WO2008128849A1 - Method for applying a wear-resistant coating - Google Patents

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WO2008128849A1
WO2008128849A1 PCT/EP2008/053679 EP2008053679W WO2008128849A1 WO 2008128849 A1 WO2008128849 A1 WO 2008128849A1 EP 2008053679 W EP2008053679 W EP 2008053679W WO 2008128849 A1 WO2008128849 A1 WO 2008128849A1
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plasma
layer
coating
upper layer
layers
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PCT/EP2008/053679
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Tim Matthias Hosenfeldt
Yashar Musayev
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Schaeffler Kg
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26Deposition of carbon only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/515Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using pulsed discharges

Definitions

  • the invention is in the field of tribology and deals with a method for coating machine parts to reduce friction losses and wear.
  • the present invention is basically applicable to many different types of machine parts that are subject to abrasive wear.
  • a particularly advantageous example is the use in parts of internal combustion engines, in particular in valve train components such as tappets used.
  • an application in industrial applications such as in rolling bearings and linear guides and hydraulic support components is also conceivable.
  • some of the requirements may be met by coatings of a specific nature, such as hardness or low friction.
  • coatings of a specific nature such as hardness or low friction.
  • other properties of the tribological system regularly suffer.
  • cam follower devices are incorporated, for example, in reciprocating piston engine engines having air intake and exhaust valves which open and close in phase with, or in synchronism with, the rotation of the crankshaft.
  • a valve drive mechanism is used to transmit the movement of the camshaft mounted cam to the valves as the camshaft rotates with the crankshaft of the engine. In this case, the cam of the camshaft comes into frictional contact with a running surface of the associated tappet.
  • valve train components such as, for example, cup and pump tappets
  • valve train components are subject to increasing demands.
  • the reasons for the necessity of increased wear resistance lie in the ever-increasing loads and stresses of the tribological system, consisting of control cams and tappets.
  • the reasons for this are new engine concepts, such as gasoline and diesel direct injection systems, with constantly increasing injection pressures, an increasing proportion of abrasive particles in the lubricant, lack of oil supply to the friction partners, which results in an increased proportion of mixed friction, and increasing use of tribologically unfavorable steel cams for cost and mass reduction.
  • An important contribution to the conservation of resources is the reduction of friction losses in the valve train, resulting in fuel savings while increasing the life of the entire valve train. In order to effectively reduce the friction losses, it is necessary to reduce the friction torque over a wide speed range.
  • tappets for the valve control of an internal combustion engine as a light metal tappet, which has a plunger base body and an inserted at the contact surface for the control cam of the valve control steel plate with a hardened surface.
  • a disadvantage of this approach has been found to be the fact that such tappets in operation relatively large temperature fluctuations of -30 0 C. are exposed during cold start up to about 130 0 C during operation of an internal combustion engine.
  • the problem here is the different thermal expansion of the materials used.
  • the steel plate inserted as an insert into a light metal ram has good wear properties, it tends to detach with corresponding thermal stress. The thermal capacity is therefore limited.
  • Another technical disadvantage is that the space is lost in the form of a relatively wide edge as a functional surface or as a cam contact surface, which is contacted by the control cam of a valve control.
  • wear protection layers which, depending on the application, preferably consist of electroplated metals or of metals and / or metal alloys applied optionally with additions of hard material in a thermal spraying process.
  • thermally sprayed metal layers have a relatively weak strength
  • plasma jets laser beams
  • electron beams or arc
  • inhomogeneous zones of different composition arise in which both the base material and the layer material can predominate. If the base material content is too high, then the layer wear will be too high, and with a low base material content there will be a risk of macrocracking in the case of different layer combinations, so that such layers can not be used. In such a case, frictional stresses can cause undesirable adhesive wear on the layers.
  • ASP 23 Hard metals and high-speed steels (ASP 23) are known from the state of the art as coating materials, but in addition to an unsatisfactory coefficient of friction and unsatisfactory wear resistance, they additionally have a disadvantageously high mass.
  • the surface In order to obtain the required low roughness of the tappet over the entire life, it is necessary to design the surface so that it has a high wear resistance, a low adhesive tendency to the counter body and low reactivity to the environment. Furthermore, the surface may preferably not contain any abrasive particles such as droplets.
  • the tappets made of iron-carbon alloys do not achieve the necessary wear resistance and tribologically favorable surface conditions. If, for example, nitride layers are treated mechanically, in particular by (fine) grinding, lapping, polishing, blasting, etc., in addition to the surface structure, the chemical composition and reactivity of the surface are also changed. On the one hand, these changes are subject to wide variations, which means that no consistent quality can be achieved. On the other hand, topographically affine surfaces have less favorable tribological properties and tend to adhere to the counterpart body. Furthermore, residual stresses in the near-surface areas are induced by grinding and polishing processes, which add up to the already existing high compressive stresses of the hard material layer.
  • the induced dislocations and the ruptured droplets result in voids and microcracks, thus reducing the local fatigue strength of the layer in cup tappets and decreasing the adhesive strength to potential spalling during post-processing of the layer.
  • the hard droplets lead to abrasive wear of the counter-body or at least to random polishing of the counter-body, which results in unfavorable consequences.
  • the droplets break during operation from the layer, resulting in a layer damage and free, abrasive particles.
  • DE 102004043550 A1 discloses a constellation in which the wear-resistant coating consists of at least one nanocrystalline functional layer comprising at least two CrN x phases for reducing friction and for increasing the wear resistance of the predetermined surface of the machine part.
  • this coating does not meet all tribological requirements in an ideal way.
  • DE 102005 029 360 A1 discloses a method for plasma treatment, in particular also for plasma coating of a component under approximately atmospheric pressure, in which a CVD coating can be applied by means of suitable precursors using a high voltage of a few KV.
  • a method for applying chemically functionalized surfaces to functional elements is known from DE 10 2004 057 155 A1, whereby the plasma-assisted coating with precursors, such as acrylic acid, allylamine, diamino cyclohexane, and the resulting functionalizations of the surface are discussed in particular. Further, the document relates to the plasma polymerization.
  • DE 10 2005 034 764 A1 relates to a process for plasma polymerization for the production of fluorocarbon polymer layers. There is a low-pressure high-frequency plasma at pressures between 0.03 mbar and 1 mbar applied at frequencies in the MHz range.
  • a device for plasma-assisted carbon deposition is known from DE 10 2004 029 526, whereby a spatially distributed arrangement of base points for an arc is sought by a correspondingly optimized design of ignition devices for the plasma.
  • a coating of a carbon in a diamond-like structure is known for ball bearings in principle in order to improve the overall friction properties and in particular the dry-running properties.
  • EP 454616 discloses a rolling 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.
  • 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).
  • the present invention has for its object to provide a method for applying a coating that eliminates the above-mentioned disadvantages, in particular simple and inexpensive to apply and leads to coated components that low friction with a long service life of the respective component and also connect the opposite body.
  • the coating process should be possible at the lowest possible temperatures.
  • the basic idea is to use a direct current (DC) plasma-assisted CVD coating process, both for an undercoat layer to be applied, which typically contains a carbide, a boride or a nitride of a transition metal, as well as for a layer above it Upper layer containing amorphous carbon and / or hydrocarbons.
  • DC direct current
  • the Plasma Assisted CVD (PACVD) process developed out of a desire to combine the advantages of both processes.
  • This substrates with complex geometries in three dimensions at temperatures of 400 - 500 0 C are coated with a low technical expenditure vacuum at pressures in the range mbar-.
  • the known plasma-assisted CVD processes no longer use purely thermal energy to activate the chemical reactions, but instead activate the process by means of a plasma in the reactor.
  • This targeted energy input is realized, for example, by:
  • Pulsed or unpulsed DC plasmas either unipolar or bipolar, RF plasmas, low- or high-frequency, microwave plasmas acting directly or indirectly on the surface, as well as laser-induced plasmas or UV excitation.
  • the method is suitable for applying various successive layers Layers with the same process, in the same coating chamber and with the same device.
  • halogen-containing precursors conventionally used in CVD processes, ie starting materials which are introduced into the plasma and form the basis for the substances introduced into the coating, generate halogens or halogen compounds during the process, which more or less depend on the experimental parameters the layers are incorporated. These halogen corporations can cause undesirable effects.
  • a low process temperature leads to increasing chlorine incorporation and higher wear of the coatings.
  • steels with low tempering temperatures and light metals in automotive engine construction requires due to the low wear resistance and high friction of the materials used a tailor-made coating of the component surfaces at the lowest possible temperatures, particularly advantageous below 180 0 C.
  • nitrides or borides of About - serve transition metals, such as hard Ti (C, N) layers can be prepared from organometallic precursors at temperatures below 160 0 C partially.
  • Organometallic compounds can be used particularly advantageously because of the lower binding energy of the metal-carbon or metal-heteroatom-carbon bond at low temperatures as a precursor in the PACVD process. These molecules have a high reactivity, so that low substrate temperatures are sufficient for the formation of a CVD layer.
  • the carbon or hydrocarbon layers can also be deposited from these or similar precursors (eg methane). It should be noted that the coating of a substrate exclusively with a carbon or hydrocarbon layer in the pulsed DC plasma method with an organometallic precursor is conceivable.
  • Amorphous hydrocarbon layers are characterized by a low coefficient of friction, in particular against steel, high hardness and wear resistance, and a high chemical inertness.
  • Typical fields of application are tribological systems in mechanical engineering, such as plain bearings, rolling bearings, shafts, axles, gears, guides and forming tools.
  • Hydrocarbon layers can be differentiated by their chemical composition into pure amorphous hydrocarbon layers (DLC, a-C: H), modified amorphous hydrocarbon layers (a-C: H: X), and metal-containing amorphous hydrocarbon layers (a-C: H: Me).
  • DLC pure amorphous hydrocarbon layers
  • a-C modified amorphous hydrocarbon layers
  • a-C metal-containing amorphous hydrocarbon layers
  • Me metal-containing amorphous hydrocarbon layers
  • the amorphous or metal-containing amorphous hydrocarbon layers are generally prepared according to the prior art in the HF-PACVD or PVD process. According to the invention, however, the respective layers are to be produced in the DC-PACV D method, in particular unipolar or bipolar pulsed.
  • the advantage lies in the continuous process control of the coating, since the deposition can be carried out inexpensively in the same plant as the deposition of the sublayers. This eliminates the need for an adapter for H F-P AC V D processes.
  • the coating process can be carried out with reduced effort in a much shorter time than before.
  • tetrakis (diorganylamino) titanium compounds are used as precursors for the preparation of the carbon layers, although CC or CH top layers are formed on the Ti (C; N) layers, low-friction, harder DLC or aC: H: Me upper layers are deposited at temperatures ⁇ 180 0 C by means of CH 4 or tetramethylsilane as precursors. Therefore, the topsheet or, if the topsheet is not the topsheet, a topsheet disposed above the topsheet can be applied using CH 4 or tetramethylsilane as precursors.
  • a silicon-containing hydrocarbon layer can be applied as a bonding agent to compensate for the mechanical stresses.
  • the individual layers in the process described in sub advantageously be strattemperaturen below 180 0 C, particularly advantageously applied even below 160 0 C.
  • pulse ratios of pulse duration to pulse interval between 0.01 and 15 can be selected depending on the desired or permissible energy input.
  • the DC plasma can be pulsed unipolar or bipolar.
  • Advantageous voltages of the plasma are between 450 and 650 volts, advantageous frequency range is below 50 kHz, preferably between 20 and 50 kHz.
  • a further advantageous method step lies in a plasma treatment preceding the coating, in particular plasma cleaning of the surface of the substrate.
  • a major focus is on the environmental compatibility of the pretreatment, since many previously used methods must be replaced due to their pollution.
  • the invention relates not only to the described method for producing a coating but also to the coating obtained and to machine parts which have been coated by the method according to the invention, in particular to a valve tappet for a cam-actuated valve of an internal combustion engine and to a roller bearing.
  • Figure 1 is a front view of a friction pair consisting of tappets and camshaft for the operation of a valve of an internal combustion engine;
  • Figure 2 is a perspective view of the tappet of Figure 1;
  • Figure 3 is a perspective view of a hydraulic support element, which is connected via a roller bearing with a cam follower in connection;
  • Figure 4 in cross section a layer sequence on a base body / substrate.
  • Fig. 1 shows a friction pairing with a tappet 5 with a cam contact surface 50 and a cup shirt 51 and a cam 6.
  • the tappet 5 is shown below in more detail in Fig. 2 in a perspective view.
  • the tappet 5 is generally connected for machine parts in internal combustion engines with the shaft 7 of a valve, not shown, which opens or closes the valve by moving the cam surface against the cam contact surface 50 of the tappet 5.
  • valve train components of the automotive industry such as, for example, cup and pump tappets, are subject to high requirements with respect to wear resistance and resource conservation, in particular at the contact surface 50.
  • FIG. 4 illustrates a schematic cross-sectional view of a wear-resistant coating for a machine part 1, for example for a cup tappet 5, according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4 illustrates a schematic cross-sectional view of a wear-resistant coating for a machine part 1, for example for a cup tappet 5, according to a preferred embodiment of the present invention
  • the tappet 5 is provided with a wear-resistant and low-friction coating according to the invention for reducing the coefficient of friction and for increasing the wear resistance in the region of the cam contact surface 50 or, if required, in the region of the cam contact surface 50 and the cup 51.
  • a wear-resistant and low-friction coating according to the invention for reducing the coefficient of friction and for increasing the wear resistance in the region of the cam contact surface 50 or, if required, in the region of the cam contact surface 50 and the cup 51.
  • a wear-resistant and low-friction coating according to the invention for reducing the coefficient of friction and for increasing the wear resistance in the region of the cam contact surface 50 or, if required, in the region of the cam contact surface 50 and the cup 51.
  • in the Trap high deformations of the cup 51 of the tappet 50 in the open side can optionally also be a partial coating of the cup 51 done.
  • the area 2 to be coated i. in the present case the cam contact surface 50 of the tappet 5, can be case hardened or carbonitrided and tempered before coating.
  • This may consist of a carbide, a nitride or boride of a transition metal, preferably of TiN or TiC and be applied in a pulsed DC-PACVD method using a tetrakis (diorganylamino) titanium compound as a precursor.
  • an adhesion-promoting layer 3 can optionally be applied to the underlayer.
  • the adhesion-promoting layer 3 can consist, for example, of a metal-containing carbon or hydrocarbon, for example in each case in conjunction with tungsten, but preferably of a silicon-containing hydrocarbon.
  • the underlayer 13 is intended to increase the fatigue strength of the overall coating, i. it should be plastic deformation, cracking, growth and fractures of the layer system can be prevented. Such fatigue operations can be caused by the load on the cam and the material stress of the bucket tappet 5 induced therefrom as well as by different degrees of hardness, moduli of elasticity, deformability of the individual layers or of the main body and of the wear-resistant coating. In this case, formation of the layer 13 as a subbing layer, either alone or in combination with a suitable primer layer 3, is preferable.
  • a wear-resistant layer 4 is formed over the undercoat and / or the adhesion promoting layer 3 as a top or top layer.
  • the layer 4 is shown there schematically, wherein the size ratios are not reproduced to scale.
  • the functional layer or upper layer 4 which may also be identical to the cover layer, is characterized by a carbon-containing layer, a hydrocarbon-containing layer Layer, a modified or a metal-containing amorphous hydrocarbon layer is formed, in which the carbon is present in sp2 and sp3 hybridized form and the sp3 bonds are advantageously more than 50%.
  • the substrates are therefore advantageously subjected to a solvent-free ultrasound treatment and in addition to a plasma cleaning.
  • the plasma cleaning takes place in the form of a "sputter cleaning" with variation of plasma voltage and gas mixture in the same device as the subsequent coating.
  • the described invention provides a novel coating process which requires only manageable structural changes with respect to the necessary coating device compared with the previously used production means in PVD and (PA) CVD coating.
  • the maximum coating temperature is preferably from 180 0 C, so that the base material is not annealed at a coating operation.
  • the coating is preferably formed with a thickness of about 0.5 ⁇ m to about 10.0 ⁇ m, preferably 2.0 ⁇ m.
  • FIG. 3 illustrates a perspective view of a hydraulic support element 8 which has a piston 9 and a housing 10.
  • the hydraulic support element 8 is coupled to a drag lever 1 1, wherein the drag lever 1 1 is pivotally mounted via a rolling bearing 12.
  • the piston 9 has a frictional contact region 90 the drag lever 1 1 on.
  • the piston 9 has a frictional contact region 91 between the lateral surface of the piston 9 and the housing 10.
  • the contact region 90 is likewise provided with a coating 13, 4 according to the invention, optionally with a bonding agent layer 3.
  • the contact region 91 between the piston 9 and the housing 10 can also be coated with such a coating 13, 4.
  • the overall service life of the illustrated tribological system is increased, whereby a failure of the individual machine parts can be reduced during operation and thus a total cost can be saved.
  • components of the rolling bearing 12 for example, the rolling elements, the inner and outer rings of the rolling bearing 12, the rolling bearing cages, the axial discs or the like can also be provided to increase the wear resistance and to reduce friction with the coating of the invention.
  • the layer system described above is of course also for other construction and functional units, such as valve stems or valve stem supports, support and plug-in elements, rolling bearing components, release bearing, piston pin, bushings, control piston for example injectors in the engine area, linear guides and other mechanical and tribologically highly stressed parts suitable.
  • the following parameters are adapted and controlled during coating:
  • Coating temperature 160-180 ° C. Pressure: 50-300 Pa
  • Plasma parameters Voltage U 450 - 650 V Bipolar pulsed 20 - 5O kHz
  • Duty cycle PD / PP 0.01 - 15
  • Precursor / evaporator temperature Ti (NMe 2 ) 4 : 35-55 0 C Ti (NEt 2 ) 4 : 75-100 0 C CH 4 TMS 35 0 C

Abstract

The invention relates to the application of a tribological layer on a component, wherein the layer contains at least one upper layer (4) with an amorphous carbon or hydrocarbon. According to the invention, in order to simplify the coating method, a lower layer (13) and an upper layer (4), different from said lower layer (13), are consecutively applied by the use of a direct current (DC) plasma-aided CVD method, optionally with modification of the process parameters, and by the use of different precursors.

Description

Verfahren zum Aufbringen einer verschleißfesten Beschichtung Beschreibung Method for applying a wear-resistant coating Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Tribologie und beschäftigt sich mit einem Verfahren zur Beschichtung von Maschinenteilen zur Verringerung der Reibungsverluste und des Verschleisses. Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf viele verschiedenartige Maschinenteile anwendbar, die einem reibenden Verschleiß ausgesetzt sind. Als besonders vorteilhaftes Beispiel wird jedoch die Verwendung bei Teilen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Ventiltriebkomponenten wie beispielsweise Tassenstößeln herangezogen. Eine Anwendung bei industrieller Verwendung wie beispielsweise in Wälzlagern und Linearführungen sowie hydraulischen Stützkomponenten ist jedoch ebenfalls denkbar.The invention is in the field of tribology and deals with a method for coating machine parts to reduce friction losses and wear. The present invention is basically applicable to many different types of machine parts that are subject to abrasive wear. However, a particularly advantageous example is the use in parts of internal combustion engines, in particular in valve train components such as tappets used. However, an application in industrial applications such as in rolling bearings and linear guides and hydraulic support components is also conceivable.
Grundsätzlich werden die Anforderungen an derartige Komponenten durch Steigerung von mechanischen Belastungen, Bewegungsgeschwindigkeiten und Standzeiten immer höher. Dabei wird zunehmend geringere Wartungsintensität vorausgesetzt. Entsprechende Schmierstoffe werden wegen der steigenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit mit immer weniger Additiven verwendet und der Trend geht teilweise zu niederviskosen Schmierstoffen oder sogar zum Betrieb ohne Schmierstoffe.Basically, the demands on such components by increasing mechanical loads, movement speeds and service life are getting higher. Increasingly lower maintenance intensity is assumed. Corresponding lubricants are used because of the increasing demands on the environmental compatibility with fewer and fewer additives and the trend is sometimes to low-viscosity lubricants or even to operate without lubricants.
Die entsprechenden Anforderungen an niedrige Reibungskräfte und Adhäsion sowohl im flüssigkeitsgeschmierten, als auch im trockenen und im Übergangsbereich, an niedrige Adhäsionskräfte, hohen Verschleißwiderstand und gleichzeitig Zähigkeit gegenüber Stoßbelastungen und die Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzen werden durch konventionelle Beschichtungen nicht mehr erfüllt.The requirements for low frictional forces and adhesion in both liquid-lubricated, dry and transitional areas, low adhesion forces, high wear resistance and at the same time toughness and resistance to spalling are no longer met by conventional coatings.
Teilweise können einzelne der Anforderungen durch in bestimmter Weise geartete Beschichtungen erfüllt werden, wie beispielsweise die Härte oder der geringe Reibwi- derstand, jedoch leiden regelmäßig andere Eigenschaften des tribologischen Systems.In some cases, some of the requirements may be met by coatings of a specific nature, such as hardness or low friction. However, other properties of the tribological system regularly suffer.
Besonders deutlich wird dies an dem Beispiel von Ventiltrieben bei Verbrennungs- kraftmaschinen, bei denen das Augenmerk insbesondere auf Nockenstößelvorrichtungen liegt.This is particularly evident in the example of valve trains in internal combustion engines, where the focus is particularly on cam follower devices.
Derartige Nockenstößelvorrichtungen sind beispielsweise in Kraftfahrzeugmotoren mit hin- und hergehenden Kolben eingebaut, welche Lufteinlass- und Luftauslassventile aufweisen, die sich in Phase mit der Drehung der Kurbelwelle oder synchron hierzu öffnen und schließen. Ein Ventilantriebsmechanismus wird zur Übertragung der Bewegung des an der Nockenwelle angebrachten Nockens auf die Ventile verwendet, wenn sich die Nockenwelle zusammen mit der Kurbelwelle des Motors dreht. Dabei gelangt der Nocken der Nockenwelle in Reibkontakt mit einer Lauffläche des zuge- ordneten Tassenstößels.Such cam follower devices are incorporated, for example, in reciprocating piston engine engines having air intake and exhaust valves which open and close in phase with, or in synchronism with, the rotation of the crankshaft. A valve drive mechanism is used to transmit the movement of the camshaft mounted cam to the valves as the camshaft rotates with the crankshaft of the engine. In this case, the cam of the camshaft comes into frictional contact with a running surface of the associated tappet.
Allgemein unterliegen derartige Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise Tassen- und Pumpenstößel steigenden Anforderungen. Die Ursachen für die Notwendigkeit eines erhöhten Verschleißwiderstandes liegen in den immer höher werdenden Belas- tungen und Beanspruchungen des tribologischen Systems, bestehend aus Steuernocken und -Stößel. Die Ursachen hierfür liegen in neuen Motorkonzepten, wie beispielsweise Benzin- und Dieseldirekteinspritzsystemen, mit stetig steigenden Einspritzdrücken, einem zunehmenden Anteil an abrasiven Partikeln im Schmierstoff, mangelnder Ölversorgung der Reibpartner, was einen erhöhten Anteil an Mischrei- bung zur Folge hat, und der zunehmenden Verwendung von tribologisch ungünstigen Stahlnocken zur Kosten- und Massereduzierung. Ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung ist die Reduzierung der Reibungsverluste im Ventiltrieb, mit daraus folgender Kraftstoffeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Ventiltriebes. Um die Reibungsverluste effektiv zu reduzieren, ist es notwendig, das Reibmoment über einen breiten Drehzahlbereich zu senken.In general, such valve train components, such as, for example, cup and pump tappets, are subject to increasing demands. The reasons for the necessity of increased wear resistance lie in the ever-increasing loads and stresses of the tribological system, consisting of control cams and tappets. The reasons for this are new engine concepts, such as gasoline and diesel direct injection systems, with constantly increasing injection pressures, an increasing proportion of abrasive particles in the lubricant, lack of oil supply to the friction partners, which results in an increased proportion of mixed friction, and increasing use of tribologically unfavorable steel cams for cost and mass reduction. An important contribution to the conservation of resources is the reduction of friction losses in the valve train, resulting in fuel savings while increasing the life of the entire valve train. In order to effectively reduce the friction losses, it is necessary to reduce the friction torque over a wide speed range.
Es ist bekannt, derartige Tassenstößel für die Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors als Leichtmetallstößel auszubilden, welcher einen Stößelgrundkörper und eine an der Berührungsfläche für die Steuernocken der Ventilsteuerung eingelegte Stahl- platte mit einer gehärteten Oberfläche aufweist.It is known to form such tappets for the valve control of an internal combustion engine as a light metal tappet, which has a plunger base body and an inserted at the contact surface for the control cam of the valve control steel plate with a hardened surface.
Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass derartige Tassenstößel im Betriebsfall relativ großen Temperaturschwankungen von -300C bei Kaltstart bis zu ca. 1300C während des Betriebes einer Brennkraftmaschine ausgesetzt sind. Problematisch dabei ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verwendeten Werkstoffe. Zwar weist die als Einlage in einen Leichtmetallstößel eingelegte Stahlplatte gute Verschleißeigenschaften auf, jedoch neigt sie bei entsprechen- der thermischer Belastung zum Ablösen. Die thermische Belastbarkeit ist deshalb begrenzt. Ein weiterer anwendungstechnischer Nachteil besteht darin, dass der Bauraum in Form eines relativ breiten Randes als Funktionsfläche bzw. als Nockenkontaktfläche, die von dem Steuernocken einer Ventilsteuerung kontaktiert wird, verloren geht.A disadvantage of this approach, however, has been found to be the fact that such tappets in operation relatively large temperature fluctuations of -30 0 C. are exposed during cold start up to about 130 0 C during operation of an internal combustion engine. The problem here is the different thermal expansion of the materials used. Although the steel plate inserted as an insert into a light metal ram has good wear properties, it tends to detach with corresponding thermal stress. The thermal capacity is therefore limited. Another technical disadvantage is that the space is lost in the form of a relatively wide edge as a functional surface or as a cam contact surface, which is contacted by the control cam of a valve control.
Gemäß dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, Laufflächen von reibendem Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die je nach Anwendungsfall bevorzugt aus galvanisch aufgetragenen Metallen oder aus in einem thermischen Spritzverfahren aufgetragenen Metallen und/oder Metallle- gierungen gegebenenfalls mit Hartstoffzusätzen bestehen.According to the prior art, it is likewise known to provide running surfaces of machine parts exposed to abrasive wear with wear protection layers which, depending on the application, preferably consist of electroplated metals or of metals and / or metal alloys applied optionally with additions of hard material in a thermal spraying process.
Hierbei hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass thermisch aufgespritzte Metallschichten eine relativ schwache Festigkeit besitzen, und es ist daher bekannt, zur Verbesserung der Festigkeit die Metallschichten nach dem Auftrag beispielsweise durch Plasmastrahlen, Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder durch einen Lichtbogen derart umzuschmelzen, dass sich die Spritzwerkstoffe mit dem dabei gleichzeitig im Oberflächenbereich aufgeschmolzenen Grundwerkstoff schmelzflüssig vermischen und legieren. Beim Umschmelzlegieren entstehen jedoch inhomogene Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung, in denen sowohl der Grundwerk- stoff als auch das Schichtmaterial überwiegen kann. Bei zu hohem Grundmaterialanteil ist der Schichtverschleiß dann zu hoch, und bei geringem Grundmaterialanteil besteht bei verschiedenen Schichtkombinationen die Gefahr von Makrorissbildungen, sodass solche Schichten nicht einsetzbar sind. In einem derartigen Fall können Reibungsbelastungen einen unerwünschten Adhäsiv-Verschleiß an den Schichten verur- sachen.Here, however, the fact that thermally sprayed metal layers have a relatively weak strength has been found to be disadvantageous, and it is therefore known to reflow the metal layers after application by, for example, plasma jets, laser beams, electron beams, or arc so as to improve the strength the spray materials mix and alloy with the base material melted simultaneously in the surface area. In remelting, however, inhomogeneous zones of different composition arise in which both the base material and the layer material can predominate. If the base material content is too high, then the layer wear will be too high, and with a low base material content there will be a risk of macrocracking in the case of different layer combinations, so that such layers can not be used. In such a case, frictional stresses can cause undesirable adhesive wear on the layers.
Ferner ist es bekannt, die Lauffläche des Tassenstößels mittels eines thermochemi- schen Prozesses zu carbonitrieren und/oder zu nitrocarburieren. Dabei hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass kein zufriedenstellender Reibungskoeffizient erreicht wird und ein zu geringer Verschleißwiderstand entsteht.Furthermore, it is known to carbonitrate the tread of the tappet by means of a thermochemical process and / or to nitrocarburize. However, it has proved to be disadvantageous that no satisfactory coefficient of friction is achieved and too low a wear resistance arises.
Außerdem ist bekannt, die Lauffläche des Stößels mit einer Manganphosphatschicht oder einem Gleitlack zu beschichten. Auch hierbei werden keine zufriedenstellenden Reibungskoeffizienten und Verschleißwiderstände erreicht. Zudem wird durch derartige Materialien die Umwelt unnötig belastet. Das selbe gilt für galvanische Schichten, die ebenfalls auf den Laufflächen aufgebracht werden können.It is also known to coat the tread of the tappet with a manganese phosphate layer or a bonded coating. Again, no satisfactory Friction coefficient and wear resistance achieved. In addition, such materials pollute the environment unnecessarily. The same applies to galvanic layers, which can also be applied to the treads.
Es sind aus dem Stand der Technik als Beschichtungsmaterialien auch Hartmetalle und Schnellarbeitstahle (ASP 23) bekannt, die jedoch neben einem nicht zufriedenstellenden Reibungskoeffizienten und einem nicht zufriedenstellenden Verschleißwiderstand zusätzlich eine nachteilig hohe Masse aufweisen.Hard metals and high-speed steels (ASP 23) are known from the state of the art as coating materials, but in addition to an unsatisfactory coefficient of friction and unsatisfactory wear resistance, they additionally have a disadvantageously high mass.
Außerdem sind harte, mittels beispielsweise eines PVD- oder eines (PA)CVD- Verfahrens, hergestellte Schichten, wie beispielsweise TiN, CrN, bekannt. Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass diese Schichten einen hohen Verschleiß des Gegenkörpers zur Folge haben, falls diese Schichten nicht nachbearbeitet werden. Im Falle einer Nachbearbeitung ergeben sich undefinier- te Oberflächenzustände aufgrund der reaktiven Oberflächen.In addition, hard, for example by a PVD or a (PA) CVD method, produced layers, such as TiN, CrN, known. A disadvantage of this approach, however, has proved the fact that these layers have a high wear of the counter body result if these layers are not reworked. In the case of post-processing, undefined surface conditions result due to the reactive surfaces.
Wie oben bereits erläutert, ist eine Reibungsreduzierung im Ventiltrieb ein notwendiger Beitrag zur Kraftstoffeinsparung und Ressourcenschonung. Dies erreicht man unter anderem durch eine möglichst geringe Gesamtrauheit des tribologischen Sys- tems bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle.As already explained above, a reduction in friction in the valve train is a necessary contribution to saving fuel and conserving resources. This is achieved, among other things, by the lowest possible overall roughness of the tribological system consisting of bucket tappet and camshaft.
Um die hierfür notwendige geringe Rauheit des Tassenstößels über die gesamte Lebensdauer zu erhalten, ist es notwendig, die Oberfläche so zu gestalten, dass sie einen hohen Verschleißwiderstand, eine geringe adhäsive Neigung zum Gegenkörper und geringe Reaktivität zur Umgebung aufweist. Ferner darf die Oberfläche vorzugsweise keine abrasiven Partikel, wie Droplets, enthalten.In order to obtain the required low roughness of the tappet over the entire life, it is necessary to design the surface so that it has a high wear resistance, a low adhesive tendency to the counter body and low reactivity to the environment. Furthermore, the surface may preferably not contain any abrasive particles such as droplets.
Die Tassenstößel aus Eisenkohlenstofflegierungen, auch im wärmebehandelten Zustand, wie carbonitriert, nitrocarburiert oder nitriert, erreichen nicht die hierfür notwen- digen Verschleißwiderstände und tribologisch günstigen Oberflächenzustände. Behandelt man beispielsweise Nitridschichten, insbesondere durch (Fein)Schleifen, Läppen, Polieren, Strahlen, etc., mechanisch nach, so werden neben der Oberflächenstruktur auch die chemische Zusammensetzung und Reaktivität der Oberfläche verändert. Diese Veränderungen sind zum einen großen Streuungen unterworfen, wo- durch keine gleich bleibende Qualität realisiert werden kann. Zum anderen weisen topographisch affine Oberflächen ungünstigere tribologische Eigenschaften auf und neigen zu Adhäsionen mit dem Gegenkörper. Ferner werden durch Schleif- und Polierprozesse Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Bereichen induziert, welche sich zu den bereits vorhandenen hohen Druckeigenspannungen der Hartstoffschicht addieren.The tappets made of iron-carbon alloys, even in the heat-treated state, such as carbonitrided, nitrocarburised or nitrided, do not achieve the necessary wear resistance and tribologically favorable surface conditions. If, for example, nitride layers are treated mechanically, in particular by (fine) grinding, lapping, polishing, blasting, etc., in addition to the surface structure, the chemical composition and reactivity of the surface are also changed. On the one hand, these changes are subject to wide variations, which means that no consistent quality can be achieved. On the other hand, topographically affine surfaces have less favorable tribological properties and tend to adhere to the counterpart body. Furthermore, residual stresses in the near-surface areas are induced by grinding and polishing processes, which add up to the already existing high compressive stresses of the hard material layer.
Zusätzlich führen die induzierten Versetzungen und die herausgerissenen Droplets zu Fehlstellen und Mikrorissen, sodass die lokale Dauerfestigkeit der Schicht bei Tassenstößeln reduziert und die Haftfestigkeit bis hin zum möglichen Abplatzen beim Nachbearbeiten der Schicht herabgesetzt wird.In addition, the induced dislocations and the ruptured droplets result in voids and microcracks, thus reducing the local fatigue strength of the layer in cup tappets and decreasing the adhesive strength to potential spalling during post-processing of the layer.
Verzichtet man jedoch beispielsweise bei den mit einem Lichtbogenverfahren abge- schiedenen Schichten auf ein nachträgliches Polieren, führen die harten Droplets zu abrasivem Verschleiß des Gegenkörpers oder zumindest zu einem regellosen Polieren des Gegenkörpers, wodurch sich nicht abzusehende nachteilige Folgen ergeben. Darüber hinaus brechen die Droplets während des Betriebes aus der Schicht heraus, was zu einer Schichtschädigung und zu freien, abrasiv wirkenden Partikeln führt.However, if, for example, the layers deposited with an arc process are omitted for subsequent polishing, the hard droplets lead to abrasive wear of the counter-body or at least to random polishing of the counter-body, which results in unfavorable consequences. In addition, the droplets break during operation from the layer, resulting in a layer damage and free, abrasive particles.
Es ist aus der DE 102004043550 A1 eine Konstellation bekannt, bei der die verschleißfeste Beschichtung aus mindestens einer nanokristallinen Funktionsschicht aus mindestens zwei CrNx-Phasen für eine Reibungsreduzierung und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils be- steht. Auch diese Beschichtung erfüllt jedoch nicht alle tribologischen Anforderungen in idealer Weise.DE 102004043550 A1 discloses a constellation in which the wear-resistant coating consists of at least one nanocrystalline functional layer comprising at least two CrN x phases for reducing friction and for increasing the wear resistance of the predetermined surface of the machine part. However, this coating does not meet all tribological requirements in an ideal way.
Aus der DE 102005 029 360 A1 ist ein Verfahren zur Plasmabehandlung, insbesondere auch zur Plasmabeschichtung eines Bauteils unter annähernd Atmosphären- druck bekannt, bei dem mittels geeigneter Precursoren unter Anwendung einer hohen Spannung von einigen KV eine CVD- Beschichtung aufgebracht werden kann.DE 102005 029 360 A1 discloses a method for plasma treatment, in particular also for plasma coating of a component under approximately atmospheric pressure, in which a CVD coating can be applied by means of suitable precursors using a high voltage of a few KV.
Aus der DE 10 2004 057 155 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen von chemisch funktionalisierten Oberflächen auf Funktionselemente bekannt, wobei besonders auf die Plasma-unterstützte Beschichtung mit Precursoren wie Acrylsäure, Allylamin, Di- aminocyclohexan und die entstehenden Funktionalisierungen der Oberfläche eingegangen wird. Weiter bezieht sich die Schrift auf die Plasma-Polymerisation.A method for applying chemically functionalized surfaces to functional elements is known from DE 10 2004 057 155 A1, whereby the plasma-assisted coating with precursors, such as acrylic acid, allylamine, diamino cyclohexane, and the resulting functionalizations of the surface are discussed in particular. Further, the document relates to the plasma polymerization.
Die DE 10 2005 034 764 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Plasma- Polymerisati- on zur Herstellung von Fluor- Kohlenstoff- Polymerschichten. Es wird dort ein Niederdruck- Hochfrequenz- Plasma bei Drucken zwischen 0,03 mbar und 1 mbar bei Frequenzen im MHz- Bereich angewendet. Aus der DE 10 2004 029 526 ist eine Vorrichtung zur Plasma- unterstützten Kohlen- stoffabscheidung bekannt, wobei durch eine entsprechend optimierte Gestaltung von Zündeinrichtungen für das Plasma eine räumlich verteilte Anordnung von Fußpunkten für einen Lichtbogen angestrebt wird.DE 10 2005 034 764 A1 relates to a process for plasma polymerization for the production of fluorocarbon polymer layers. There is a low-pressure high-frequency plasma at pressures between 0.03 mbar and 1 mbar applied at frequencies in the MHz range. A device for plasma-assisted carbon deposition is known from DE 10 2004 029 526, whereby a spatially distributed arrangement of base points for an arc is sought by a correspondingly optimized design of ignition devices for the plasma.
Aus dem US-Patent 5,237,967 sind kohlenstoffbasierte PVD- und (PA)CVD-Schichten mit 20 bis 60 Atom-% Wasserstoff in der Deckschicht bekannt, sogenannte metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten (Me-C:H) und amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H).US Pat. No. 5,237,967 discloses carbon-based PVD and (PA) CVD layers with 20 to 60 atom% of hydrogen in the top layer, so-called metal-containing hydrocarbon layers (Me-C: H) and amorphous hydrocarbon layers (a-C: H).
Aus der WO 03/064874 ist für Kugellager grundsätzlich eine Beschichtung aus einem Kohlenstoff in diamantartiger Struktur bekannt um die Reibungseigenschaften insgesamt und besonders die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern. Aus der EP 454616 ist ein Wälzlager bekannt, das teilweise mit einem chemisch ab- geschiedenen Diamantwerkstoff beschichtet ist um die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern, die Belastbarkeit und die Lebensdauer zu vergrößern. 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 WO 03/064874, a coating of a carbon in a diamond-like structure is known for ball bearings in principle in order to improve the overall friction properties and in particular the dry-running properties. EP 454616 discloses a rolling 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. 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).
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung zu schaffen, das die oben genannten Nachteile beseitigt, insbesondere einfach und kostengünstig anwendbar ist und zu beschichteten Bauteilen führt, die eine geringe Reibung mit einer hohen Standzeit des jeweiligen Bauteils und auch des Gegenkörpers verbinden. Dabei soll der Beschichtungsvor- gang bei möglichst niedrigen Temperaturen ermöglicht sein.Thus, the present invention has for its object to provide a method for applying a coating that eliminates the above-mentioned disadvantages, in particular simple and inexpensive to apply and leads to coated components that low friction with a long service life of the respective component and also connect the opposite body. The coating process should be possible at the lowest possible temperatures.
Die Lösung der Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The object is achieved according to the invention with the features of claim 1.
Grundlegend ist dabei der Gedanke, ein Gleichstrom (DC)-Plasma- gestütztes CVD- Beschichtungsverfahren anzuwenden, und zwar sowohl für eine aufzubringende Unterschicht, die typischerweise ein Carbid, ein Borid oder ein Nitrid eines Übergangs- metalles enthält, als auch für eine darüber angeordnete Oberschicht, die amorphen Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe enthält.The basic idea is to use a direct current (DC) plasma-assisted CVD coating process, both for an undercoat layer to be applied, which typically contains a carbide, a boride or a nitride of a transition metal, as well as for a layer above it Upper layer containing amorphous carbon and / or hydrocarbons.
Zur Erläuterung der Vorteile dieses Verfahrens sei grundsätzlich kurz auf die bereits bekannten Beschichtungsverfahren im Überblick eingegangen: Es werden derzeit hauptsächlich zwei Dünnschichtverfahren zur Abscheidung funktioneller Schichten in industriellem Maßstab verwendet: CVD (Chemical Vapour Deposition) und PVD (Physical Vapour Deposition). Die konventionellen thermischen CVD- Verfahren erlauben eine dreidimensionale, gleichmäßige Beschichtung von Substraten mit komplexen Geometrien unter Erreichen einer hervorragenden Schichthaftfestigkeit. Jedoch sind die erforderlichen Substrattemperaturen von 900 - 1200 0C für viele Anwendungsgebiete zu hoch. PVD-Verfahren ermöglichen dagegen Beschichtungen bei Temperaturen unter 400 0C. Dadurch werden thermische Spannungen und Wärmeverzug deutlich reduziert und Wärmenachbehandlungen erübrigen sich häufig. Ein großer Nachteil ist allerdings die Schwierigkeit der Beschichtung von Substraten mit komplexen Geometrien. Beispielsweise die in der Automobiltechnik vielfach vorliegenden Bauteile lassen sich häufig gar nicht oder nur mit großem anlagentechnischem Aufwand beschichten. Wei- terhin benötigen PVD-Verfahren wesentlich aufwendigere Vakuumsysteme.In order to explain the advantages of this process, in brief, the already known coating processes are briefly described: There are currently two main thin-film methods used to deposit functional layers on an industrial scale: CVD (Chemical Vapor Deposition) and PVD (Physical Vapor Deposition). The conventional thermal CVD methods allow three-dimensional, uniform coating of substrates with complex geometries while achieving excellent layer adhesion. However, the required substrate temperatures of 900 - 1200 0 C are too high for many applications. On the other hand PVD processes enable coatings at temperatures below 400 0 C. As a result, thermal stresses and thermal distortion are significantly reduced and heat-treatments are unnecessary frequently. A major disadvantage, however, is the difficulty of coating substrates with complex geometries. For example, the components often present in automotive technology can often not be coated at all or can only be coated with a great deal of technical equipment. Furthermore, PVD processes require considerably more expensive vacuum systems.
Das plasmagestützte CVD-Verfahren (Plasma Assisted CVD - PACVD) entstand aus dem Wunsch die Vorteile beider Verfahren miteinander zu verbinden. Mit diesem können Substrate mit komplexen Geometrien dreidimensional bei Temperaturen von 400 - 500 0C mit geringem vakuumtechnischem Aufwand bei Drucken im mbar- Bereich beschichtet werden.The Plasma Assisted CVD (PACVD) process developed out of a desire to combine the advantages of both processes. This substrates with complex geometries in three dimensions at temperatures of 400 - 500 0 C are coated with a low technical expenditure vacuum at pressures in the range mbar-.
Die bekannten plasmagestützten CVD-Verfahren nutzen zur Aktivierung der chemischen Reaktionen nicht mehr rein thermische Energie, sondern aktivieren den Pro- zess durch ein Plasma im Reaktor. Diese gezielte Energieeinbringung wird beispielsweise realisiert durch:The known plasma-assisted CVD processes no longer use purely thermal energy to activate the chemical reactions, but instead activate the process by means of a plasma in the reactor. This targeted energy input is realized, for example, by:
DC-Plasmen, gepulst oder ungepulst, jeweils unipolar oder bipolar, HF-Plasmen, nieder- mittel- oder hochfrequent, Mikrowellenplasmen, direkt oder indirekt auf die Oberfläche einwirkend, sowie Laser- induzierte Plasmen oder UV-Anregung.Pulsed or unpulsed DC plasmas, either unipolar or bipolar, RF plasmas, low- or high-frequency, microwave plasmas acting directly or indirectly on the surface, as well as laser-induced plasmas or UV excitation.
Bei der Verwendung eines Plasmas hat dieses zum einen eine katalytische Wirkung, zum anderen die Aufgabe der Energieentkopplung. Das bedeutet, dass Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen ablaufen können oder überhaupt erst möglich werden. Diese Technik erlaubt es, die Substrattemperatur auf unter 500 0C abzusenken. Die unterschiedlichen Arten der Plasmarealisierung führen zu unterschiedlichen Plasmen. So handelt es sich beim HF-Plasma um eine Raumentladung, während beim DC- Plasma der Glimmsaum konturnah am kathodischen Substrat anliegt und so Vorteile zur Beschichtung komplexer Geometrien birgt. Ein zu beschichtendes Bauteil braucht bei Verwendung eines DC- Plasmas deshalb nicht notwendigerweise bewegt, insbesondere gedreht zu werden, um eine gleichmäßige Oberflächenbeschichtung zu erreichen.When using a plasma, this has on the one hand a catalytic effect, on the other hand, the task of energy decoupling. This means that reactions can occur at lower temperatures or even become possible. This technique makes it possible to lower the substrate temperature below 500 ° C. The different types of plasma realization lead to different plasmas. Thus, the RF plasma is a space charge, whereas in the DC plasma the glowing edge lies close to the contour of the cathodic substrate and thus has advantages for coating complex geometries. Therefore, when a DC plasma is used, a component to be coated does not necessarily need to be moved, in particular rotated, in order to achieve a uniform surface coating.
Da unter Verwendung von geeigneten Precursoren und bei entsprechender Einstellung von Prozeßparametern, wie beispielsweise Druck, Substrattemperatur, Plasmaspannung, Pulsung und Frequenz des Plasmas die Art, Zusammensetzung und Struktur der aufgebrachten Schichten bestimmt werden kann, eignet sich das Verfah- ren zum Aufbringen verschiedener aufeinander folgender Schichten mit demselben Verfahren, in derselben Beschichtungskammer und mit derselben Vorrichtung.Since the type, composition and structure of the applied layers can be determined using suitable precursors and with appropriate adjustment of process parameters, such as pressure, substrate temperature, plasma voltage, pulsation and frequency of the plasma, the method is suitable for applying various successive layers Layers with the same process, in the same coating chamber and with the same device.
Grundsätzlich können daher verschiedene Schichten wie die erfindungsgemäße Unterschicht und die Oberschicht auch mit denselben Precursoren hergestellt werden.In principle, therefore, different layers such as the underlayer according to the invention and the upper layer can also be produced with the same precursors.
Die in CVD-Verfahren üblicherweise eingesetzten halogenhaltigen Precursoren, also Ausgangsstoffe, die in das Plasma eingeleitet werden und die Grundlage für die in die Beschichtung eingebrachten Stoffe bilden, generieren während des Prozesses Halogene bzw. Halogenverbindungen, die in Abhängigkeit von den Versuchsparametern mehr oder weniger in die Schichten eingebaut werden. Diese Halogeninkorporationen können unerwünschte Effekte hervorrufen. Bei der Abscheidung von TiN-Schichten mittels TiCI4 als Metallspender beispielsweise führt eine niedrige Prozesstemperatur zur zunehmenden Chlorinkorporation und zu einem höheren Verschleiß der Beschich- tungen. Die Verwendung von Stählen mit niedrigen Anlaßtemperaturen und Leichtmetallen im Automobilmotorenbau erfordert aufgrund der geringen Verschleißbeständigkeit und hohen Reibung der eingesetzten Materialien eine maßgeschneiderte Beschichtung der Bauteiloberflächen bei möglichst niedrigen Temperaturen, besonders vorteilhaft unter 180 0C. Als Unterschichten sollen dabei Carbide, Nitride oder Boride der Über- gangsmetalle dienen, beispielsweise harte Ti(C, N)-Schichten. Diese lassen sich aus metallorganischen Precusoren bei Temperaturen von teilweise unter 160 0C darstellen.The halogen-containing precursors conventionally used in CVD processes, ie starting materials which are introduced into the plasma and form the basis for the substances introduced into the coating, generate halogens or halogen compounds during the process, which more or less depend on the experimental parameters the layers are incorporated. These halogen corporations can cause undesirable effects. In the deposition of TiN layers by means of TiCl 4 as a metal dispenser, for example, a low process temperature leads to increasing chlorine incorporation and higher wear of the coatings. The use of steels with low tempering temperatures and light metals in automotive engine construction requires due to the low wear resistance and high friction of the materials used a tailor-made coating of the component surfaces at the lowest possible temperatures, particularly advantageous below 180 0 C. As sub-layers while carbides, nitrides or borides of About - serve transition metals, such as hard Ti (C, N) layers. These can be prepared from organometallic precursors at temperatures below 160 0 C partially.
Metallorganische Verbindungen lassen sich besonders vorteilhaft aufgrund der gerin- geren Bindungsenergie der Metall-Kohlenstoff- bzw. Metall-Heteroatom-Kohlenstoff- Bindung schon bei niedrigen Temperaturen als Precursor im PACVD-Prozess einsetzen. Diese Moleküle weisen eine hohe Reaktivität auf, so dass niedrige Substrattemperaturen für die Ausbildung einer CVD- Schicht ausreichen. Als Precursor sollen gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Tetrakis(diorganylamino)titan- Verbindungen (z.B. (Ti(NR2)4; R = Me, Et, CH3, CH2CH3)) oder auch Titan(IV)- Isopro- pylat dienen.Organometallic compounds can be used particularly advantageously because of the lower binding energy of the metal-carbon or metal-heteroatom-carbon bond at low temperatures as a precursor in the PACVD process. These molecules have a high reactivity, so that low substrate temperatures are sufficient for the formation of a CVD layer. As precursor should According to an advantageous embodiment of the invention tetrakis (diorganylamino) titanium compounds (eg (Ti (NR 2 ) 4 , R = Me, Et, CH 3 , CH 2 CH 3 )) or titanium (IV) - serve isopropyl.
Auch die Kohlenstoff- beziehungsweise Kohlenwasserstoffschichten können aus diesen oder ähnlichen Precursoren (zB. Methan)abgeschieden werden. Es sei dazu bemerkt, dass auch die Beschichtung eines Substrats ausschließlich mit einer Kohlenstoff- beziehungsweise Kohlenwasserstoffschicht im gepulsten DC- Plasma- Verfahren mit einem metallorganischen Precursor denkbar ist. Amorphe Kohlenwasserstoff-Schichten zeichnen sich durch einen niedrigen Reibwert insbesondere gegen Stahl, eine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, sowie eine hohe chemische Inertheit aus. Typische Einsatzgebiete sind tribologische Systeme im Maschinenbau, wie Gleitlager, Wälzlager, Wellen, Achsen, Zahnräder, Führungen und Umformwerkzeuge.The carbon or hydrocarbon layers can also be deposited from these or similar precursors (eg methane). It should be noted that the coating of a substrate exclusively with a carbon or hydrocarbon layer in the pulsed DC plasma method with an organometallic precursor is conceivable. Amorphous hydrocarbon layers are characterized by a low coefficient of friction, in particular against steel, high hardness and wear resistance, and a high chemical inertness. Typical fields of application are tribological systems in mechanical engineering, such as plain bearings, rolling bearings, shafts, axles, gears, guides and forming tools.
Kohlenwasserstoffschichten lassen sich nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden in reine amorphe Kohlenwasserstoffschichten (DLC, a-C:H), modifizierte amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H:X), und metallhaltige amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H:Me). In dieser Gruppe haben die DLC-Schichten die höchsten Härten (> 20 GPa), die beste Verschleißbeständigkeit und die höchste chemische Inertheit.Hydrocarbon layers can be differentiated by their chemical composition into pure amorphous hydrocarbon layers (DLC, a-C: H), modified amorphous hydrocarbon layers (a-C: H: X), and metal-containing amorphous hydrocarbon layers (a-C: H: Me). In this group, the DLC layers have the highest hardnesses (> 20 GPa), the best wear resistance and the highest chemical inertness.
Die amorphen bzw. metallhaltigen amorphen Kohlenwasserstoffschichten (DLC, Me- C:H) werden in der Regel gemäß dem Stand der Technik im HF-PACVD- bzw. PVD- Verfahren dargestellt. Gemäß der Erfindung sollen die jeweiligen Schichten allerdings im DC- PACV D-Verfahren, insbesondere uni- oder bipolar gepulst, hergestellt werden. Der Vorteil liegt in der kontinuierlichen Prozessführung der Beschichtung, da die Abscheidung kostengünstig in der gleichen Anlage durchgeführt werden kann, wie die Deposition der Unterschichten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Anpassungs- glieds für H F- P AC V D-Verfahren. Der Beschichtungsprozeß kann so mit reduziertem Aufwand in sehr viel kürzerer Zeit als bisher durchgeführt werden. Werden zur Herstellung der Kohlenstoffschichten Tetrakis (diorganylamino)titan- Verbindungen als Precursor eingesetzt, bilden sich zwar C-C- bzw. C-H- Oberschichten auf den Ti(C; N)-Schichten aus, jedoch können reibungsärmere, härte- re DLC bzw. a-C:H:Me Oberschichten bei Temperaturen < 180 0C mittels CH4 oder Tetramethylsilan als Precursoren abgeschieden werden. Daher kann die Oberschicht oder , falls die Oberschicht nicht die oberste Schicht darstellt, eine oberhalb der Oberschicht angeordnete Deckschicht unter Verwendung von CH4 oder Tetramethylsilan als Precursoren aufgebracht werden.The amorphous or metal-containing amorphous hydrocarbon layers (DLC, Me-C: H) are generally prepared according to the prior art in the HF-PACVD or PVD process. According to the invention, however, the respective layers are to be produced in the DC-PACV D method, in particular unipolar or bipolar pulsed. The advantage lies in the continuous process control of the coating, since the deposition can be carried out inexpensively in the same plant as the deposition of the sublayers. This eliminates the need for an adapter for H F-P AC V D processes. The coating process can be carried out with reduced effort in a much shorter time than before. If tetrakis (diorganylamino) titanium compounds are used as precursors for the preparation of the carbon layers, although CC or CH top layers are formed on the Ti (C; N) layers, low-friction, harder DLC or aC: H: Me upper layers are deposited at temperatures <180 0 C by means of CH 4 or tetramethylsilane as precursors. Therefore, the topsheet or, if the topsheet is not the topsheet, a topsheet disposed above the topsheet can be applied using CH 4 or tetramethylsilane as precursors.
Zusätzlich kann unter der Deckschicht, ebenfalls unter Verwendung des DC- Plasmagestützten CVD- Verfahrens eine Siliziumhaltige Kohlenwasserschoffschicht als Haftvermittler zum Ausgleich der mechanischen Spannungen aufgebracht werden.In addition, under the cover layer, also using the DC plasma-assisted CVD method, a silicon-containing hydrocarbon layer can be applied as a bonding agent to compensate for the mechanical stresses.
Vorteilhaft werden die einzelnen Schichten in dem beschriebenen Verfahren bei Sub- strattemperaturen unterhalb von 1800C, besonders vorteilhaft sogar unterhalb von 1600C aufgebracht.The individual layers in the process described in sub advantageously be strattemperaturen below 180 0 C, particularly advantageously applied even below 160 0 C.
Unterstützt wird dies durch den gepulsten Betrieb des DC- Plasmas. Dabei können Pulsverhältnisse von Pulsdauer zu Pulspause zwischen 0,01 und 15 je nach dem gewünschten oder zulässigen Energieeintrag gewählt werden. Das DC- Plasma kann dabei unipolar oder bipolar gepulst sein.This is supported by the pulsed operation of the DC plasma. In this case, pulse ratios of pulse duration to pulse interval between 0.01 and 15 can be selected depending on the desired or permissible energy input. The DC plasma can be pulsed unipolar or bipolar.
Vorteilhafte Spannungen des Plasmas liegen dabei zwischen 450 und 650 Volt, vorteilhafte Frequenzbereich liegt unter 50KHz, bevorzugt zwischen 20 und 50 KHz.Advantageous voltages of the plasma are between 450 and 650 volts, advantageous frequency range is below 50 kHz, preferably between 20 and 50 kHz.
Ein weiterer vorteilhafter Verfahrensschritt liegt in einer der Beschichtung vorangehenden Plasmabehandlung, insbesondere Plasmareinigung der Oberfläche des Substrats. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Umweltverträglichkeit der Vorbehandlung, da viele bisher angewandte Verfahren aufgrund ihrer Schadstoffbelastung ersetzt werden müssen.A further advantageous method step lies in a plasma treatment preceding the coating, in particular plasma cleaning of the surface of the substrate. A major focus is on the environmental compatibility of the pretreatment, since many previously used methods must be replaced due to their pollution.
Die Erfindung bezieht sich außer auf das beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auch auf die erhaltene Beschichtung und auf Maschinenteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet worden sind, besonders auf einen Ventilstößel für ein durch Nocken betätigbares Ventil eines Verbrennungsmotors und auf ein Wälzlager.The invention relates not only to the described method for producing a coating but also to the coating obtained and to machine parts which have been coated by the method according to the invention, in particular to a valve tappet for a cam-actuated valve of an internal combustion engine and to a roller bearing.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf den genannten Ventilstößel sowie auf ein hydraulisches Abstützelement in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.In the following the invention with reference to an exemplary embodiment with respect to said valve stem and a hydraulic support member is shown in a drawing and described below.
Dabei zeigen: Figur 1 eine Vorderansicht einer Reibpaarung, bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle für den Betrieb eines Ventils einer Brennkraftmaschine;Showing: Figure 1 is a front view of a friction pair consisting of tappets and camshaft for the operation of a valve of an internal combustion engine;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Tassenstößels aus Figur 1 ;Figure 2 is a perspective view of the tappet of Figure 1;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes, welches über ein Wälzlager mit einem Schlepphebel in Verbindung steht; undFigure 3 is a perspective view of a hydraulic support element, which is connected via a roller bearing with a cam follower in connection; and
Figur 4 im Querschnitt eine Schichtenfolge auf einem Grundkörper/Substrat.Figure 4 in cross section a layer sequence on a base body / substrate.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures of the drawing, like reference characters designate like or functionally identical components, unless otherwise indicated.
Fig. 1 zeigt eine Reibpaarung mit einem Tassenstößel 5 mit einer Nockenkontaktfläche 50 und einem Tassenhemd 51 sowie einer Nocke 6. Der Tassenstößel 5 ist nachfolgend in Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht detaillierter dargestellt. Der Tassenstößel 5 ist im allgemeinen für Maschinenteile in Brennkraftmaschinen mit dem Schaft 7 eines nicht näher dargestellten Ventils verbunden, welches durch Verschieben der Nockenfläche gegen die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5 das Ventil öffnet oder schließt.Fig. 1 shows a friction pairing with a tappet 5 with a cam contact surface 50 and a cup shirt 51 and a cam 6. The tappet 5 is shown below in more detail in Fig. 2 in a perspective view. The tappet 5 is generally connected for machine parts in internal combustion engines with the shaft 7 of a valve, not shown, which opens or closes the valve by moving the cam surface against the cam contact surface 50 of the tappet 5.
Bekanntermaßen unterliegen Ventiltriebkomponenten der Automobiltechnik, wie bei- spielsweise Tassen- und Pumpenstößel, hohen Anforderungen bezüglich des Verschleißwiderstandes und der Ressourcenschonung, insbesondere an der Kontaktfläche 50.As is known, valve train components of the automotive industry, such as, for example, cup and pump tappets, are subject to high requirements with respect to wear resistance and resource conservation, in particular at the contact surface 50.
In Verbindung mit Fig. 4, welche eine schematische Querschnittsansicht einer ver- schleißfesten Beschichtung für ein Maschinenteil 1 , beispielsweise für einen Tassenstößel 5, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert, wird eine Realisierung der vorliegenden Erfindung im folgenden näher erläutert.In conjunction with FIG. 4, which illustrates a schematic cross-sectional view of a wear-resistant coating for a machine part 1, for example for a cup tappet 5, according to a preferred embodiment of the present invention, an implementation of the present invention is explained in more detail below.
Der Tassenstößel 5 wird für eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes im Bereich der Nockenkontaktfläche 50 oder bei Bedarf im Bereich der Nockenkontaktfläche 50 und des Tassenhemdes 51 mit einer erfindungsgemäßen verschleißfesten und reibarmen Beschichtung versehen. Im Falle hoher Verformungen des Tassenhemdes 51 des Tassenstößels 50 im Bereich der offenen Seite, kann wahlweise auch eine Teilbeschichtung des Tassenhemdes 51 erfolgen.The tappet 5 is provided with a wear-resistant and low-friction coating according to the invention for reducing the coefficient of friction and for increasing the wear resistance in the region of the cam contact surface 50 or, if required, in the region of the cam contact surface 50 and the cup 51. in the Trap high deformations of the cup 51 of the tappet 50 in the open side, can optionally also be a partial coating of the cup 51 done.
Die zu beschichtende Fläche 2, d.h. vorliegend die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5, kann vor dem Beschichten einsatzgehärtet oder carbonitriert und angelassen werden.The area 2 to be coated, i. in the present case the cam contact surface 50 of the tappet 5, can be case hardened or carbonitrided and tempered before coating.
Der Grundkörper 1 , im vorliegenden Fall der Tassenstößel 5, welcher vorteilhaft aus einem kostengünstigen Stahlwerkstoff, wie beispielsweise 16MnCr5, C45, 100O6, 31 CrMoV9, 80Cr2 oder dergleichen, besteht, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst mit einer Unterschicht 13 beschichtet. Diese kann aus einem Carbid, einem Nitrid oder Borid eines Übergangsmetalles, vorzugsweise aus TiN oder TiC bestehen und im gepulsten DC- PACVD- Verfahren unter Verwendung einer Tetrakis (diorganylamino)titan-Verbindung als Precursor aufgebracht sein. Danach kann optional auf der Unterschicht eine Haftvermittlungsschicht 3 aufgebracht werden. Die Haftvermittlungsschicht 3 kann beispielsweise aus einem metallhaltigen Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff, beispielsweise jeweils in Verbindung mit Wolfram, vorzugsweise aber aus einem Siliziumhaitigen Kohlenwasserstoff bestehen.The main body 1, in the present case, the tappet 5, which advantageously consists of a cost-effective steel material, such as 16MnCr5, C45, 100O6, 31 CrMoV9, 80Cr2 or the like, is first coated with an underlayer 13 according to the present embodiment. This may consist of a carbide, a nitride or boride of a transition metal, preferably of TiN or TiC and be applied in a pulsed DC-PACVD method using a tetrakis (diorganylamino) titanium compound as a precursor. Thereafter, an adhesion-promoting layer 3 can optionally be applied to the underlayer. The adhesion-promoting layer 3 can consist, for example, of a metal-containing carbon or hydrocarbon, for example in each case in conjunction with tungsten, but preferably of a silicon-containing hydrocarbon.
Durch die Unterschicht 13 soll die Ermüdungsfestigkeit der Gesamtbeschichtung erhöht, d.h. es sollen plastische Verformungen, Rissbildungen, -Wachstum und Brüche des Schichtsystems verhindert werden. Derartige Ermüdungsvorgänge können durch die Belastung des Nockens und der daraus induzierten Materialbeanspruchung des Tassenstößels 5 sowie durch unterschiedliche Härtegrade, Elastizitätsmodule, Verformbarkeiten der einzelnen Schichten bzw. des Grundkörpers und der verschleißfesten Beschichtung entstehen. In diesem Fall ist eine Ausbildung der Schicht 13 als Unterschicht entweder alleine oder in Kombination mit einer geeigneten Haftvermittlungsschicht 3 vorzuziehen.The underlayer 13 is intended to increase the fatigue strength of the overall coating, i. it should be plastic deformation, cracking, growth and fractures of the layer system can be prevented. Such fatigue operations can be caused by the load on the cam and the material stress of the bucket tappet 5 induced therefrom as well as by different degrees of hardness, moduli of elasticity, deformability of the individual layers or of the main body and of the wear-resistant coating. In this case, formation of the layer 13 as a subbing layer, either alone or in combination with a suitable primer layer 3, is preferable.
Wie in Fig. 4 dargestellt, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über der Unter- und/oder der Haftvermittlungsschicht 3 eine verschleißfeste Schicht 4 als Oberoder Deckschicht gebildet.As shown in FIG. 4, according to the present embodiment, a wear-resistant layer 4 is formed over the undercoat and / or the adhesion promoting layer 3 as a top or top layer.
Die Schicht 4 ist dort schematisch gezeigt, wobei die Größenverhältnisse nicht maßstäblich wiedergegeben sind.The layer 4 is shown there schematically, wherein the size ratios are not reproduced to scale.
Die Funktionsschicht bzw Oberschicht 4, die auch mit der Deckschicht identisch sein kann, ist durch eine Kohlenstoffhaltige Schicht, eine Kohlenwasserstoffhaltige Schicht, eine modifizierte oder eine metallhaltige amorphe Kohlenwasserstoffschicht gebildet, in der der Kohlenstoff in sp2- und sp3- hybridisierter Form vorliegt und die sp3- Bindungen vorteilhaft mehr als 50% betragen.The functional layer or upper layer 4, which may also be identical to the cover layer, is characterized by a carbon-containing layer, a hydrocarbon-containing layer Layer, a modified or a metal-containing amorphous hydrocarbon layer is formed, in which the carbon is present in sp2 and sp3 hybridized form and the sp3 bonds are advantageously more than 50%.
Sollten die direkt aus den metallorganischen Precursoren TMT und TET (Ti(NR2^ ,R = Me; Et) erhaltenen kohlenstoffhaltigen C-C- und C-N-Oberschichten aufgrund ihrer Eigenschaften für den jeweiligen Zweck ungeeignet sein, so ist alternativ oder zusätzlich eine nachträgliche Abscheidung von DLC bzw. a-C:H:Me Oberschichten bei Temperaturen < 180 0C aus Kohlenwasserstoffen oder Silanen im Multilayer-Verfahren vorgesehen, die bei zu hohen Eigenspannungen durch eine ebenso abgeschiedene a-C:H:Si-Haftvermittlerschicht 3 unterstützt werden können.If the carbon-containing CC and CN top layers obtained directly from the organometallic precursors TMT and TET (Ti (NR 2 →, R = Me; Et) are unsuitable for the respective purpose due to their properties, then an alternative subsequent deposition of DLC or aC: H: Me upper layers at temperatures <180 ° C. from hydrocarbons or silanes provided in the multilayer method, which can be supported by too high residual stresses by a likewise deposited aC: H: Si adhesion promoter layer 3.
Der umweltverträglichen Vorbehandlung wird heute zunehmend Beachtung geschenkt, da viele bisherige Verfahren aufgrund ihrer hohen Umweltbelastung ersetzt werden müssen. Vor dem Beschichtungsprozeß werden die Substrate deshalb vor- teilhafteiner lösungsmittelfreien Ultraschallbehandlung und zusätzlich einer Plasmareinigung unterzogen. Die Plasmareinigung erfolgt in Form eines "sputter cleaning" mit Variation von Plasmaspannung und Gasgemisch in derselben Vorrichtung wie die nachfolgende Beschichtung.The environmentally friendly pre-treatment is being given increasing attention today, as many previous processes have to be replaced due to their high environmental impact. Before the coating process, the substrates are therefore advantageously subjected to a solvent-free ultrasound treatment and in addition to a plasma cleaning. The plasma cleaning takes place in the form of a "sputter cleaning" with variation of plasma voltage and gas mixture in the same device as the subsequent coating.
Die beschriebene Erfindung schafft ein neuartiges Beschichtungsverfahren, das bezüglich der notwendigen Beschichtungsvorrichtung gegenüber den bisher verwendeten Produktionsmitteln beim PVD- und (PA)CVD -Beschichten nur überschaubare konstruktive Veränderungen erfordert.The described invention provides a novel coating process which requires only manageable structural changes with respect to the necessary coating device compared with the previously used production means in PVD and (PA) CVD coating.
Die maximale Beschichtungstemperatur beträgt vorzugsweise 1800C, sodass bei einem Beschichtungsvorgang das Grundmaterial nicht angelassen wird.The maximum coating temperature is preferably from 180 0 C, so that the base material is not annealed at a coating operation.
Die Beschichtung wird vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,5 μm bis etwa 10,0 μm, vorzugsweise 2,0 μm, ausgebildet. Dadurch ändern sich die Abmessungen und Oberflächenrauheiten des Grundkörpers in einem derart geringen Maße, dass keine Nachbearbeitung notwendig ist.The coating is preferably formed with a thickness of about 0.5 μm to about 10.0 μm, preferably 2.0 μm. As a result, the dimensions and surface roughness of the base body change to such a small extent that no reworking is necessary.
Im Folgenden wird eine weitere vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung näher erläutert. Fig. 3 illustriert eine perspektivische Ansicht eines hyd- raulischen Abstützelementes 8, welches einen Kolben 9 und ein Gehäuse 10 aufweist. Das hydraulische Abstützelement 8 ist mit einem Schlepphebel 1 1 gekoppelt, wobei der Schlepphebel 1 1 über ein Wälzlager 12 schwenkbar gelagert ist. Wie in Fig. 3 ferner ersichtlich ist, weist der Kolben 9 einen reibenden Kontaktbereich 90 mit dem Schlepphebel 1 1 auf. Ferner weist der Kolben 9 einen reibenden Kontaktbereich 91 zwischen der Mantelfläche des Kolbens 9 und dem Gehäuse 10 auf. Für eine Reduzierung des Verschleißes im Kontaktbereich 90 zwischen dem Kolben 9 und dem Schlepphebel 1 1 wird der Kontaktbereich 90 ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 13, 4 , gegebenenfalls mit einer Haftvermittlerschicht 3,versehen.In the following, a further advantageous use of the coating according to the invention is explained in more detail. FIG. 3 illustrates a perspective view of a hydraulic support element 8 which has a piston 9 and a housing 10. The hydraulic support element 8 is coupled to a drag lever 1 1, wherein the drag lever 1 1 is pivotally mounted via a rolling bearing 12. As can also be seen in FIG. 3, the piston 9 has a frictional contact region 90 the drag lever 1 1 on. Furthermore, the piston 9 has a frictional contact region 91 between the lateral surface of the piston 9 and the housing 10. For a reduction of the wear in the contact region 90 between the piston 9 and the drag lever 1 1, the contact region 90 is likewise provided with a coating 13, 4 according to the invention, optionally with a bonding agent layer 3.
Ferner kann ebenfalls der Kontaktbereich 91 zwischen dem Kolben 9 und dem Gehäuse 10 mit einer derartigen Beschichtung 13, 4 beschichtet werden. Dadurch wird die Gesamtlebensdauer des dargestellten tribologischen Systems erhöht, wodurch ein Ausfall der einzelnen Maschinenteile während eines Betriebes reduziert werden kann und somit insgesamt Kosten eingespart werden können.Furthermore, the contact region 91 between the piston 9 and the housing 10 can also be coated with such a coating 13, 4. As a result, the overall service life of the illustrated tribological system is increased, whereby a failure of the individual machine parts can be reduced during operation and thus a total cost can be saved.
Außerdem können Komponenten des Wälzlagers 12, beispielsweise die Wälzkörper, die Innen- und Außenringe des Wälzlagers 12, die Wälzlagerkäfige, die Axialscheiben oder dergleichen ebenfalls zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes und zur Reibungsreduzierung mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen werden.In addition, components of the rolling bearing 12, for example, the rolling elements, the inner and outer rings of the rolling bearing 12, the rolling bearing cages, the axial discs or the like can also be provided to increase the wear resistance and to reduce friction with the coating of the invention.
Das oben beschriebene Schichtsystem ist selbstverständlich auch für andere Bau- und Funktionseinheiten, wie beispielsweise Ventilschäfte bzw. Ventilschaftauflagen, Abstütz- und Einsteckelemente, Wälzlagerkomponenten, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Steuerkolben für beispielsweise Einspritzdüsen im Motorenbereich, Linearführungen und andere mechanisch und tribologisch hoch beanspruchte Teile geeignet. Um das Beschichtungsverfahren an die jeweils angestrebten Eigenschaften der Be- Schichtung anzupassen und die Verschiedenartigkeit der unterschiedlichen Teilschichten auszuprägen, werden während der Beschichtung die folgenden Parameter angepaßt und gesteuert:The layer system described above is of course also for other construction and functional units, such as valve stems or valve stem supports, support and plug-in elements, rolling bearing components, release bearing, piston pin, bushings, control piston for example injectors in the engine area, linear guides and other mechanical and tribologically highly stressed parts suitable. In order to adapt the coating process to the respective desired properties of the coating and to emphasize the diversity of the different partial layers, the following parameters are adapted and controlled during coating:
Substrattemperatur (T) Beschichtungsdauer (t)Substrate temperature (T) Coating time (t)
Aufheiz-, Abkühlgeschwindigkeit des Substrats bei der BeschichtungHeating, cooling rate of the substrate during the coating
Gasgemisch (N2, H2, Ar, TMT, TET, CH4, TMS)Gas mixture (N 2 , H 2 , Ar, TMT, TET, CH 4 , TMS)
Prozessgasdruck (p)im RezipientenProcess gas pressure (p) in the recipient
Gasdurchfluss (m) Spannung (U)Gas flow (m) voltage (U)
Puls/Pausen-Verhältnis (PD/PP)des PlasmasPulse / pause ratio (PD / PP) of the plasma
Verhältnis Zusatzheizung/Plasmaleistung Erfolgreiche Versuche zur Beschichtung metallischer Substrate mittels eines metallorganischen Precursors wurden mit folgenden Prozessparametern durchgeführt:Ratio of additional heating / plasma power Successful tests for the coating of metallic substrates by means of an organometallic precursor were carried out with the following process parameters:
Beschichtungstemperatur: 160 - 180 0C Druck: 50 - 300 PaCoating temperature: 160-180 ° C. Pressure: 50-300 Pa
Gasfluss: 20 - 60 l/hGas flow: 20 - 60 l / h
Plasmaparameter Spannung U: 450 - 650 V Bipolar gepulst 20 - 5O kHzPlasma parameters Voltage U: 450 - 650 V Bipolar pulsed 20 - 5O kHz
Tastverhältnis PD/PP: 0,01 - 15Duty cycle PD / PP: 0.01 - 15
(PD: Pulsdauer; PP: Pulspause)(PD: pulse duration, PP: pulse pause)
Precursor/Verdampfertemperatur: Ti(NMe2)4: 35 - 55 0C Ti(NEt2)4: 75 - 100 0C CH4 TMS 35 0CPrecursor / evaporator temperature: Ti (NMe 2 ) 4 : 35-55 0 C Ti (NEt 2 ) 4 : 75-100 0 C CH 4 TMS 35 0 C
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 Bauteil, Grundkörper1 component, basic body
2 zu beschichtende Fläche 3 Haftvermittlungsschicht2 to be coated surface 3 adhesion promoting layer
4 Oberschicht4 upper class
5 Tassenstößel5 tappets
6 Nocke6 cam
7 Ventilschaft 8 hydraulisches Abstützelement7 valve stem 8 hydraulic support element
9 Kolben9 pistons
10 Gehäuse10 housing
1 1 Schlepphebel1 1 drag lever
12 Wälzlager 13 Unterschicht12 rolling bearings 13 lower layer
50 Nockenkontaktfläche50 cam contact surface
51 Tassenhemd51 cup shirt
90 Kontaktbereich zwischen Kolben und Schlepphebel90 contact area between piston and drag lever
91 Kontaktbereich zwischen Kolben und Gehäuse 91 Contact area between piston and housing

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Aufbringen einer Unterschicht (13), bestehend aus einem Car- bid, einem Nitrid oder Borid eines Übergangsmetalls, insbesondere Ti N, Ti C, sowie einer darüber liegenden Oberschicht (4), die amorphen Kohlenstoff oder1. A method for applying an underlayer (13), consisting of a Car bid, a nitride or boride of a transition metal, in particular Ti N, Ti C, and an overlying upper layer (4), the amorphous carbon or
Kohlenwasserstoff enthält, auf einem metallischen Grundkörper (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch Anwendung eines Gleichstrom (DC-) Plasma-unterstützten CV D-Verfahrens die Unterschicht (13) aufgebracht und danach unter Anwendung desselben Verfahrens die Oberschicht (4) aufge- bracht wird.Hydrocarbon contains, on a metallic base body (1), characterized in that first applied by applying a direct current (DC) plasma-assisted CV D method, the lower layer (13) and then using the same method, the upper layer (4) auf- is brought.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Unterschicht (13) und der Oberschicht (4) in derselben Beschichtungs- kammer mit derselben Beschichtungsvorrichtung durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the application of the lower layer (13) and the upper layer (4) in the same coating chamber is performed with the same coating device.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Unterschicht (13) und der Oberschicht (4) unter Verwendung desselben Precursors durchgeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the application of the lower layer (13) and the upper layer (4) is carried out using the same precursor.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Unterschicht (13) als Precursor eine metallorganische Verbindung verwendet wird.4. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that when applying the lower layer (13) is used as precursor an organometallic compound.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Precursor Titan (IV)-lsopropylat oder eine Tetrakis (Diorganylamino)-Titan-Verbindung verwendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that as precursor titanium (IV) isopropylate or a tetrakis (Diorganylamino) titanium compound is used.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht (4) oder eine auf der Oberschicht angeordnete Deckschicht unter Verwendung von Kohlenwasserstoffen oder Silanen als Precursoren im DC-6. The method of claim 1, 2, 4 or 5, characterized in that the upper layer (4) or arranged on the upper layer layer using hydrocarbons or silanes as precursors in the DC
Plasma-unterstützten CVD-Verfahren aufgebracht wird.Plasma-assisted CVD method is applied.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb der Deckschicht oder der Oberschicht eine siliziumhaltige amorphe Kohlenwasserstoffschicht(3) als Haftvermittler im DC-Plasma-unterstützten7. The method according to claim 6, characterized in that immediately below the cover layer or the upper layer, a silicon-containing amorphous hydrocarbon layer (3) as a primer in the DC plasma-assisted
CVD-Verfahren aufgebracht wird. CVD method is applied.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Unterschicht (13), der Oberschicht (4) und gegebenenfalls der Deckschicht bei Substrattemperaturen unterhalb von 180° C vorgenommen wird.8. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the application of the lower layer (13), the upper layer (4) and optionally the cover layer is carried out at substrate temperatures below 180 ° C.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma-gestützte CVD-Verfahren mit gepulstem DC-Plasma durchgeführt wird.9. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the DC plasma-assisted CVD method is performed with pulsed DC plasma.
10. Verfahren nach Anspruch 9, durch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma bipolar gepulst ist.10. The method according to claim 9, characterized in that the DC plasma is bipolar pulsed.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma bei einer Spannung zwischen 450 und 650 Volt gepulst ist.1 1. A method according to claim 10, characterized in that the DC plasma is pulsed at a voltage between 450 and 650 volts.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma mit einer Frequenz zwischen 20 und 50 kHz gepulst ist.12. The method according to claim 10, characterized in that the DC plasma is pulsed at a frequency between 20 and 50 kHz.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 Oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis von Pulsdauer zu Pulspause zwischen 0,01 und 15 liegt.13. The method of claim 10, 11 or 12, characterized in that the duty cycle of pulse duration to pulse interval is between 0.01 and 15.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (1 ) vor dem Aufbringen der Unterschicht (13) unter Anwendung des DC-Plasmas gereinigt wird.14. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the metallic base body (1) is cleaned before applying the lower layer (13) using the DC plasma.
15. Bauteil mit einem mechanischen Verschleiß ausgesetzten Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tribologische Beschichtung hergestellt ist nach einem der Ansprüche 1 bis 14.15. Component with a surface exposed to mechanical wear, characterized in that a tribological coating is produced according to one of claims 1 to 14.
16. Tassenstößel (5), der zur Betätigung durch eine Nockenwelle an seinem Boden längsverschieblich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine tribologische Beschichtung im Bereich der Wechselwirkung mit der Nockenwelle, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14.16. cup tappet (5) which is designed to be longitudinally displaceable for actuation by a camshaft at its bottom, characterized in that a tribological coating in the region of interaction with the camshaft, produced according to one of claims 1 to 14.
17. Wälzlager (12) mit einer tribologischen Beschichtung im Bereich der Laufbahnen am Innen- und/oder Außenring oder auf der Oberfläche der Wälzkörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14. 17. Rolling bearing (12) with a tribological coating in the region of the raceways on the inner and / or outer ring or on the surface of the rolling elements, produced according to one of claims 1 to 14.
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