden in einem konstanten Abstand auf der Elektrodenplatte 44 in der in 8 gezeigten Vorrichtung angeordnet. Somit wurde die harte amorphe Kohlenstoffschicht auf der runden Oberseite 20b und den vier Seitenflächen der Rotorblätter 20, außer auf der Unterseite 20c, ausgebildet. Die so behandelten Rotorblätter wurden unter folgenden Bedingungen durch eine Verschleißprüfung bewertet: Gegenmaterial – FC250, Gleitgeschwindigkeit – 0,5 m/s, Schmierung – Ölschmierung (Motoröl, Produkt Nisseki Motoröl P20), Temperatur – 100°C und Prüfzeit – 4 Stunden. Die Ergebnisse sind in 13 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 5
  • Zu Vergleichszwecken wurden die in Beispiel 4 verwendeten, aus SKH 51 hergestellten Rotorblätter nicht oberflächenbehandelt. Das Prüfergebnis der Verschleißprüfung ist in 13 zusammen mit denjenigen von Beispiel 4 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 6
  • Die in Beispiel 4 verwendeten, aus SKH 51 hergestellten Rotorblätter wurden ionenplattiert, um eine etwa 5 μm dicke CrN-Schicht zu bilden. Die Ergebnisse der Verschleißprüfung sind in 13 zusammen mit denjenigen von Beispiel 4 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 7
  • Auf den Rotorblättern wurde durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 4 eine 10 μm dicke, harte amorphe Kohlenstoffschicht 12 ausgebildet, außer dass während der Schichtbildung kein Sauerstoff zugeführt wurde. In dieser Schicht lag Silicium ausschließlich in Form des Carbids vor. Die Ergebnisse der Verschleißprüfung sind in 13 zusammen mit denjenigen von Beispiel 4 und anderen gezeigt.
  • Wie 12 zu entnehmen, ist der Verschleiß bei SKH51 ohne Oberflächenbehandlung (Vergleichsbeispiel 5) am größten, worauf derjenige der harten amorphen Kohlenstoffschicht ohne Sauerstoffzusatz (Vergleichsbeispiel 7) folgt. Der Verschleiß in Beispiel 4 ist so gering wie der des ionenplattierten CrN (Vergleichsbeispiel 6).
  • Außerdem ist, Bezug nehmend auf Tabelle 4, der Reibungskoeffizient von Beispiel 4 niedriger als derjenige der Vergleichsbeispiele.
  • In der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die Silicium enthält, ist ein Teil des Siliciums nicht in Form des Carbids gebunden. Solches Silicium oxidiert, wenn Sauerstoff als Spurenanteil der harten amorphen Kohlenstoffschicht zugefügt wird. Das Siliciumoxid ist chemisch stabil. Die erhaltene harte amorphe Kohlenstoffschicht zeigt einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und somit geringeren Reibungsverlust als diejenigen der harten amorphen Kohlenstoffschicht ohne Siliciumoxid.
  • Beispiel 6 (Plungerkolben)
  • In 7 ist ein Querschnitt durch einen Plungerkolben 30 (das Material ist äquivalent zu SKD11) einer Kraftstoffeinspritzpumpe gezeigt. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht 12, die Siliciumoxid enthält, ist auf der zylindrischen Oberfläche des Plungerkolbens ausgebildet. Das Siliciumoxid war in der harten amorphen Kohlenstoffschicht 12 durch die weiter oben beschriebene RF-plasmaunterstütze CVD eingebaut worden.
  • Plungerkolben 30 wurden senkrecht mit konstanten Abständen auf der Elektrodenplatte 44 in der in 8 gezeigten Vorrichtung angeordnet, wobei das obere Ende von einer (nicht gezeigten) Halteeinrichtung gehalten wurde. Auf der äußeren Umfangsfläche der Plungerkolben 30 wurde eine 10 μm dicke, harte amorphe Kohlenstoffschicht 12, die Siliciumoxid enthielt, ausgebildet. Die Abriebbeständigkeit der so behandelten Plungerkolben wurde in einer Benzinumgebung unter folgenden Bedingungen bewertet: Gleitgeschwindigkeit – 8 m/s und Belastung – 250 MPa maximal.
  • Tabelle 5
    Figure 00260001
  • Vergleichsbeispiel 8
  • Zu Vergleichszwecken wurden wie in Beispiel 5 verwendete, aus SKD 11 bestehende Plungerkolben hergestellt und nicht oberflächenbehandelt. Die Reibfestigkeitsprüfung wurde durch das Verfahren des Beispiels 5 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 9
  • Zu Vergleichszwecken wurde auf der äußeren Umfangsfläche der in Beispiel 5 verwendeten Plungerkolben 30 durch Verbunddispersionsbeschichten eine B enthaltende Ni-Co-P-Schicht gebildet. Die Reibfestigkeitsprüfung wurde durch das Verfahren des Beispiels 6 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 10
  • Auf Plungerkolben wurde durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 5 eine 10 μm dicke, harte amorphe Kohlenstoffschicht gebildet, außer dass während der Schichtbildung kein Sauerstoff zugeführt wurde. In dieser Schicht war Silicium ausschließlich in Form des Carbids vorhanden. Die Ergebnisse der Reibungsprüfung sind in Tabelle 5 zusammen mit denjenigen von Beispiel 5 und anderen Vergleichsbeispielen gezeigt.
  • Wie Tabelle 5 zu entnehmen, tritt Reibung bei etwa 10 MPa bei Plungerkolben aus SKD 11 ohne verschleißfeste Schicht auf. Im Falle der B enthaltenden Ni-Co-P-Schicht trat die Reibung bei etwa 20 MPa auf. Bei der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die frei von Siliciumoxid war, trat die Reibung bei etwa 22 MPa auf. Bei der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die Siliciumoxid enthielt, trat jedoch bei der maximalen Belastung von 25 MPa keine Reibung auf.
  • In der harten amorphen Kohlenstoffschicht, die Silicium enthält, ist ein Teil des Siliciums nicht in Form des Carbids gebunden. Solches Silicium oxidiert, wenn Sauerstoff als Spurenanteil der harten amorphen Kohlenstoffschicht zugefügt wird. Das Siliciumoxid ist chemisch stabil. Die erhaltene harte amorphe Kohlenstoffschicht zeigt einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und somit geringeren Reibungsverlust als diejenigen der harten amorphen Kohlenstoffschicht ohne Siliciumoxid.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER BEISPIELE
  • Wie zuvor beschrieben, kann ein Metalloxid leicht in der harten amorphen Kohlenstoffschicht durch Zusatz eines Spurenanteils an Sauerstoff oder einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung während der Erzeugung der Schicht gebildet werden, wodurch der Reibungskoeffizient um etwa ein Viertel sinkt. Der Reibungskoeffizient erhöht sich nicht und bleibt sogar im anfänglichen Gleitstadium gleich.
  • Teure hitzebeständige Materialien wie auf Ni oder Co basierende Materialien brauchen nicht mehr für Teile für Kraftfahrzeuge und elektrische Haushaltgeräte, die unter harten Gleitbedingungen arbeiten, verwendet zu werden. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die Metalloxid enthält, kann bei etwa Raumtemperatur gebildet werden. Das Substrat wird deshalb nicht thermisch verformt, und die Maßgenauigkeit wird während der Schichtbildung auf der Fläche des Gleitbauteils, die sich mit dem Gegenstück in Gleit- oder Stoßkontakt befindet, nicht verschlechtert. Die harte amorphe Kohlenstoffschicht, die Metalloxid enthält, ist einheitlich und haftet fest am Substrat.
  • Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit des Gleitbauteils werden außergewöhnlich verbessert. Der Reibungsverlust der Gleitflächen eines Kolbenrings, eines Rotorblatts und eines Plungerkolbens wird aufgrund des niedrigen Reibungskoeffizienten und der hohen Härte der Schicht verringert. Die Lebensdauer dieser Bauteile wird verlängert.
  • Außerdem kann, da das Metalloxid, durch welches der Reibungskoeffizient gesenkt wird, von Anfang an in der Schicht enthalten ist, der niedrige Reibungskoeffizient im Vakuum und in einer nicht oxidierenden Atmosphäre erhalten werden.

Claims (10)

  1. Harte amorphe Kohlenstoffschicht, die hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Carbide und Oxide von einem Metall oder Metallen, das/die aus der Gruppe aus Si, Ti, B und W ausgewählt ist/sind, vorhanden sind und, wenn das Metall Si ist, dessen an Kohlenstoff gebundener Anteil in Atom-% größer als der des an Sauerstoff gebundenen Si ist.
  2. Harte amorphe Kohlenstoffschicht nach Anspruch 1, worin das Carbid Siliciumcarbid und das Oxid SiOx ist.
  3. Harte amorphe Kohlenstoffschicht nach Anspruch 1, worin der Anteil an Silicium in Atom-%, der auf die gesamte harte amorphe Kohlenstoffschicht bezogen ist, weniger als 4 Atom-% beträgt.
  4. Harte amorphe Kohlenstoffschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Sauerstoffgehalt in dieser Schicht 0,1 bis 10 Atom-% beträgt.
  5. Mechanisches Bauteil (10, 12, 30, 42) mit einer Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer harten amorphen Kohlenstoffschicht nach Patentanspruch 1 überzogen ist.
  6. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 5, worin die Härte der harten amorphen Kohlenstoffschicht (12) Vickers 1800 bis 2500 beträgt.
  7. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei die Dicke der harten amorphen Kohlenstoffschicht (12) 2 bis 15 μm beträgt.
  8. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das mechanische Bauteil ein Kolbenring (42) ist.
  9. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das mechanische Bauteil ein Rotorblatt (20) eines Kompressors ist.
  10. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das mechanische Bauteil ein Plungerkolben (30) einer Kraftstoffeinspritzpumpe ist.
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