WO2018224073A1 - Verfahren zur herstellung einer gleitfläche - Google Patents

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WO2018224073A1
WO2018224073A1 PCT/DE2018/100262 DE2018100262W WO2018224073A1 WO 2018224073 A1 WO2018224073 A1 WO 2018224073A1 DE 2018100262 W DE2018100262 W DE 2018100262W WO 2018224073 A1 WO2018224073 A1 WO 2018224073A1
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coating
partially
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laser
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Oliver Witter
Klaus Feldner
Stefan Dupke
Holger PÄTZOLD
Frank Schlerege
Serge Kursawe
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sliding surface on a machine element. Furthermore, the invention also relates to a machine element with a sliding surface.
  • DE 10 2009 060 924 A1 describes a structure containing a solid lubricant for a vacuum tribological application.
  • a layer system comprising a layer of diamond-like carbon is formed on a substrate base.
  • a recess structure is formed, which is filled with a solid lubricant.
  • the object of the present invention is to develop a method for producing a sliding surface on a machine element as well as a machine element with a sliding surface.
  • a coating is first applied to a surface of the machine element, after which at least partially a surface structure for friction reduction by means of laser is formed on the coating, the surface structure comprising a plurality of elevations which are formed by a local phase transformation of the coating by means of laser.
  • the generation of the surface structure by means of laser takes place through the local phase transformation of the coating.
  • the sliding surface of the machine element is formed.
  • that is Machine element designed as a bucket tappet.
  • the machine element is intended to preferably have a sliding WälzAuth to the other machine element.
  • the machine element can also be designed as a lever-like cam follower for a valve train system of an internal combustion engine or as a component of a pump.
  • the elevations in the coating result in a reduction in friction, which depends on the effective contact area between the two machine elements.
  • An improved friction can be achieved, for example, in which about 25% of the surface of the machine element is in operative contact with the other machine element.
  • about a quarter of the surface of the machine element or the coating formed thereon is covered with elevations which are in effective contact with the further machine element.
  • a larger or a smaller proportion of the surface of the machine element may be covered with the elevations.
  • the elevations are preferably arranged on a cup tappet end face and in particular arranged circularly on a plurality of circular paths, which have different diameters.
  • the bumps may be arranged spirally or randomly distributed on the bucket tappet face, or may be formed in alternative shapes that are evenly distributed or randomly arranged.
  • further elevations may be formed on the bucket tappet jacket surface.
  • the elevations may be arranged on circumferential circular paths, which are arranged axially spaced from each other.
  • the elevations may be arranged randomly distributed on the bucket tappet casing surface.
  • the elevations Preferably, the elevations have a height of 0.02 to 2 pm and a diameter of 1 to 100 pm.
  • the radial clearances between the elevations may be provided in particular for receiving lubricant, so that the lubricant is held in the sliding surface between the two machine elements.
  • the coating is at least partially applied to the surface of the machine element by a PVD or PACVD or CVD process.
  • the coating is applied by a method according to PVD (Physical Vapor Deposition) or PACVD (Plasma-Assisted Chemical Vapor Depositen) or CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • PACVD Plasma-Assisted Chemical Vapor Depositen
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the film deposition occurs on the heated surface of the machine element due to a chemical reaction from a gaseous phase. Furthermore, in the PACVD process, the layer deposition takes place, for example, via a plasma excitation of a hydrocarbon-containing gas.
  • the coating is preferably at least partially made of amorphous carbon.
  • Amorphous carbon is also known by the name DLC (Diamond Like Carbon) or diamond-like carbon.
  • the coating is at least partially formed of tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon (ta-C).
  • DLC has a comparatively high hardness, high chemical resistance and abrasion resistance as well as a low friction coefficient.
  • the duration of action of the laser in particular of the laser pulses on the coating to form the surface structure, is in the femtosecond to nanosecond range.
  • the pulse duration of the laser is between 100fs and 100ns.
  • the wavelength of the laser so matched to the surface of the machine element that evaporation of the material is avoided, so that only the local phase transformation can be done in the Einwirkzone the laser radiation.
  • the wavelength to be set depends, in particular, on the material of the machine element and the melting or evaporation temperature of the coating.
  • a coating is to be understood as a layer system having at least one layer.
  • several layers can also be formed at least partially over one another and / or next to one another.
  • Figure 1 is a schematic partial sectional view for illustrating the
  • Figure 2 is a schematic perspective view of the machine element according to the invention according to Figure 1
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the machine element according to FIG. 1 according to the invention.
  • a machine element 2 according to the invention-here only partially illustrated-has a sliding surface 1 which is provided for sliding contact with at least one further machine element (not shown here).
  • the machine element 2 has a coating 4, on which a surface structure 3 with a plurality of elevations 7 is formed by means of a laser. The elevations 7 thus form the sliding surface.
  • the coating 4 is first applied to a surface of the machine element 2, wherein the coating 4 by a CVD Method is applied to the surface of the machine element 2.
  • the coating 4 is formed of tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon.
  • the surface structure 3 is generated with the elevations 7 by means of laser in the coating 4, wherein the elevations 7 are formed by a local phase transformation of the coating 4 by the laser.
  • the coating 4 is heated by the laser to a transition temperature that results in a local phase transformation of the amorphous carbon to graphite, the transition temperature being below the vaporization temperature of both the coating and the material of the machine element 2.
  • the elevations 7 have a respective height of 0.02 to 2 pm and a respective diameter of 1 to 100 pm.
  • the machine element 2 according to the invention is designed as a bucket tappet.
  • a cup tappet end face 6 has the coating 4 made of amorphous carbon and the surface structure 3 on the coating 4 for friction reduction.
  • a cup tappet casing surface 5 for friction reduction may further comprise the coating 4 of tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon and the surface structure 3 on the coating 4.
  • the surface structure 3 was generated by laser by point-to-phase conversion of ta-C to a-C within the coating 4. By a local volume increase of the coating 4 elevations 7 were formed, which reduce the friction on the bucket tappet face 6.
  • FIG. 3 shows the arrangement of the surface structure 3 in the plan view of the machine element 2 according to the invention.
  • the elevations 7 are arranged radially on the cup tappet end face 6, wherein the elevations 7 cover approximately 25% of the cup tappet end face 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche (1) an einem Maschinenelement (2), wobei die Gleitfläche (1) des Maschinenelements (2) für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wobei zunächst zumindest teilweise eine Beschichtung (4) auf eine Oberfläche des Maschinenelements (2) aufgebracht wird, wobei danach zumindest teilweise eine Oberflächenstruktur (3) zur Reibungsreduzierung mittels Laser auf der Beschichtung (4) ausgebildet wird, wobei die Oberflächenstruktur (3) eine Vielzahl von Erhebungen (7) umfasst, die durch eine lokale Phasenumwandlung der Beschichtung (4) mittels Laser ausgebildet werden. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Maschinenelement (2) mit einer Gleitfläche (1), die nach dem vorgenannten Verfahren ausgebildet ist.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Maschinenelement mit einer Gleitfläche.
Die DE 10 2009 060 924 A1 beschreibt eine Struktur enthaltend einen Festschmierstoff für eine vakuumtribologische Anwendung. Dabei wird auf einer Substratbasis ein Schichtsystem, umfassend eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff ausgebildet. Ferner wird im Schichtsystem oder in der Substratbasis und im Schichtsystem mittels eines Laserinterferenzverfahrens eine Vertiefungsstruktur ausgebildet, die mit einem Festschmierstoff gefüllt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement sowie ein Maschinenelement mit einer Gleitfläche weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf bezogenen, abhängigen An- sprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement wird zunächst zumindest teilweise eine Beschichtung auf eine Oberfläche des Maschinenelements aufgebracht, wobei danach zumindest teil- weise eine Oberflächenstruktur zur Reibungsreduzierung mittels Laser auf der Beschichtung ausgebildet wird, wobei die Oberflächenstruktur eine Vielzahl von Erhebungen umfasst, die durch eine lokale Phasenumwandlung der Beschichtung mittels Laser ausgebildet werden. Mit anderen Worten findet unmittelbar nach der Beschichtung der Oberfläche des Maschinenelements die Erzeugung der Oberflächenstruktur mittels Laser durch die lokale Phasenumwandlung der Beschichtung statt. Durch die Erhebungen auf der Beschichtung wird die Gleitfläche des Maschinenelements ausgebildet. Insbesondere ist das Maschinenelement als Tassenstößel ausgebildet. Das Maschinenelement ist dazu vorgesehen, vorzugsweise einen Gleit-Wälzkontakt zu dem weiteren Maschinenelement aufzuweisen. Ferner kann das Maschinenelement auch als hebelartiger Nocken- folger für ein Ventiltriebssystem einer Brennkraftmaschine oder als Komponente einer Pumpe ausgebildet sein.
Die Erhebungen in der Beschichtung haben eine Reibungsreduzierung zur Folge, die abhängig ist von der effektiven Kontaktfläche zwischen den beiden Maschinenelementen. Eine verbesserte Reibung kann beispielsweise erzielt werden, in dem etwa 25% der Oberfläche des Maschinenelements in einem wirksamen Kontakt mit dem weiteren Maschinenelement steht. Mit anderen Worten ist etwa ein Viertel der Oberfläche des Maschinenelements beziehungsweise der daran ausgebildeten Beschichtung mit Erhebungen bedeckt, die in wirksamem Kontakt mit dem weiteren Maschinenelement stehen. Alternativ kann aber auch ein größerer beziehungsweise ein kleinerer Anteil der Oberfläche des Maschinenelements mit den Erhebungen bedeckt sein. Die Erhebungen sind vorzugsweise auf einer Tassenstößelstirnfläche angeordnet und insbesondere kreisförmig auf mehreren Kreisbahnen, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, angeordnet. Ferner können die Erhebungen spiralförmig oder zufällig verteilt auf der Tassenstößelstirnfläche angeordnet sein, oder aber auch in alternativen Formen ausgebildet sein, die gleichmäßig verteilt oder zufällig angeordnet sind. Ergänzend können weitere Erhebungen auf der Tassenstößelmantelfläche ausgebildet sein. Dabei können die Erhebungen auf umlaufenden Kreisbahnen angeordnet sein, die axial beabstandet zueinander angeordnet sind. Ferner können die Erhebungen auf der Tassenstößelmantelfläche zufällig verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise weisen die Erhebungen eine Höhe von 0,02 bis 2 pm und einen Durchmesser von 1 bis 100 pm auf. Die radialen Freiräume zwischen den Erhebungen können insbesondere zur Aufnahme von Schmiermittel vorgesehen sein, sodass das Schmiermittel in der Gleitfläche zwischen den beiden Maschinenelementen gehalten wird. Unter dem Ausdruck„zumindest teilweise" ist zu verstehen, dass die Oberflächenstruktur und die Beschichtung zumindest an einem Teil der Oberfläche des Maschinenelements ausgebildet sind. Ferner ist es aber auch denkbar, dass die Oberflächenstruktur und die Beschichtung an der gesamten Oberfläche des Maschinenelements ausgebildet sind. Vorzugsweise wird die Beschichtung durch ein PVD- oder PACVD- oder CVD- Verfahren zumindest teilweise auf die Oberfläche des Maschinenelements aufgebracht. Mit anderen Worten wird die Beschichtung nach einem Verfahren gemäß PVD (Physical Vapour Deposition) oder PACVD (Plasma-Assisted Chemical Vapour Depositen) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht. Im PVD-Verfahren werden beispielsweise durch Sputtern Partikeln aus einem Targetmaterial herausgelöst und in einem Plasma auf die Oberfläche des Maschinenelements transportiert. Bei dem CVD-Verfahren erfolgt die Schichtabscheidung an der erhitzten Oberfläche des Maschinenelements aufgrund einer chemischen Reaktion aus einer Gasphase. Ferner erfolgt beim PACVD-Verfahren die Schichtabscheidung beispielsweise über eine Plasmaanregung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases.
Bevorzugt ist die Beschichtung zumindest teilweise aus amorphen Kohlenstoff ausge- bildet. Amorpher Kohlenstoff ist ferner unter der Bezeichnung DLC (Diamond Like Carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff bekannt. Vorzugsweise ist die Beschichtung zumindest teilweise aus tetraedrischem wasserstofffreiem amorphem Kohlenstoff (ta-C) ausgebildet. DLC weist eine vergleichsweise hohe Härte, hohe chemische Resistenz und Abriebfestigkeit sowie einen niedrigen Reibkoeffizient auf. Durch einen Energieeintrag des Lasers wird die Beschichtung bis unterhalb der Verdampfungstemperatur lokal erhitzt, sodass eine Phasenumwandlung des Kohlenstoffs in der Beschichtung stattfindet. Dabei wandeln die in der amorphen Kohlenstoff Schicht, beziehungsweise in der ta-C-Schicht vorherrschenden sp3 Bindungen teilweise in sp2 Bindungen um. Dadurch kommt es zu einer lokalen Volumenzunahme in der Beschich- tung beziehungsweise zu einer lokalen Vergrößerung der Schichtdicke der Beschichtung. Mit anderen Worten bilden sich die zuvor beschriebenen lokalen Erhöhungen, die radial aus der Beschichtung herausragen. Der Zerfall der sp3 Bindungen in ta-C findet in der Regel bei Temperaturen oberhalb 700°C und Oxidation oberhalb 450°C statt. Vorteilhafterweise weist Graphit relativ gute Schmiermitteleigenschaften auf, wodurch die Reibung in der Gleitfläche zusätzlich gesenkt wird.
Die Einwirkdauer des Lasers, insbesondere der Laserpulse an der Beschichtung zur Ausbildung der Oberflächenstruktur ist im Femtosekunden- bis Nanosekundenbereich. Insbesondere beträgt die Pulsdauer des Lasers zwischen 100fs und 100ns. Ferner ist die Wellenlänge des Lasers derart auf die Oberfläche des Maschinenelements abgestimmt, dass eine Verdampfung des Werkstoffs vermieden wird, sodass lediglich die lokale Phasenumwandlung in der Einwirkzone der Laserstrahlung erfolgen kann. Die einzustellende Wellenlänge ist insbesondere von dem Werkstoff des Maschinenele- ments und der Schmelz- beziehungsweise Verdampfungstemperatur der Beschichtung abhängig.
Unter einer Beschichtung ist ein Schichtsystem mit mindestens einer Schicht zu verstehen. Insbesondere können auch mehrere Schichten zumindest teilweise überei- nander und/oder nebeneinander ausgebildet sein.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der drei Figuren näher dargestellt. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Teilschnittdarstellung zur Veranschaulichung des
Aufbaus einer Gleitfläche eines erfindungsgemäßen Maschinenelements, Figur 2 eine schematische Perspektivdarstellung des erfindungsgemäßen Maschinenelements gemäß Figur 1 , und
Figur 3 eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Maschinenelements gemäß Figur 1 .
Gemäß Figur 1 weist ein erfindungsgemäßes - hier nur teilweise dargestelltes - Maschinenelement 2 eine Gleitfläche 1 auf, die für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren - hier nicht dargestellten - Maschinenelement vorgesehen ist. Das Maschinenelement 2 weist eine Beschichtung 4 auf, auf der eine Oberflächen- struktur 3 mit einer Vielzahl von Erhebungen 7 mittels Laser ausgebildet ist. Die Erhebungen 7 bilden somit die Gleitfläche 1 .
Zur Herstellung der Gleitfläche 1 wird zunächst die Beschichtung 4 auf eine Oberfläche des Maschinenelements 2 aufgebracht, wobei die Beschichtung 4 durch ein CVD- Verfahren auf die Oberfläche des Maschinenelements 2 aufgebracht wird. Die Beschichtung 4 ist aus tetraedrischem wasserstofffreiem amorphem Kohlenstoff ausgebildet. In einem nachfolgenden Schritt wird die Oberflächenstruktur 3 mit den Erhebungen 7 mittels Laser in der Beschichtung 4 erzeugt, wobei die Erhebungen 7 durch eine lokale Phasenumwandlung der Beschichtung 4 durch den Laser ausgebildet werden. Die Beschichtung 4 wird durch den Laser auf eine Umwandlungstemperatur erhitzt, die zu einer lokalen Phasenumwandlung des amorphen Kohlenstoffs zu Graphit führt, wobei die Umwandlungstemperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur sowohl der Beschichtung als auch des Werkstoffs des Maschinenelements 2 liegt. Die Erhebungen 7 weisen eine jeweilige Höhe von 0,02 bis 2 pm und einen jeweiligen Durchmesser von 1 bis 100 pm auf.
Nach Figur 2 ist das erfindungsgemäße Maschinenelement 2 als Tassenstößel ausgebildet. Eine Tassenstößelstirnfläche 6 weist zur Reibungsreduzierung die Beschich- tung 4 aus amorphem Kohlenstoff sowie die Oberflächenstruktur 3 an der Beschichtung 4 auf. Ergänzend kann ferner eine Tassenstößelmantelfläche 5 zur Reibungsreduzierung die Beschichtung 4 aus tetraedrischem wasserstofffreiem amorphem Kohlenstoff sowie die Oberflächenstruktur 3 an der Beschichtung 4 aufweisen. Die Oberflächenstruktur 3 wurde mittels Laser durch stellenweise Phasenumwandlung von ta-C zu a-C innerhalb der Beschichtung 4 erzeugt. Durch eine lokale Volumenzunahme der Beschichtung 4 wurden Erhöhungen 7 ausgebildet, die die Reibung an der Tassenstößelstirnfläche 6 reduzieren.
Figur 3 zeigt die Anordnung der Oberflächenstruktur 3 in der Draufsicht des erfin- dungsgemäßen Maschinenelements 2. Die Erhöhungen 7 sind radial auf der Tassenstößelstirnfläche 6 angeordnet, wobei die Erhöhungen 7 etwa 25% der Tassenstößelstirnfläche 6 bedecken. Bezugszeichenliste
Gleitfläche
Maschinenelement
Oberflächenstruktur
Beschichtung
Tassenstößelmantelfläche
Tassenstößelstirnfläche
Erhebung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche (1 ) an einem Maschinenelement (2), wobei die Gleitfläche (1 ) des Maschinenelements (2) für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zumindest teilweise eine Beschichtung (4) auf eine Oberfläche des Maschinenelements (2) aufgebracht wird, wobei danach zumindest teilweise eine Oberflächenstruktur (3) zur Reibungsreduzierung mittels Laser auf der Beschichtung (4) ausgebildet wird, wobei die Oberflächenstruktur (3) eine Vielzahl von Erhebungen (7) umfasst, die durch eine lokale Phasenumwandlung der Beschichtung (4) mittels Laser ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) durch ein PVD- oder PACVD- oder CVD-Verfahren zumindest teilweise auf die Oberfläche des Maschinenelements (2) aufgebracht wird.
3. Maschinenelement (2), umfassend eine Gleitfläche (1 ), die für einen gleitenden Kontakt mit mindestens einem weiteren Maschinenelement vorgesehen ist, wobei die
Gleitfläche (1 ) zumindest teilweise eine Beschichtung (4) und zumindest teilweise eine Oberflächenstruktur (3) auf der Beschichtung (4) aufweist, wobei die Oberflächenstruktur (3) durch eine lokale Phasenumwandlung der Beschichtung (4) mittels Laser ausgebildet ist.
4. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) zumindest teilweise aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
5. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) zumindest teilweise aus tetra- edrischem wasserstofffreiem amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
6. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (7) eine jeweilige Höhe von 0,02 bis 2 pm aufweisen.
7. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (7) einen jeweiligen Durchmesser von 1 bis 100 m aufweisen.
8. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (7) zumindest teilweise aus Graphit ausgebildet sind.
9. Maschinenelement (2) nach Anspruch 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (2) als Tassenstößel ausgebildet ist.
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