-
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.
-
-
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.
-
-
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).
-
-
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.
-
-
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.
-
-
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.