WO2007028791A2 - Wear-resistant coating and a method for the production thereof - Google Patents

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WO2007028791A2
WO2007028791A2 PCT/EP2006/066020 EP2006066020W WO2007028791A2 WO 2007028791 A2 WO2007028791 A2 WO 2007028791A2 EP 2006066020 W EP2006066020 W EP 2006066020W WO 2007028791 A2 WO2007028791 A2 WO 2007028791A2
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wear
resistant coating
layer
hydrocarbon layer
machine part
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Tim Matthias Hosenfeldt
Gudrun Martin
Yashar Musayev
Joachim Hering
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Schaeffler Kg
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/60—Thickness, e.g. thickness of coatings

Definitions

  • the present invention relates to a wear-resistant coating on predetermined surfaces of a frictional wear exposed machine parts, which consist for example of resistant steels, and to a method for producing such a wear-resistant coating, in particular for machine parts in fuel delivery units or for bearings or other components, the to be electrically isolated.
  • a coating of a carbon in a diamond-like structure is basically known for ball bearings in order to improve the overall friction properties and especially the dry-running properties.
  • EP 454616 discloses a roller bearing which is partially coated with a chemically deposited diamond material in order to improve the dry-running properties, to increase the load capacity and the service life.
  • a wear-resistant coating is additionally electrically insulating. This is the case, for example, when a mechanical device which is to be coated wear-resistant, with connected or coupled to an electronic device for measurement or control. Often, for example, rotary bearings can be used for potential separation. For this purpose, high-strength and wear-resistant, electrically insulating materials are necessary.
  • the coating should be made electrically insulating.
  • this object is achieved on the device side by a wear-resistant coating having the features of patent claim 1 and on the method side by a method having the features of patent claim 22.
  • the invention relates to a use according to claim 16 and a rolling bearing according to claim 36.
  • the idea underlying the present invention is that the wear-resistant coating on predetermined surfaces of a wear-exposed, consisting for example of a bearing steel components of at least one applied to the predetermined surface of the component metal-free amorphous hydrocarbon layer with sp 2 - and sp 3 - hybridized carbon for reducing friction and increasing the wear resistance of the predetermined surface.
  • the present invention over the prior art has the advantage that the wear resistance, for example, in an application PHg in the contact area between two parts of a bearing at full roll over the prior art is increased. Furthermore, a reduction of the friction in the sliding contact over the prior art is ensured.
  • the hydrocarbon layer according to the invention is characterized by the Metal freedom of the carbon layer also electrically insulating and can thus be used for electrical isolation.
  • Another advantage is that the properties of the machine part, so in the example of the rolling bearing with respect to the structure and the function-related component tolerances in an application of the wear-resistant coating according to the invention advantageously not be changed.
  • a cost-effective bearing steel can be used as the substructure, so that the component can be produced competitively.
  • the coating applied to the base material constitutes a firmly adhering and non-modifying wear-resistant coating, which advantageously extends the service life of the friction partners.
  • the bearing can be electrically insulated with the coating according to the invention.
  • the coating according to the invention in bearings with an inner diameter of less than 70 mm, in which an encapsulation with a ceramic material for insulation is not possible.
  • Such a sprayed coating would also be so thick that mechanical reworking would be necessary.
  • the combination formed in the invention has in particular tribological good sliding properties.
  • the doping of the carbon layer with non-metallic substances, such as, for example, Si and / or O is advantageous. The insulating properties of the layer are retained in such dopants.
  • the invention also relates in so far to a rolling bearing, which at least one of its components has the coating according to the invention.
  • a rolling bearing can be used for potential separation. It can be used for the preparation of the bearing components per se conventional bearing steel such as 16 Mn Cr5, C45, Cr6 CrMo 31, CrMo V9, Cr2 80 and so on. These steels provide the foundation for the hard and wear-resistant coating.
  • the coating according to the invention is particularly suitable for bearings which are small, thin-walled or non-symmetrical, since reworking would be particularly complicated in such bearings.
  • the amorphous hydrocarbon layer has a hydrogen content of at most 20 Ato ⁇ m-%.
  • the predetermined area of the machine part has a low adhesion tendency to the metallic counter-body, a high abrasive wear resistance, a high chemical resistance, high mechanical strengths and high hardness / modulus of elasticity.
  • a higher hydrogen content could lead to undesirable compounds with lubricants or the like.
  • the amorphous hydrocarbon layer preferably has process-related impurities, for example O or Ar atoms, metals or the like, of less than 1 Ato ⁇ m-%.
  • At least one intermediate layer or at least one adhesion-promoting layer or a combination of these two is provided between the predetermined surface of the machine part and the amorphous hydrocarbon layer.
  • the at least one The layer is preferably formed as a metal-containing hydrocarbon layer, wherein the metal components of W, Cr, Ti, Hf, Ge, Ni or a combination of the aforementioned components, or as a ceramic layer of an oxide or nitride (TiO 2 , Al 2 O 3 , TiN , AIN).
  • the intermediate layer advantageously has a thickness of about 0.5 ⁇ m to 2.0 ⁇ m.
  • the at least one adhesion-promoting layer preferably consists of metallic substances, borides, carbides and / or nitrides of the transition metals.
  • the adhesion promoting layer has a thickness of about 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the overall coating has a thickness of about 2.0 ⁇ m to 10.0 ⁇ m, the amorphous hydrocarbon layer preferably having a thickness of from 1.0 ⁇ m to 10 ⁇ m, in particular from 1.0 ⁇ m to 4.0 ⁇ m.
  • the amorphous hydrocarbon layer preferably having a thickness of from 1.0 ⁇ m to 10 ⁇ m, in particular from 1.0 ⁇ m to 4.0 ⁇ m.
  • the amorphous hydrocarbon layer is deposited on the predetermined area of the machine part by means of a PVD or (PA) CVD method.
  • any non-metallic dopants can be deposited in the same process.
  • a deposition of the at least one intermediate layer and / or the at least one adhesion-promoting layer preferably also takes place by means of a PVD method.
  • amorphous hydrocarbon Layer subjected to the predetermined area of the machine part of a cleaning for example, a bath cleaning in various cleaning baths with a subsequent Ausgasungsvorgang in a dry or vacuum oven or the like. This ensures permanent adhesion of the coating to the base body.
  • the amorphous hydrocarbon layer, the at least one intermediate layer and / or the at least one adhesion-promoting layer are deposited at in each case one coating temperature, which are in each case smaller than the tempering temperature of the machine part.
  • Exemplary uses of the wear-resistant coating include, in addition to the rolling bearing components mentioned, also hydraulic support and insertion elements, control pistons, release bearings, piston pins, bearing bushes, universal joint bushings, linear guides, elements of mechatronic systems or the like.
  • FIG. 1 shows an enlarged view of the wear-resistant cross-sectional coating which is deposited on a contact surface in accordance with a preferred exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 2 schematically a rolling bearing in cross section.
  • FIG. 1 illustrates an enlarged schematic cross-sectional view of a section of a coated component 1.
  • a wear-resistant coating 3, 4, 5 is provided on a predetermined surface 2 for increasing the wear resistance and for reducing the frictional torque.
  • a basic metal body of a bearing steel in particular of a hardened bearing steel, is used as the basic body of the component.
  • an adhesion-promoting layer 3 is applied to the predetermined area or to the contact area 2.
  • the adhesion-promoting layer 3 can be deposited on the predetermined area 2, for example, by means of a PVD (Physical Vapor Deposition) method.
  • the adhesion-promoting layer 3 preferably consists of metallic substances, borides, carbides, oxides or nitrides of the transition metals or the like and preferably has a thickness of 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the adhesion-promoting layer 3 is used for improved attachment or improved crosslinking of the atoms of an intermediate view or functional layer to be subsequently applied to the main body 1.
  • the thickness of the adhesion-promoting layer 3 is to be selected as a function of the intermediate layer 4 used or the customer's wishes and requirements.
  • an intermediate layer 4 is subsequently deposited on the adhesion-promoting layer 3 by means of, for example, also a PVD process.
  • the intermediate layer 4 can be applied, for example, as a metal-containing hydrocarbon layer (aC: H: Me), wherein the metal components W, Ti, Hf, Ge, Cr, Ni or the like can occur individually or in groups.
  • aC: H: Me metal-containing hydrocarbon layer
  • layer 4 has a thickness of approximately 0.5 ⁇ m to 2.0 ⁇ m and serves for improved attachment of the functional layer to the adhesion-promoting layer 3 or, in the case of an absence of the adhesion-promoting layer 3, for an improved attachment of the functional layer on the base body 1 into physical mechanical and chemical aspects.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is again to be adapted to the compositions of the layers used and to the respective requirements.
  • the actual functional layer 5 is subsequently deposited on the intermediate layer 4.
  • the functional layer 5 can be deposited either directly on the base body 1, directly on the adhesion-promoting layer 3 or, as shown in FIG. 3, directly on the intermediate layer 4.
  • a special transition from the intermediate layer 4 to the functional layer 5 is developed, which ensures an optimal connection of the functional layer 5 and induces as low as possible stresses in the layer system or in the critical interface between the porous base material and the layer system, as a result both in a cohesive and in an adhesive form.
  • the adhesion-promoting layer 3 and / or the intermediate layer 4 can also be dispensed with in certain areas of application.
  • the intermediate layer can also be designed in such a way that a meaningful grading of the metal hardness from the machine part to the functional coating is achieved.
  • the functional layer 5 is embodied as an amorphous hydrocarbon layer (aC: H) and is preferably applied to the intermediate layer by means of a PVD and / or (PA) CVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) method on a provided layer according to the present exemplary embodiment 4, deposited.
  • aC amorphous hydrocarbon layer
  • a starting material is treated with inert gas ions, z.
  • inert gas ions For example, bombarding argon that single atoms are knocked out of the target and ionized and then accelerated towards the negatively charged substrate.
  • the surface to be coated can be guided past the target for forming one or more layers once or several times in a process chamber.
  • the non-metallic substance to be introduced can be present in gas or vapor form in the process chamber and can be torn to the surface.
  • a gas mixture is introduced into the process chamber with the aid of a plasma, into which the material parts to be coated are introduced.
  • the gases present react chemically with one another and lead to a thin condensation layer on the surfaces of the hot material parts to be coated.
  • An object of the entire layer system consisting of the base body 1, the bonding layer 3, the intermediate layer 4 and the amorphous hydrocarbon layer 5, is to reduce the friction between this coating and a counter body and the life of the coated base body 1 and the Increase counter body.
  • the amorphous hydrocarbon layer 5 therefore preferably has a hydrogen content of at most 20 Ato ⁇ m-%, whereby a low tendency to adhesion to the metallic counter body, a high abrasive wear resistance, high chemical resistance, high mechanical strength and high hardness / modulus of elasticity ratios are ensured. Otherwise, the amorphous hydrocarbon layer 5 consists of sp 2 - and sp 3 -hybhdrawem carbon, wherein preferably process-related impurities of less than 1 Ato ⁇ m-% are provided.
  • the amorphous hydrocarbon layer 5 preferably has a layer thickness of about 1, 0 microns to 10.0 microns, in the case of low mechanical stress to 70 microns.
  • the total thickness of the coating, consisting of the individual layers 3, 4 and 5, is preferably about 2.0 ⁇ m.
  • counter-body iron-carbon alloys can preferably be realized in terms of lightweight construction and cost savings.
  • low-viscosity and low-additive oils can be used.
  • a minimum lubrication or an increased oil change interval can be realized.
  • the predetermined area 2 of the same is cleaned, for example by means of a bath cleaning in different cleaning baths.
  • the sticking property of the coating on the base body is advantageously improved.
  • the coating temperature of the individual coating operations is below the tempering temperature of the material to be coated. As a result, this advantageously undergoes neither a loss of hardness nor a delay.
  • the present invention provides a wear-resistant coating and a method for producing such a wear-resistant coating, wherein low cost low alloy steels can be used as a substructure, which would not withstand the tribological stress without the inventive coating. Due to the necessary complex part geometry production-related thus advantageously a simple steel can be used with a coating according to the invention, so that the component can be made competitive. Due to the low overall layer thickness, the coating can be applied very uniformly and without appreciable increase in roughness. As a result, coating without halteuer and without costly reworking possible.
  • the coating described above creates a tribological system which reduces the mixed friction area due to the set structure and, due to the low-friction coating, reduces the frictional force and consequently the surface stress and the wear.
  • FIG. 2 schematically shows a ball bearing with an outer ring 10, an inner ring 11 and rolling elements 12.
  • the abovementioned components typically consist of a known bearing steel, wherein cost-effective and easily machinable steels can be selected.
  • roll capability compared to doping-free hydrocarbon layers a much greater hardness, roll capability (stability against high heart 'sche pressure) and an optimized ratio of hardness to modulus of elasticity is important.
  • a layer structure with an adhesion-promoting layer and an intermediate layer may additionally be provided in order to limit the hardness gradient in the layer structure.
  • One, two or all three of said components of the bearing can carry a hydrocarbon layer according to the invention, in order to produce electrical insulation on the one hand at the desired level of insulation and, on the other hand, to produce the promoted mechanical and tribological properties.
  • a hydrocarbon layer according to the invention in order to produce electrical insulation on the one hand at the desired level of insulation and, on the other hand, to produce the promoted mechanical and tribological properties.
  • coated rolling elements 12, one of them in cross section, with a carbon layer 15 according to the invention are shown as an example.
  • the PVD coating technique in conjunction with the layers according to the invention, the coating of small bearings with an inner diameter smaller than 75 mm economically possible.
  • Inventive bearings can be operated even with dry friction and lack of lubrication.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a wear-resistant coating and to a wear-resistant coating applied to the predetermined surfaces (2) of a machine part (1) exposed to wear by friction. The inventive coating comprises at least one metal-free hydrocarbon amorphous layer (5) which is applied to the predetermined surface (2) of the machine part (1) and contains sp2- and sp3-hybrid carbon for reducing friction and increasing a wear-resistance of said predetermined surface (2) of the machine part (1) and an electric insulation.

Description

Verschlei ßfeste Beschichtung und Verfahren zur Herstellung derselben Wear resistant coating and method for producing the same
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen, welche beispielsweise aus widerstandsfähigen Stählen bestehen, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen verschleißfesten Beschichtung, insbesondere für Maschinenteile in Kraftstofffördereinheiten oder für Lager oder andere Bauteile, die elektrisch isoliert werden sollen.The present invention relates to a wear-resistant coating on predetermined surfaces of a frictional wear exposed machine parts, which consist for example of resistant steels, and to a method for producing such a wear-resistant coating, in particular for machine parts in fuel delivery units or for bearings or other components, the to be electrically isolated.
Obwohl auf viele Arten von Maschinenteilen anwendbar, werden die vorliegen- de Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in bezug auf Maschinenteile anhand eines elektrisch isolierenden Lagers näher erläutert.Although applicable to many types of machine parts, the present invention and the problems underlying it with respect to machine parts are explained in more detail with reference to an electrically insulating bearing.
Aus der WO 03/064874 ist für Kugellager grundsätzlich eine Beschichtung aus einem Kohlenstoff in diamantartiger Struktur bekannt um die Reibungseigen- Schäften insgesamt und besonders die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern.From WO 03/064874, a coating of a carbon in a diamond-like structure is basically known for ball bearings in order to improve the overall friction properties and especially the dry-running properties.
Aus der EP 454616 ist ein Wälzlager bekannt, das teilweise mit einem chemisch abgeschiedenen Diamantwerkstoff beschichtet ist um die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern, die Belastbarkeit und die Lebensdauer zu vergrö- ßern.EP 454616 discloses a roller bearing which is partially coated with a chemically deposited diamond material in order to improve the dry-running properties, to increase the load capacity and the service life.
Aus der DE 69812389 T2 ist für Wälzelementlagerungen eine Beschichtung aus sp3 und sp2 hybridisierten Kohlenstoff-verbindungen, bekannt, die 5 bis 25% Silizium enthält (vgl JP06341445A).From DE 69812389 T2, a coating of sp3 and sp2 hybridized carbon compounds, which contains 5 to 25% silicon, is known for rolling element bearings (cf. JP06341445A).
In vielen Fällen ist es wünschenswert, dass eine verschleißfeste Beschichtung zusätzlich elektrisch isolierend ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine mechanische Einrichtung, die verschleißfest beschichtet werden soll, mit einer elektronischen Einrichtung zur Messung oder Steuerung verbunden oder gekoppelt ist. Oft können zum Beispiel Drehlager zur Potentialtrennung eingesetzt werden. Zu diesem Zweck sind hochfeste und verschleißresistente, elektrisch isolierende Stoffe notwendig.In many cases, it is desirable that a wear-resistant coating is additionally electrically insulating. This is the case, for example, when a mechanical device which is to be coated wear-resistant, with connected or coupled to an electronic device for measurement or control. Often, for example, rotary bearings can be used for potential separation. For this purpose, high-strength and wear-resistant, electrically insulating materials are necessary.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfeste Be- schichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beschichtung zu schaffen, mit welchen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden, und mit welchen insbesondere die Haltbarkeit eines Maschinenteils über die gesamte Lebensdauer mit einem verringerten Reibungskoeffizienten gewährleistet wird. Zudem soll die Beschichtung elektrisch isolierend ausgeführt werden können.It is therefore an object of the present invention to provide a wear-resistant coating and a method for producing such a coating, with which the disadvantages of the prior art are eliminated, and with which in particular the durability of a machine part over the entire life with a reduced Friction coefficient is ensured. In addition, the coating should be made electrically insulating.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch eine verschleiß- feste Beschichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und verfahrens- seitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung gemäß Patentanspruch 16 und ein Wälzlager gemäß Patentanspruch 36.According to the invention, this object is achieved on the device side by a wear-resistant coating having the features of patent claim 1 and on the method side by a method having the features of patent claim 22. In addition, the invention relates to a use according to claim 16 and a rolling bearing according to claim 36.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten, beispielsweise aus einem Wälzlagerstahl bestehenden Bauteilen aus mindestens einer auf die vorbestimmte Fläche des Bauteils aufgebrachten metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht mit sp2- und sp3- hybridisiertem Kohlenstoff für eine Reibreduzierung und eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche besteht.The idea underlying the present invention is that the wear-resistant coating on predetermined surfaces of a wear-exposed, consisting for example of a bearing steel components of at least one applied to the predetermined surface of the component metal-free amorphous hydrocarbon layer with sp 2 - and sp 3 - hybridized carbon for reducing friction and increasing the wear resistance of the predetermined surface.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Verschleißbeständigkeit beispielsweise bei einer Anwen- düng im Kontaktbereich zwischen zwei Teilen eines Lagers bei voller Überrollfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik erhöht wird. Ferner wird eine Reduzierung der Reibung im Gleitkontakt gegenüber dem Stand der Technik gewährleistet. Dabei ist die erfindungsgemäße Kohlenwasserstoffschicht durch die Metallfreiheit der Kohlenstoffschicht zudem elektrisch isolierend und kann somit zur elektrischen Potentialtrennung eingesetzt werden.Thus, the present invention over the prior art has the advantage that the wear resistance, for example, in an application düng in the contact area between two parts of a bearing at full roll over the prior art is increased. Furthermore, a reduction of the friction in the sliding contact over the prior art is ensured. The hydrocarbon layer according to the invention is characterized by the Metal freedom of the carbon layer also electrically insulating and can thus be used for electrical isolation.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Eigenschaften des Maschinenteils, also im Beispiel des Wälzlagers bezüglich des Gefüges sowie die funktionsbedingten Bauteiltoleranzen bei einer Aufbringung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung vorteilhaft nicht verändert werden. Somit kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung auf einen kostengünstigen Wälzlagerstahl als Unterbau zurückgegriffen werden, so dass das Bauteil wettbewerbsfähig herstellbar ist. Die auf dem Grundmaterial aufgebrachte Beschichtung stellt eine haftfeste und die Bauteileigenschaften nicht verändernde verschleißfeste Beschichtung dar, welche die Lebensdauer der Reibpartner vorteilhaft verlängert.Another advantage is that the properties of the machine part, so in the example of the rolling bearing with respect to the structure and the function-related component tolerances in an application of the wear-resistant coating according to the invention advantageously not be changed. Thus, by using the wear-resistant coating according to the invention, a cost-effective bearing steel can be used as the substructure, so that the component can be produced competitively. The coating applied to the base material constitutes a firmly adhering and non-modifying wear-resistant coating, which advantageously extends the service life of the friction partners.
Dies ist bei Anwendung der Erfindung auf Teile eines Wälzlagers besonders vorteilhaft nutzbar, wenn beispielsweise der Außenring, der Innenring oder die Wälzkörper oder mehrere dieser Komponenten beschichtet werden. Zusätzlich kann mit der erfindungsgemäßen Beschichtung das Lager elektrisch isoliert werden. Je nach dem angestrebten Isolationsniveau wird nur eines der Teile des Lagers (Innenring, Wälzkörper, Außenring) oder werden 2 oder 3 Elemente des Lagers erfindungsgemäß beschichtet. Besonders sinnvoll ist die erfindungsgemäße Beschichtung bei Lagern mit einem Innendurchmesser von weniger als 70 mm, bei denen ein Umspritzen mit einem Keramikwerkstoff zur Isolation nicht möglich ist. Eine derartige Spritzschicht würde auch so dick aus- fallen, dass eine mechanische Nachbearbeitung notwendig würde. Die bei der Erfindung entstehende Kombination weist tribologisch insbesondere gute Gleiteigenschaften auf. Um die Beschichtung noch widerstandsfähiger, insbesondere härter und fester zu machen, ist die Dotierung der Kohlenstoffschicht mit nicht metallischen Stoffen, wie beispielsweise Si und/oder O vorteilhaft. Die isolierenden Eigenschaften der Schicht bleiben bei solchen Dotierungen erhalten.This is particularly advantageous when using the invention parts of a rolling bearing, for example, if the outer ring, the inner ring or the rolling elements or more of these components are coated. In addition, the bearing can be electrically insulated with the coating according to the invention. Depending on the desired level of insulation, only one of the parts of the bearing (inner ring, rolling element, outer ring) or 2 or 3 elements of the bearing are coated according to the invention. Particularly useful is the coating according to the invention in bearings with an inner diameter of less than 70 mm, in which an encapsulation with a ceramic material for insulation is not possible. Such a sprayed coating would also be so thick that mechanical reworking would be necessary. The combination formed in the invention has in particular tribological good sliding properties. In order to make the coating more resistant, in particular harder and stronger, the doping of the carbon layer with non-metallic substances, such as, for example, Si and / or O, is advantageous. The insulating properties of the layer are retained in such dopants.
Die Erfindung bezieht sich in soweit auch auf ein Wälzlager, das an wenigstens einer seiner Komponenten die erfindungsgemäße Beschichtung aufweist. Ein solches Lager kann zur Potentialtrennung eingesetzt werden. Dabei kann für die Herstellung der Lagerkomponenten an sich üblicher Lagerstahl wie 16 Mn Cr5, C45, 100 Cr6, 31 CrMo V9, 80 Cr2 usw. eingesetzt werden. Diese Stähle liefern den Unterbau für die harte und verschleißfeste Beschichtung.The invention also relates in so far to a rolling bearing, which at least one of its components has the coating according to the invention. Such a bearing can be used for potential separation. It can be used for the preparation of the bearing components per se conventional bearing steel such as 16 Mn Cr5, C45, Cr6 CrMo 31, CrMo V9, Cr2 80 and so on. These steels provide the foundation for the hard and wear-resistant coating.
Vorteilhaft sind dabei so dünne Beschichtungen, dass keine Nacharbeit zur Anpassung der Teile notwendig ist. Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich insoweit besonders für Lager, die klein, dünnwandig oder nicht symmet- risch sind, da bei solchen Lagern eine Nachbearbeitung besonders aufwändig wäre.It is advantageous so thin coatings that no rework to adapt the parts is necessary. Insofar, the coating according to the invention is particularly suitable for bearings which are small, thin-walled or non-symmetrical, since reworking would be particularly complicated in such bearings.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen verschleißfesten Beschichtung und des im Anspruch 22 angegebenen Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Beschichtung.In the subclaims there are advantageous refinements and improvements of the specified in claim 1 wear-resistant coating and the method specified in claim 22 for the preparation of such a coating.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die amorphe Kohlenwasserstoffschicht einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atoιm-% auf. Dadurch weist die vorbestimmte Fläche des Maschinenteils eine geringe Adhäsionsneigung zum metallischen Gegenkörper, einen hohen abrasiven Verschleißwiderstand, eine hohe chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeiten und hohe Här- te/E-Modul-Verhältnisse auf. Ein höherer Wasserstoffanteil könnte zu unerwünschten Verbindungen mit Schmierstoffen oder dergleichen führen.According to a preferred embodiment, the amorphous hydrocarbon layer has a hydrogen content of at most 20 Atoιm-%. As a result, the predetermined area of the machine part has a low adhesion tendency to the metallic counter-body, a high abrasive wear resistance, a high chemical resistance, high mechanical strengths and high hardness / modulus of elasticity. A higher hydrogen content could lead to undesirable compounds with lubricants or the like.
Vorzugsweise weist die amorphe Kohlenwasserstoffschicht prozessbedingte Verunreinigungen, beispielsweise O- oder Ar-Atome, Metalle oder dergleichen, von weniger als 1 Atoιm-% auf.The amorphous hydrocarbon layer preferably has process-related impurities, for example O or Ar atoms, metals or the like, of less than 1 Atoιm-%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht mindestens eine Zwischenschicht oder mindestens eine Haftvermittlungsschicht oder eine Kombination dieser beiden vorgesehen. Die mindestens eine Zwi- schenschicht ist dabei vorzugsweise als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht ausgebildet, wobei die Metallkomponenten aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, Ni oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen, oder als Keramikschicht aus einem Oxid oder Nitrid (TiO2, AI2O3, TiN, AIN). Die Zwischenschicht weist vorteilhaft eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm auf. Die mindestens eine Haftvermittlungsschicht besteht vorzugsweise aus metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle. Vorzugsweise besitzt die Haftvermittlungsschicht eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm.According to a further preferred development, at least one intermediate layer or at least one adhesion-promoting layer or a combination of these two is provided between the predetermined surface of the machine part and the amorphous hydrocarbon layer. The at least one The layer is preferably formed as a metal-containing hydrocarbon layer, wherein the metal components of W, Cr, Ti, Hf, Ge, Ni or a combination of the aforementioned components, or as a ceramic layer of an oxide or nitride (TiO 2 , Al 2 O 3 , TiN , AIN). The intermediate layer advantageously has a thickness of about 0.5 μm to 2.0 μm. The at least one adhesion-promoting layer preferably consists of metallic substances, borides, carbides and / or nitrides of the transition metals. Preferably, the adhesion promoting layer has a thickness of about 0.1 μm to 0.5 μm.
Die Gesamtbeschichtung besitzt gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 2,0 μm bis 10,0 μm, wobei die amorphe Kohlenwasserstoffschicht vorzugsweise eine Dicke von 1 ,0 μm bis 10 μm, insbesondere 1 ,0 μm bis 4,0 μm besitzt. Durch derartige Schichtdicken ändern sich die Abmessungen der Maschinenteile in einem so geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist und die eingestellte Oberflächenstruktur bzw. Topographie erhalten wird. In Bereichen, die keiner direkten Überrollbelastung ausgesetzt sind, also bei einem Wälzlager der innere Umfang des Innenrings und/oder der äußere Umfang des Außenrings, können zur Verbesserung der elektrischen Isolation Schichtdicken bis zu 70 μm vorgesehen werden. Eine Nachbearbeitung ist auch in diesen Fällen nicht notwendig.According to a further preferred embodiment, the overall coating has a thickness of about 2.0 μm to 10.0 μm, the amorphous hydrocarbon layer preferably having a thickness of from 1.0 μm to 10 μm, in particular from 1.0 μm to 4.0 μm. By such layer thicknesses, the dimensions of the machine parts change to such a small extent that no post-processing is necessary and the set surface structure or topography is obtained. In areas that are not exposed to direct roll over load, ie in a rolling bearing, the inner circumference of the inner ring and / or the outer circumference of the outer ring, layer thicknesses up to 70 microns can be provided to improve the electrical insulation. Post-processing is not necessary even in these cases.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die amorphe Kohlenwasserstoffschicht mittels eines PVD- oder eines (PA)CVD-Verfahrens auf der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils abgeschieden. Dabei können etwaige nicht metallische Dotierungen in demselben Prozess mit abgeschieden werden. Eine Abscheidung der mindestens einen Zwischenschicht und/oder der mindestens einen Haftvermittlungsschicht erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens.According to a further preferred embodiment, the amorphous hydrocarbon layer is deposited on the predetermined area of the machine part by means of a PVD or (PA) CVD method. In this case, any non-metallic dopants can be deposited in the same process. A deposition of the at least one intermediate layer and / or the at least one adhesion-promoting layer preferably also takes place by means of a PVD method.
Es wird vorzugsweise keine thermische und/oder mechanische Nachbearbeitung der abgeschiedenen amorphen Kohlenwasserstoffschicht durchgeführt.It is preferably carried out no thermal and / or mechanical post-processing of the deposited amorphous hydrocarbon layer.
Vorzugsweise wird vor einer Abscheidung der amorphen Kohlenwasserstoff- Schicht die vorbestimmte Fläche des Maschinenteils einer Reinigung unterzogen, beispielsweise einer Badreinigung in verschiedenen Reinigungsbädern mit einem anschließenden Ausgasungsvorgang in einem Trocken- oder Vakuumofen oder dergleichen. Dadurch wird eine dauerhafte Anhaftung der Beschich- tung an dem Grundkörper gewährleistet.Preferably, before deposition of the amorphous hydrocarbon Layer subjected to the predetermined area of the machine part of a cleaning, for example, a bath cleaning in various cleaning baths with a subsequent Ausgasungsvorgang in a dry or vacuum oven or the like. This ensures permanent adhesion of the coating to the base body.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die amorphe Kohlenwasserstoffschicht, die mindestens eine Zwischenschicht und/oder die mindestens eine Haftvermittlungsschicht bei jeweils einer Beschichtungstempe- ratur abgeschieden, welche jeweils kleiner sind als die Anlasstemperatur des Maschinenteils. Dadurch erfährt das Maschinenteil keinen Härteverlust und keinen Verzug.According to a further preferred embodiment, the amorphous hydrocarbon layer, the at least one intermediate layer and / or the at least one adhesion-promoting layer are deposited at in each case one coating temperature, which are in each case smaller than the tempering temperature of the machine part. As a result, the machine part experiences no loss of hardness and no delay.
Beispielhafte Verwendungen der verschleißfesten Beschichtung umfassen au- ßer den erwähnten Wälzlagerkomponenten auch hydraulische Abstütz- und Einsteckelemente, Steuerkolben, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Kreuzgelenkbuchsen, Linearführungen, Elemente mechatronischer Systeme oder dergleichen.Exemplary uses of the wear-resistant coating include, in addition to the rolling bearing components mentioned, also hydraulic support and insertion elements, control pistons, release bearings, piston pins, bearing bushes, universal joint bushings, linear guides, elements of mechatronic systems or the like.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:The invention is explained below with reference to embodiments with reference to the accompanying figures of the drawing. From the figures show:
Figur 1 eine vergrößerte Ansicht der auf einer Kontaktfläche abgeschie- denen verschleißfesten Besichtung im Querschnitt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 1 shows an enlarged view of the wear-resistant cross-sectional coating which is deposited on a contact surface in accordance with a preferred exemplary embodiment of the present invention;
Figur 2 schematisch ein Wälzlager im Querschnitt.Figure 2 schematically a rolling bearing in cross section.
Es ist wünschenswert, diese Kontaktflächen 2 der Hubscheibe 1 mit einem Ver- schleißschutz bzw. einer verschleißfesten Beschichtung zu versehen, um den Verschleißwiderstand der Hubscheibe 1 für eine verlängerte Lebensdauer derselben zu erhöhen. Fig. 1 illustriert eine vergrößerte schematische Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines beschichteten Bauteils 1. Wie in Figur 1 ersichtlich ist, ist auf einer vorbestimmten Fläche 2 eine verschleißfeste Beschichtung 3, 4, 5 für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes sowie für eine Reduzierung des Reibmomentes vorgesehen.It is desirable to provide these contact surfaces 2 of the lifting disk 1 with a wear protection or a wear-resistant coating in order to increase the wear resistance of the lifting disk 1 for a prolonged service life thereof. 1 illustrates an enlarged schematic cross-sectional view of a section of a coated component 1. As can be seen in FIG. 1, a wear-resistant coating 3, 4, 5 is provided on a predetermined surface 2 for increasing the wear resistance and for reducing the frictional torque.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Grundkörper des Bauteils ein metallischer Grundkörper aus einem Wälzlagerstahl, insbesondere aus einem gehärtetem Wälzlagerstahl, verwendet. Durch Verwendung derartiger Grundkörpermaterialien kann auf gängige Fertigungstechnologien zurückgegriffen und der Grundkörper wettbewerbsfähig hergestellt werden.According to a preferred embodiment of the present invention, a basic metal body of a bearing steel, in particular of a hardened bearing steel, is used as the basic body of the component. By using such basic body materials can be made of common manufacturing technologies and the body made competitive.
Wie in der Figur 1 ferner illustriert ist, wird auf die vorbestimmte Fläche bzw. auf die Kontaktfläche 2 eine Haftvermittlungsschicht 3 aufgebracht. Die Haftvermittlungsschicht 3 kann beispielsweise mittels eines PVD-Verfahrens (Physical Vapour Deposition) auf die vorbestimmte Fläche 2 abgeschieden werden. Die Haftvermittlungsschicht 3 besteht vorzugsweise aus metallischen Stoffen, Bori- den, Carbiden, Oxiden oder Nitriden der Übergangsmetalle oder dergleichen und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 μm bis 0,5 μm auf. Die Haftvermittlungsschicht 3 dient einer verbesserten Anbringung bzw. einer verbesserten Vernetzung der Atome einer anschließend aufzubringenden Zwischensicht oder Funktionsschicht am Grundkörper 1. Die Dicke der Haftvermittlungsschicht 3 ist in Abhängigkeit der verwendeten Zwischenschicht 4 bzw. der Kundenwünsche und -anforderungen auszuwählen.As further illustrated in FIG. 1, an adhesion-promoting layer 3 is applied to the predetermined area or to the contact area 2. The adhesion-promoting layer 3 can be deposited on the predetermined area 2, for example, by means of a PVD (Physical Vapor Deposition) method. The adhesion-promoting layer 3 preferably consists of metallic substances, borides, carbides, oxides or nitrides of the transition metals or the like and preferably has a thickness of 0.1 μm to 0.5 μm. The adhesion-promoting layer 3 is used for improved attachment or improved crosslinking of the atoms of an intermediate view or functional layer to be subsequently applied to the main body 1. The thickness of the adhesion-promoting layer 3 is to be selected as a function of the intermediate layer 4 used or the customer's wishes and requirements.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird anschließend eine Zwischenschicht 4, wie in Fig. 1 ersichtlich ist, auf der Haftvermittlungsschicht 3 mittels beispielsweise ebenfalls eines PVD-Verfahrens abgeschieden. Die Zwischenschicht 4 kann beispielsweise als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H:Me) aufgebracht werden, wobei die Metallkomponenten W, Ti, Hf, Ge, Cr Ni oder dergleichen einzeln oder zu mehreren auftreten können. Die Zwi- schenschicht 4 weist beispielsweise eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm auf und dient einer verbesserten Anbringung der Funktionsschicht auf der Haftvermittlungsschicht 3 bzw. im Falle eines Fehlens der Haftvermittlungsschicht 3 für eine verbesserte Anbringung der Funktionsschicht auf dem Grundkörper 1 in physikalisch mechanischer und chemischer Hinsicht. Die Dicke der Zwischenschicht 4 ist dabei wiederum an Zusammensetzungen der verwendeten Schichten und an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.According to the present exemplary embodiment, an intermediate layer 4, as can be seen in FIG. 1, is subsequently deposited on the adhesion-promoting layer 3 by means of, for example, also a PVD process. The intermediate layer 4 can be applied, for example, as a metal-containing hydrocarbon layer (aC: H: Me), wherein the metal components W, Ti, Hf, Ge, Cr, Ni or the like can occur individually or in groups. The For example, layer 4 has a thickness of approximately 0.5 μm to 2.0 μm and serves for improved attachment of the functional layer to the adhesion-promoting layer 3 or, in the case of an absence of the adhesion-promoting layer 3, for an improved attachment of the functional layer on the base body 1 into physical mechanical and chemical aspects. The thickness of the intermediate layer 4 is again to be adapted to the compositions of the layers used and to the respective requirements.
Wie in Fig. 1 ferner dargestellt ist, wird anschließend die eigentliche Funktions- Schicht 5 auf der Zwischenschicht 4 abgeschieden. Dabei kann die Funktionsschicht 5 entweder direkt auf dem Grundkörper 1 , direkt auf der Haftvermittlungsschicht 3 oder, wie in Fig. 3 dargestellt, direkt auf der Zwischenschicht 4 abgeschieden werden. Vorzugsweise wird ein spezieller Übergang von der Zwischenschicht 4 zu der Funktionsschicht 5 entwickelt, welcher eine optimale An- bindung der Funktionsschicht 5 sicherstellt und möglichst geringe Spannungen in das Schichtsystem bzw. in die kritische Schnittstelle zwischen dem porigen Grundmaterial und dem Schichtsystem induziert, wodurch ein Abplatzen sowohl in kohäsiver als auch in adhäsiver Form vermieden wird. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auf die Haftvermittlungsschicht 3 und/oder die Zwi- schenschicht 4 bei bestimmten Anwendungsbereichen auch verzichtet werden kann.As further illustrated in FIG. 1, the actual functional layer 5 is subsequently deposited on the intermediate layer 4. In this case, the functional layer 5 can be deposited either directly on the base body 1, directly on the adhesion-promoting layer 3 or, as shown in FIG. 3, directly on the intermediate layer 4. Preferably, a special transition from the intermediate layer 4 to the functional layer 5 is developed, which ensures an optimal connection of the functional layer 5 and induces as low as possible stresses in the layer system or in the critical interface between the porous base material and the layer system, as a result both in a cohesive and in an adhesive form. It should be noted at this point that the adhesion-promoting layer 3 and / or the intermediate layer 4 can also be dispensed with in certain areas of application.
Die Zwischenschicht kann zur Erreichung einer erhöhten Stabilität und Haltbarkeit auch so gestaltet sein, dass eine sinnvolle Stufung der Metallhärte von dem Maschinenteil bis zur Funktionsbeschichtung erreicht wird.To achieve increased stability and durability, the intermediate layer can also be designed in such a way that a meaningful grading of the metal hardness from the machine part to the functional coating is achieved.
Die Funktionsschicht 5 ist als amorphe Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H) ausgebildet und wird vorzugsweise mittels eines PVD- und/oder (PA)CVD- Verfahrens (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) auf einer vorgese- henen Schicht, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Zwischenschicht 4, abgeschieden.The functional layer 5 is embodied as an amorphous hydrocarbon layer (aC: H) and is preferably applied to the intermediate layer by means of a PVD and / or (PA) CVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) method on a provided layer according to the present exemplary embodiment 4, deposited.
Bei einem PVD-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial derart mit Inertgasionen, z. B. Argon beschossen, dass einzelne Atome aus dem Target herausgeschlagen und ionisiert und dann auf das negativ geladene Substrat hin beschleunigt werden. Dabei kann die zu beschichtende Oberfläche einmal oder mehrmals in einer Prozesskammer an dem Target zum Bilden einer oder mehrerer Schich- ten vorbeigeführt werden. Gleichzeitig kann in der Prozesskammer der einzubringende nicht metallische Stoff in Gas- oder Dampfform vorhanden sein und zu der Oberfläche mit gerissen werden.In a PVD process, a starting material is treated with inert gas ions, z. For example, bombarding argon that single atoms are knocked out of the target and ionized and then accelerated towards the negatively charged substrate. In this case, the surface to be coated can be guided past the target for forming one or more layers once or several times in a process chamber. At the same time, the non-metallic substance to be introduced can be present in gas or vapor form in the process chamber and can be torn to the surface.
Bei einem (PA)CVD-Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Plasmas ein Gasgemisch in die Prozesskammer eingebracht, in welche die zu beschichtenden Materialteile eingebracht sind. Bei vorbestimmten Temperaturen reagieren die vorhandenen Gase chemisch miteinander und führen zu einer dünnen Kon- densschicht auf den Oberflächen der zu beschichtenden heißen Materialteile.In a (PA) CVD method, a gas mixture is introduced into the process chamber with the aid of a plasma, into which the material parts to be coated are introduced. At predetermined temperatures, the gases present react chemically with one another and lead to a thin condensation layer on the surfaces of the hot material parts to be coated.
Eine Aufgabe des gesamten Schichtsystems, bestehend aus dem Grundkörper 1 , der Haftvermittlungsschicht 3, der Zwischenschicht 4 sowie der amorphen Kohlenwasserstoffschicht 5, besteht darin, die Reibung zwischen dieser Be- schichtung und einem Gegenkörper zu reduzieren und die Lebensdauer des beschichteten Grundkörpers 1 sowie die des Gegenkörpers zu erhöhen.An object of the entire layer system, consisting of the base body 1, the bonding layer 3, the intermediate layer 4 and the amorphous hydrocarbon layer 5, is to reduce the friction between this coating and a counter body and the life of the coated base body 1 and the Increase counter body.
Die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 weist daher vorzugsweise einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atoιm-% auf, wodurch eine geringe Adhäsionsneigung zum metallischen Gegenkörper, ein hoher abrasiver Verschleißwiderstand, eine hohe chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeiten und hohe Härte/E-Modul-Verhältnisse gewährleistet werden. Ansonsten besteht die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 aus sp2- und sp3-hybhdisiertem Kohlenstoff, wobei vorzugsweise prozessbedingte Verunreinigungen von weniger als 1 Atoιm-% vorgesehen sind.The amorphous hydrocarbon layer 5 therefore preferably has a hydrogen content of at most 20 Atoιm-%, whereby a low tendency to adhesion to the metallic counter body, a high abrasive wear resistance, high chemical resistance, high mechanical strength and high hardness / modulus of elasticity ratios are ensured. Otherwise, the amorphous hydrocarbon layer 5 consists of sp 2 - and sp 3 -hybhdisiertem carbon, wherein preferably process-related impurities of less than 1 Atoιm-% are provided.
Die amorphe Kohlenwasserstoffschicht 5 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 1 ,0 μm bis 10,0 μm, im Falle geringer mechanischer Belastung bis 70 μm auf. Die gesamte Dicke der Beschichtung, bestehend aus den einzelnen Schichten 3, 4 und 5, beträgt vorzugsweise etwa 2,0 μm. Durch eine solche Dicke der Gesamtbeschichtung ändern sich die Abmessungen des Maschinenteils in einem derartig geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist und die eingestellte Oberflächenstruktur bzw. Topographie beibehalten wird. Die tribologischen Aufgaben übernimmt die Oberfläche der Beschichtung, die durch die eingestellte Struktur das Mischreibungsgebiet reduziert und aufgrund der reibungsarmen Beschichtung die Reibkraft und folglich die Oberflächenbeanspruchungen reduziert. Die mechanischen Aufgaben hingegen übernimmt das Schichtsystem im Verbund mit dem Grundkörper.The amorphous hydrocarbon layer 5 preferably has a layer thickness of about 1, 0 microns to 10.0 microns, in the case of low mechanical stress to 70 microns. The total thickness of the coating, consisting of the individual layers 3, 4 and 5, is preferably about 2.0 μm. By such Thickness of the overall coating, the dimensions of the machine part change to such a small extent that no post-processing is necessary and the set surface structure or topography is maintained. The tribological tasks are taken over by the surface of the coating, which reduces the mixed friction area due to the set structure and reduces the frictional force and consequently the surface stresses due to the low-friction coating. The mechanical tasks, on the other hand, are handled by the layer system in combination with the basic body.
Als Gegenkörper können vorzugsweise im Sinne des Leichtbaus und der Kosteneinsparung Eisen-Kohlenstoff-Legierungen realisiert werden. Darüber hinaus sind niedrig viskose und niedrig additivierte Öle einsetzbar. Ferner kann eine Minimalschmierung bzw. ein erhöhtes Ölwechselintervall realisiert werden.As counter-body iron-carbon alloys can preferably be realized in terms of lightweight construction and cost savings. In addition, low-viscosity and low-additive oils can be used. Furthermore, a minimum lubrication or an increased oil change interval can be realized.
Vorzugsweise wird vor einer Beschichtung des Grundkörpers die vorbestimmte Fläche 2 desselben gereinigt, beispielsweise mittels einer Badreinigung in verschiedenen Reinigungsbädern. Dadurch wird die Anhafteigenschaft der Beschichtung an dem Grundkörper vorteilhaft verbessert.Preferably, before a coating of the base body, the predetermined area 2 of the same is cleaned, for example by means of a bath cleaning in different cleaning baths. As a result, the sticking property of the coating on the base body is advantageously improved.
Die Beschichtungstemperatur der einzelnen Beschichtungsvorgänge liegt unterhalb der Anlasstemperatur des zu beschichtenden Materials. Dadurch erfährt dieses vorteilhaft weder einen Härteverlust noch einen Verzug.The coating temperature of the individual coating operations is below the tempering temperature of the material to be coated. As a result, this advantageously undergoes neither a loss of hardness nor a delay.
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen verschleißfesten Beschichtung, wobei auf kostengünstige niedrig legierte Stähle als Unterbau zurückgegriffen werden kann, welche aber ohne die erfindungsgemäße Beschichtung der tribologischen Beanspruchung nicht standhalten würden. Aufgrund der notwendigen komplexen Teilegeometrie ist fertigungsbedingt somit vorteilhaft ein einfacher Stahl mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung einsetzbar, so dass das Bauteil wettbewerbsfähig hergestellt werden kann. Die Beschichtung kann aufgrund der geringen Gesamtschichtdicke sehr gleichmäßig und ohne nennenswerten Rauheitszuwachs aufgebracht werden. Dadurch ist das Beschichten ohne Vor- haltemaß und ohne kostenintensive Nachbearbeitung möglich.Thus, the present invention provides a wear-resistant coating and a method for producing such a wear-resistant coating, wherein low cost low alloy steels can be used as a substructure, which would not withstand the tribological stress without the inventive coating. Due to the necessary complex part geometry production-related thus advantageously a simple steel can be used with a coating according to the invention, so that the component can be made competitive. Due to the low overall layer thickness, the coating can be applied very uniformly and without appreciable increase in roughness. As a result, coating without haltemaß and without costly reworking possible.
Durch die oben beschriebene Beschichtung entsteht ein tribologisches System, welches durch die eingestellte Struktur das Mischreibungsgebiet reduziert und aufgrund der reibungsarmen Beschichtung die Reibkraft und folglich die Oberflächenbeanspruchung sowie den Verschleiß reduziert.The coating described above creates a tribological system which reduces the mixed friction area due to the set structure and, due to the low-friction coating, reduces the frictional force and consequently the surface stress and the wear.
Neben einer Beschichtung von Kontaktflächen von Wälzlagern können selbstverständlich auch andere Maschinenteile, beispielsweise hydraulische Abstütz- und Einsteckelemente, Steuerkolben, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Linearführungen, oder dergleichen, erfindungsgemäß beschichtet werden.In addition to a coating of contact surfaces of rolling bearings of course, other machine parts, such as hydraulic support and male elements, control piston, release bearing, piston pin, bushings, linear guides, or the like, according to the invention can be coated.
In der Figur 2 ist ein Kugellager schematisch dargestellt mit einem Außenring 10, einem Innenring 1 1 und Wälzkörpern 12. Die genannten Komponenten be- stehen typisch aus einem bekannten Lagerstahl, wobei kostengünstige und leicht bearbeitbare Stähle gewählt werden können. Dabei ist gegenüber dotierungsfreien Kohlenwasserstoffschichten eine wesentlich größere Härte, Überrollfähigkeit (Stabilität gegen hohe Herz'sche Pressung) und ein optimiertes Verhältnis von Härte zu E-Modul wichtig. Zum Zweck einer größeren mechani- sehen Stabilität und Dauerhaftigkeit kann zusätzlich ein Schichtaufbau mit einer Haftvermittlungsschicht und einer Zwischenschicht vorgesehen sein, um den Härtegradienten im Schichtaufbau zu begrenzen. Eines, zwei oder alle drei der genannten Komponenten des Lagers können eine Kohlenwasserstoffschicht gemäß der Erfindung tragen, um einerseits auf dem gewünschten Isolationsni- veau eine elektrische Isolierung herzustellen und andererseits die geförderten mechanischen und tribologischen Eigenschaften zu erzeugen. In der Figur sind lediglich beschichtete Wälzkörper 12, davon einer im Querschnitt, mit einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffschicht 15 als Beispiel dargestellt.FIG. 2 schematically shows a ball bearing with an outer ring 10, an inner ring 11 and rolling elements 12. The abovementioned components typically consist of a known bearing steel, wherein cost-effective and easily machinable steels can be selected. Here, compared to doping-free hydrocarbon layers a much greater hardness, roll capability (stability against high heart 'sche pressure) and an optimized ratio of hardness to modulus of elasticity is important. For the purpose of greater mechanical stability and durability, a layer structure with an adhesion-promoting layer and an intermediate layer may additionally be provided in order to limit the hardness gradient in the layer structure. One, two or all three of said components of the bearing can carry a hydrocarbon layer according to the invention, in order to produce electrical insulation on the one hand at the desired level of insulation and, on the other hand, to produce the promoted mechanical and tribological properties. In the figure, only coated rolling elements 12, one of them in cross section, with a carbon layer 15 according to the invention are shown as an example.
Durch die PVD-Beschichtungstechnik ist in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Schichten auch die Beschichtung von kleinen Lagern mit einem Innendurchmesser kleiner als 75 mm wirtschaftlich möglich. Erfindungsgemäße Lager können auch bei Trockenreibung und Mangelschmierung betrieben werden. Da als Schmierstoff außer Hydrauliköl und Dieselkraftstoff auch Wasser und Benzin möglich ist, ergeben sich auch neue Einsatzgebiete für die Lager.The PVD coating technique in conjunction with the layers according to the invention, the coating of small bearings with an inner diameter smaller than 75 mm economically possible. Inventive bearings can be operated even with dry friction and lack of lubrication. As a lubricant except hydraulic oil and diesel fuel and water and gasoline is possible, there are also new applications for the bearings.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but modifiable in a variety of ways.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Maschinenteil1 machine part
2 vorbestimmte Fläche des Maschinenteils/ 3 Haftvermittlungsschicht2 predetermined area of the machine part / 3 adhesion promoting layer
4 Zwischenschicht4 interlayer
5 amorphe Kohlenwasserstoffschicht/Funktionsschicht5 amorphous hydrocarbon layer / functional layer
10 Außenring10 outer ring
11 Innenring 12 Wälzkörper11 inner ring 12 rolling elements
15 Kohlenwasserstoffschicht 15 hydrocarbon layer

Claims

Patentansprüche claims
1. Verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen (2) von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (1 ), bestehend aus mindestens einer auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1 ) aufgebrachten metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mit sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff.1. Wear-resistant coating on predetermined surfaces (2) of machine parts exposed to abrasive wear (1), comprising at least one metal-free amorphous hydrocarbon layer (5) with sp 2 and sp 3 applied to the predetermined surface (2) of the machine part (1) hybridized carbon.
2. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich- net, dass in die Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) Anteile eines nicht metallischen Elementes eingebracht sind.2. Wear-resistant coating according to claim 1, characterized marked, that in the hydrocarbon layer (5, 15) shares of a non-metallic element are introduced.
3. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des nicht metallischen Elementes weniger als 30 A- tom % beträgt.3. Wear-resistant coating according to claim 2, characterized in that the proportion of the non-metallic element is less than 30 atomic%.
4. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht metallisches Element Silizium oder Sauerstoff eingebracht ist.4. Wear-resistant coating according to claim 2 or 3, characterized in that as a non-metallic element silicon or oxygen is introduced.
5. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) einen Wasserstoffanteil von maximal 20 Atoιm-% aufweist.5. Wear-resistant coating according to claim 1 or one of the following, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) has a hydrogen content of at most 20 Atoιm-%.
6. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) prozessbedingte Verunreinigungen von weniger als 1 Atom-% aufweist.6. Wear-resistant coating according to claim 1 or one of the following, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) has process-related impurities of less than 1 atomic%.
7. Verschleißfeste Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine Dicke von etwa 1 ,0 μm bis 70 μm aufweist.7. Wear-resistant coating according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) has a thickness of about 1, 0 microns to 70 microns.
8. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich- net, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine Dicke zwi- sehen 1 ,0 μm und 10 μm aufweist.8. Wear-resistant coating according to claim 7, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) has a thickness between see 1, 0 microns and 10 microns.
9. Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbe- stimmten lache (2) des Maschinenteils (1 ) und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) und/oder mindestens eine Zwischenschicht (4) vorgesehen ist.9. Wear-resistant coating according to at least one of the preceding claims, characterized in that between the predetermined lache (2) of the machine part (1) and the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) at least one adhesion-promoting layer (3) and / or at least one intermediate layer (4) is provided.
10. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) ausgebildet ist.10. Wear-resistant coating according to claim 9, characterized marked, that the at least one intermediate layer (4) is formed as a metal-containing hydrocarbon layer (5, 15).
11. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten der metallhaltigen Kohlenwasserstoff- Schicht (4) aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen.11. Wear-resistant coating according to claim 10, characterized in that the metal components of the metal-containing hydrocarbon layer (4) consist of W, Cr, Ti, Hf, Ge, or a combination of the aforementioned components.
12. Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm aufweist.12. Wear-resistant coating according to at least one of claims 9 to 1 1, characterized in that the at least one intermediate layer (4) has a thickness of about 0.5 microns to 2.0 microns.
13. Verschleißfeste Beschichtung nach 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) eine keramische Schicht vorgesehen ist, die ein Oxid oder ein Nitrid enthält, insbesondere AI2O3, TiO2, AIN oder TiN.13. Wear-resistant coating according to 1 to 9, characterized in that between the predetermined surface of the machine part and the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) is provided a ceramic layer containing an oxide or a nitride, in particular Al 2 O 3 , TiO 2 , AIN or TiN.
14. Verschleißfeste Beschichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) wenigstens teilweise aus metallischen Stoffen, Boriden, Car- biden, Oxiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle oder aus Chrom und Kohlenstoff besteht.14. Wear-resistant coating according to at least one of claims 9 to 13, characterized in that the at least one adhesion-promoting layer (3) at least partially of metallic substances, borides, carbides, oxides and / or nitrides of the transition metals or chromium and carbon.
15. Verschleißfeste Beschichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (3) eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm aufweist.15. Wear-resistant coating according to one of claims 9 to 14, characterized in that the adhesion-promoting layer (3) has a thickness of about 0.1 microns to 0.5 microns.
16. Verwendung der verschleißfesten Beschichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Maschinenteil (1 ) aus einem Stahl besteht.16. Use of the wear-resistant coating according to at least one of the preceding claims, characterized in that the coated machine part (1) consists of a steel.
17. Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur elektrischen Isolierung des beschichteten Maschinenteils.17. Use of the wear-resistant coating according to one of the preceding claims for the electrical insulation of the coated machine part.
18. Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur Beschichtung eines Maschinenteils, das aus einem der Stähle 16 Mn Cr 5, C 45, 100 Cr 6, 31 Cr Mo V9, 80 Cr 2 besteht.18. Use of the wear-resistant coating according to one of the preceding claims for coating a machine part, which consists of one of the steels 16 Mn Cr 5, C 45, 100 Cr 6, 31 Cr Mo V9, 80 Cr 2.
19. Verwendung der Beschichtung (3, 4, 5) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche als Kontaktfläche (2) einer Hubscheibe (1 ) zu einer Mittelplatte einer Pumpeneinrichtung einer Kraftstofffördereinheit.19. Use of the coating (3, 4, 5) according to at least one of the preceding claims as a contact surface (2) of a lifting disc (1) to a central plate of a pump device of a fuel delivery unit.
20. Verwendung der Beschichtung (3, 4, 5) nach wenigstens einem der An- Sprüche 1 bis 1 1 auf vorbestimmten Flächen (2) von Mittelplatten von20. Use of the coating (3, 4, 5) according to at least one of the claims 1. 1-1 on predetermined surfaces (2) of middle plates of
Kraftstofffördereinheiten, Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise Tassenstößel, Nockenwellen, hydraulischen Abstütz- und Einsteckelementen, Wälzlagerkomponenten, Steuerkolben, Ausrücklagern, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Kreuzgelenkbüchsen, Linearführungen, Elemen- te mechatronischer Systeme oder dergleichen.Fuel delivery units, valve train components, such as bucket tappets, camshafts, hydraulic support and male elements, rolling bearing components, control pistons, release bearings, piston pins, bearing bushes, universal joints, linear guides, mechatronic systems elemen- te or the like.
21. Verwendung der verschleißfesten Beschichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche zur Beschichtung wenigstens einer der Komponenten eines Wälzlagers: des Innenrings, des Außenrings oder der Wälzkörper. 21. Use of the wear-resistant coating according to one of the preceding claims for coating at least one of the components of a roller bearing: the inner ring, the outer ring or the rolling elements.
22. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf vorbestimmten Flächen (2) von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (1 ) mit folgendem Verfahrensschritt: Aufbringen mindestens einer metallfreien amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mit sp2- und sp3-hybhdisiertem Kohlenstoff auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1 ) für eine Reibungsreduzierung und eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche (2) des Maschinenteils (1 ).22. A method for producing a wear-resistant coating on predetermined surfaces (2) of machine parts subjected to abrasive wear (1) with the following method step: applying at least one metal-free amorphous hydrocarbon layer (5) with sp 2 - and sp 3 -hybhdisiertem carbon on the predetermined area (2) of the machine part (1) for a friction reduction and an increase of the wear resistance of the predetermined surface (2) of the machine part (1).
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kohlenwasserstoffschicht ein Anteil eines nicht metallischen Stoffes, insbesondere Si oder O, eingebracht wird.23. The method according to claim 22, characterized in that in the hydrocarbon layer, a proportion of a non-metallic substance, in particular Si or O, is introduced.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mittels eines PVD- und/oder eines (PA)CVD-Verfahrens auf die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1 ) abgeschieden wird.24. The method according to claim 22 or 23, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5) by means of a PVD and / or a (PA) CVD method on the predetermined area (2) of the machine part (1) is deposited.
25. Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mit einem Wasserstoffanteil von maximal 20 Atoιm-% ausgebildet wird.25. The method of claim 22, 23 or 24, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5) is formed with a hydrogen content of at most 20 Atoιm-%.
26. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5) mit prozessbedingten Verunreinigungen von weniger als 1 Atom-% ausgebildet wird.26. The method according to at least one of claims 22 to 25, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5) is formed with process-related impurities of less than 1 atomic%.
27. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5, 15) mit einer Dicke von etwa 1 ,0 μm bis 70 μm, insbesondere 1 μm bis 10 μm ausgebildet wird. 27. The method according to at least one of claims 22 to 26, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5, 15) is formed with a thickness of about 1, 0 .mu.m to 70 .mu.m, in particular 1 .mu.m to 10 .mu.m.
28. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Abscheidung der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) die vorbestimmte Fläche (2) des Maschinenteils (1 ) einer Reinigung, beispielsweise einer Badreinigung in verschiedenen Rei- nigungsbädern mit einem anschließenden Ausgasungsvorgang in einem28. The method according to at least one of claims 22 to 27, characterized in that prior to deposition of the amorphous hydrocarbon layer (5) the predetermined surface (2) of the machine part (1) a cleaning, for example, a bath cleaning in different cleaning nigungsbädern with a subsequent Outgassing process in one
Reinigungsofen oder dergleichen, unterzogen wird.Cleaning furnace or the like, is subjected.
29. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorbestimmten Fläche (2) des Ma- schinenteils (1 ) und der amorphen Kohlenwasserstoffschicht (5) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) und/oder mindestens eine Zwischenschicht (4) ausgebildet wird.29. The method according to claim 22, wherein at least one adhesion-promoting layer and / or at least one intermediate layer between the predetermined surface of the machine part and the amorphous hydrocarbon layer. 4) is formed.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes- tens eine Zwischenschicht (4) als metallhaltige Kohlenwasserstoffschicht ausgebildet wird.30. The method according to claim 29, characterized in that the at least one intermediate layer (4) is formed as a metal-containing hydrocarbon layer.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten der metallhaltigen Kohlenwasserstoffschicht (4) aus W, Cr, Ti, Hf, Ge, oder einer Kombination der vorgenannten Komponenten bestehen.31. The method according to claim 30, characterized in that the metal components of the metal-containing hydrocarbon layer (4) consist of W, Cr, Ti, Hf, Ge, or a combination of the aforementioned components.
32. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) mit einer Dicke von etwa 0,5 μm bis 2,0 μm ausgebildet wird.32. The method according to at least one of claims 29 to 31, characterized in that the at least one intermediate layer (4) is formed with a thickness of about 0.5 microns to 2.0 microns.
33. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) aus Chrom und Kohlenstoff, metallischen Stoffen, Boriden, Carbiden, O- xiden und/oder Nitriden der Übergangsmetalle ausgebildet wird.33. The method according to at least one of claims 29 to 32, characterized in that the at least one adhesion-promoting layer (3) of chromium and carbon, metallic materials, borides, carbides, oxides and / or nitrides of the transition metals is formed.
34. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) mit einer Dicke von etwa 0,1 μm bis 0,5 μm ausgebildet wird.34. The method according to at least one of claims 29 to 33, characterized in that the at least one adhesion-promoting layer (3) is formed with a thickness of about 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m.
35. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenwasserstoffschicht (5), die mindestens eine Zwischenschicht (4) und/oder die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (3) bei jeweils einer Beschichtungstemperatur abgeschieden werden, welche jeweils kleiner sind als die Anlasstemperatur des Maschinenteils (1 ).35. The method according to at least one of claims 22 to 34, characterized in that the amorphous hydrocarbon layer (5), the at least one intermediate layer (4) and / or the at least one adhesion promoting layer (3) are deposited at a respective coating temperature, each smaller are as the tempering temperature of the machine part (1).
36. Wälzlager mit einer verschleißfesten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auf der Oberfläche wenigstens einer der folgenden Komponenten: Innenring, Außenring, Wälzkörper. 36. rolling bearing with a wear-resistant coating according to one of claims 1 to 15 on the surface of at least one of the following components: inner ring, outer ring, rolling elements.
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