DE102007018716A1 - Method for applying a wear-resistant coating - Google Patents

Abstract

Beim Aufbringen einer tribologischen Schicht auf ein Bauteil, wobei die Schicht wenigstens eine Oberschicht (4) mit einem amorphen Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff enthält, ist gemäß der Erfindung zur Vereinfachung des Beschichtungsverfahrens vorgesehen, dass eine Unterschicht (13) und eine von dieser verschiedene Oberschicht (4) nacheinander durch Anwendung eines Gleichstrom (DC)-Plasma-unterstützten CVD-Verfahrens gegebenenfalls unter Abänderung der Prozessparameter und unter Verwendung unterschiedlicher Precursoren aufgebracht werden.When applying a tribological layer to a component, wherein the layer contains at least one top layer (4) with an amorphous carbon or hydrocarbon, it is provided according to the invention for simplifying the coating process that a bottom layer (13) and a different top layer (4 ) can be applied sequentially by using a direct current (DC) plasma-assisted CVD method, optionally modifying the process parameters and using different precursors.

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 employs himself with a method for coating machine parts for Reduction of friction losses and wear. The present Invention is basically based on many different types Applicable machine parts that are exposed to abrasive wear are. However, a particularly advantageous example is the use in parts of internal combustion engines, in particular valve train components such as tappets used. An application in industrial use such as in Rolling and Linear Guides and Hydraulic However, 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.in principle The requirements for such components are increased of mechanical loads, movement speeds and service lives higher and higher. This is increasingly lower maintenance intensity provided. Corresponding lubricants are due to the rising Environmental requirements with less and less Additives used and the trend is partly to low-viscosity Lubricants or even for operation 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 corresponding requirements for low frictional forces and adhesion in both the fluid-lubricated, as well as in dry and transitional areas, at low Adhesion forces, high wear resistance and at the same time toughness against impact loads and the resistance to chipping are through conventional coatings no longer met.

Teilweise können einzelne der Anforderungen durch in bestimmter Weise geartete Beschichtungen erfüllt werden, wie beispielsweise die Härte oder der geringe Reibwiderstand, jedoch leiden regelmäßig andere Eigenschaften des tribologischen Systems.Partially Can individual requirements by in a certain way kind of coatings, such as the hardness or the low frictional resistance, however, suffer regularly other properties of the tribological System.

Besonders deutlich wird dies an dem Beispiel von Ventiltrieben bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen das Augenmerk insbesondere auf Nockenstößelvorrichtungen liegt.Especially this becomes clear in the example of valve trains in internal combustion engines, where particular attention is paid to cam follower devices lies.

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 zugeordneten Tassenstößels.such Cam followers are for example installed in automotive engines with reciprocating pistons, which have air intake and exhaust valves which are located in Open the phase with the rotation of the crankshaft or synchronously and close. A valve drive mechanism becomes for transmission the movement of the cam mounted on the cam on the Valves used when the camshaft along with the crankshaft the engine is turning. The cam of the camshaft comes into frictional contact with a tread 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 Belastungen 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 Mischreibung 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 gesam ten Ventiltriebes. Um die Reibungsverluste effektiv zu reduzieren, ist es notwendig, das Reibmoment über einen breiten Drehzahlbereich zu senken.Generally are subject to such valve train components, such as Cup and pump tappets increasing demands. The causes of the need for increased Wear resistance is always higher expectant loads and stresses of the tribological system, consisting of control cams and tappets. The reasons this is due to new engine concepts, such as petrol and diesel direct injection systems, with constantly increasing injection pressures, an increasing proportion of abrasive particles in the lubricant, lack of oil supply of the friction partners, which increased Contribution to mixed friction and increasing use of tribologically unfavorable steel cams for cost and Mass reduction. An important contribution to resource conservation is the reduction of friction losses in the valve train, with it following fuel saving with simultaneous increase the life of the entire valve train. To the friction losses To effectively reduce, it is necessary to apply the friction torque over to reduce 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 Stahlplatte mit einer gehärteten Oberfläche aufweist.It is known, such tappets for the valve control of an internal combustion engine as a light metal plunger form, which a plunger body and one at the interface for the control cams of the valve control inlaid 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 –30°C bei Kaltstart bis zu ca. 130°C 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 entsprechender 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 are exposed in operation relatively large temperature fluctuations of -30 ° C at cold start up to about 130 ° 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 under corresponding thermal stress. The thermal capacity is therefore limited. Another application disadvantage is that the space in the form of a relatively wide edge as a functional surface or as Nockenkon contact surface, which is contacted by the control cam of a valve control is lost.

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 Metalllegierungen gegebenenfalls mit Hartstoffzusätzen bestehen.According to the It is also known in the art to have running surfaces with machine parts subject to frictional wear Wear protection layers to provide, depending on the application preferably from electroplated metals or from in one thermal spray applied metals and / or metal alloys optionally with addition of hard material.

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. hBeim Umschmelzlegieren entstehen jedoch inhomogene Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung, in denen sowohl der Grundwerkstoff 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 Rei bungsbelastungen einen unerwünschten Adhäsiv-Verschleiß an den Schichten verursachen.in this connection However, the fact has proved to be disadvantageous that thermally sprayed metal layers a relatively weak strength own, and it is therefore known to improve the strength of the Metal layers after application, for example by plasma blasting, Laser beams, electron beams or by an arc such remelt that the spray materials with the case at the same time melted in the surface area molten base material mix and alloy. However, remelting is the result inhomogeneous zones of different composition in which both the base material as well as the layer material predominate can. If the proportion of base material is too high, then the layer wear will be too high, and with low base material share exists in different layer combinations the risk of macrocracking, so that such layers are not can be used. In such a case, stress levels can be exerted an undesirable adhesive wear on cause the layers.

Ferner ist es bekannt, die Lauffläche des Tassenstößels mittels eines thermochemischen 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.Further It is known the tread of the tappet to carbonitrate by means of a thermochemical process and / or to nitrocarburise. However, it has proved disadvantageous that no satisfactory coefficient of friction is achieved and too low 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.Furthermore is known, the tread of the ram coated with a manganese phosphate layer or a bonded coating. Again, no satisfactory coefficients of friction and wear resistance achieved. In addition, will Such materials unnecessarily pollute the environment. The same applies to galvanic layers, which also can 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.It are also known in the art as coating materials Hardmetals and high speed steels (ASP 23) are known, however besides an unsatisfactory coefficient of friction and an unsatisfactory wear resistance in addition have a disadvantageous 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 undefinierte Oberflächenzustände aufgrund der reaktiven Oberflächen.Furthermore are hard, by means of, for example, a PVD or a (PA) CVD process, prepared layers, such as TiN, CrN, known. adversely However, this approach has revealed the fact that These layers have a high wear of the counter body result if these layers are not post-processed. 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 Systems bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle.As already explained above, is a friction reduction in Valve train a necessary contribution to fuel economy and Resource conservation. One achieves this among other things by a possible low total roughness of the tribological system consisting of tappets 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.Around the necessary low roughness of the bucket tappet over to maintain the entire life, it is necessary to the surface so that they have a high resistance to wear, a low adhesive tendency to the opposite body and low reactivity with the environment. Furthermore, may the surface preferably no abrasive particles, such as Droplets, included.

Die Tassenstößel aus Eisenkohlenstofflegierungen, auch im wärmebehandelten Zustand, wie carbonitriert, nitrocarburiert oder nitriert, erreichen nicht die hierfür notwendigen 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, wodurch 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, also in the heat-treated state, such as carbonitrated, nitrocarburized or nitrided, do not reach the necessary Wear resistance and tribologically favorable Surface states. For example, treat Nitride layers, in particular by (fine) grinding, lapping, Polishing, blasting, etc., according to mechanical, so will be in addition to the surface structure as well the chemical composition and reactivity of the surface changed. These changes are on the one hand subjected to large dispersions, resulting in no consistent Quality can be realized. On the other hand, topographically Affine surfaces less favorable tribological Properties and tend to adhesions with the counter body. Furthermore, by grinding and polishing processes compressive stresses induced in the near-surface areas, which is to the already existing high residual compressive stresses of the hard material layer add.

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 lead to defects and microcracks, so that the local fatigue strength of the layer is reduced in bucket tappets and the adhesive strength is reduced to the possible spalling when reworking the layer.

Verzichtet man jedoch beispielsweise bei den mit einem Lichtbogenverfahren abgeschiedenen 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.waived However, for example, in the case of an arc process deposited layers on a subsequent polishing, the hard droplets lead to abrasive wear of the Counter body or at least to a random polishing the counter-body, which is not to be considered disadvantageous Consequences result. In addition, the droplets break during operation out of the layer, resulting in damage to the layer and leads to free, abrasive particles.

Es ist aus der DE 10 2004 043 550 A1 eine Konstellation bekannt, bei der die verschleißfeste Beschichtung aus mindestens einer nanokristallinen Funktionsschicht aus mindestens zwei CrN_x-Phasen für eine Reibungsreduzierung und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils besteht. Auch diese Beschichtung erfüllt jedoch nicht alle tribologischen Anforderungen in idealer Weise.It is from the DE 10 2004 043 550 A1 a constellation is known in which the wear-resistant coating consists of at least one nanocrystalline functional layer of at least two CrN _x phases for a friction reduction 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 10 2005 029 360 A1 ist ein Verfahren zur Plasmabehandlung, insbesondere auch zur Plasmabeschichtung eines Bauteils unter annähernd Atmosphärendruck bekannt, bei dem mittels geeigneter Precursoren unter Anwendung einer hohen Spannung von einigen KV eine CVD-Beschichtung aufgebracht werden kann.From the DE 10 2005 029 360 A1 is a method for plasma treatment, in particular for the plasma coating of a component under approximately atmospheric pressure known in which by means of suitable precursors using a high voltage of a few KV, a CVD coating can be applied.

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, Diaminocyclohexan und die entstehenden Funktionalisierungen der Oberfläche eingegangen wird. Weiter bezieht sich die Schrift auf die Plasma-Polymerisation.From the DE 10 2004 057 155 A1 is a method for applying chemically functionalized surfaces on functional elements known, with particular attention to the plasma-assisted coating with precursors such as acrylic acid, allylamine, Diaminocyclohexan and the resulting functionalizations of the surface. Further, the document relates to the plasma polymerization.

Die DE 10 2005 034 764 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Plasma-Polymerisation 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.The DE 10 2005 034 764 A1 refers to a process for plasma polymerization for the production of fluorocarbon polymer layers. There is a low-pressure high-frequency plasma applied at pressures between 0.03 mbar and 1 mbar at frequencies in the MHz range.

Aus der DE 10 2004 029 526 ist eine Vorrichtung zur Plasma-unterstützten Kohlenstoffabscheidung bekannt, wobei durch eine entsprechend optimierte Gestaltung von Zündeinrichtungen für das Plasma eine räumlich verteilte Anordnung von Fußpunkten für einen Lichtbogen angestrebt wird.From the DE 10 2004 029 526 a device for plasma-assisted carbon deposition is known, with a correspondingly optimized design of ignition devices for the plasma, a spatially distributed arrangement of base points for an arc is sought.

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).From the U.S. Patent 5,237,967 are known 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 (aC: 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.From the WO 03/064874 For ball bearings is basically a coating of a carbon in diamond-like structure known to improve the overall friction properties and especially the dry running properties.

Aus der EP 454616 ist ein Wälzlager bekannt, das teilweise mit einem chemisch abgeschiedenen Diamantwerkstoff beschichtet ist um die Trockenlaufeigenschaften zu verbessern, die Belastbarkeit und die Lebensdauer zu vergrößern.From the EP 454616 is known a rolling bearing, which is partially coated with a chemically deposited diamond material to improve the dry running properties, the load capacity and the life to increase.

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 the DE 69812389 T2 For roller element bearings, a coating of sp3 and sp2 hybridized carbon compounds, which contains 5 to 25% silicon, is known (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 Beschichtungsvorgang bei möglichst niedrigen Temperaturen ermöglicht sein.Consequently The present invention is based on the object, a method for applying a coating to create the above Disadvantages eliminated, especially simple and inexpensive to use is and leads to coated components that have a low Friction with a long service life of the respective component and also connect the opposite body. In this case, the coating process at the lowest possible temperatures possible be.

Die Lösung der Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The Solution of the problem succeeds according to 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 Bond oder ein Nitrid eines Übergangsmetalles enthält, als auch für eine darüber angeordnete Oberschicht, die amorphen Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe enthält.Fundamental The idea is, a direct current (DC) plasma-based Apply CVD coating processes, both for a subcoat to be applied, which is typically a carbide, contains a bond or a nitride of a transition metal, as well as for a higher class, 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°C für viele Anwendungsgebiete zu hoch.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 processes allow three-dimensional, uniform coating of substrates with complex geometries while achieving excellent layer adhesion. However, the required substrate temperatures of 900-1200 ° C are too high for many applications.

PVD-Verfahren ermöglichen dagegen Beschichtungen bei Temperaturen unter 400°C. 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. Weiterhin benötigen PVD-Verfahren wesentlich aufwendigere Vakuumsysteme.PVD on the other hand allow coatings at temperatures below 400 ° C. This will cause thermal stress and thermal distortion Significantly reduced and heat after-treatments are unnecessary often. A big disadvantage, however, is the Difficulty of coating substrates with complex geometries. For example, the many in automotive technology available Components are often not at all or only with large coat plant engineering effort. Continue to need PVD process significantly more complex 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°C mit geringem vakuumtechnischem Aufwand bei Drucken im mbar- Bereich beschichtet werden.The plasma assisted CVD (Plasma Assisted CVD - PACVD) out of the wish the advantages of both procedures arose connect to. With this, substrates can be complex Geometries three-dimensional at temperatures of 400-500 ° C with low vacuum engineering effort at pressures in the mbar range be coated.

Die bekannten plasmagestützten CVD-Verfahren nutzen zur Aktivierung der chemischen Reaktionen nicht mehr rein thermische Energie, sondern aktivieren den Prozess durch ein Plasma im Reaktor. Diese gezielte Energieeinbringung wird beispielsweise realisiert durch:
DC-Plasmen, gepulst oder ungepulst, jeweils unipolar oder bipolar, HF-Plasmen, nieder-mittel- oder hochfrequent,
Mikrowellenplasmen, direkt oder indirekt auf die Oberfläche einwirkend, sowie Laserinduzierte Plasmen oder UV-Anregung.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 plasmas, pulsed or unpulsed, each unipolar or bipolar, RF plasmas, low-medium 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°C 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.at the use of a plasma has this on the one hand a catalytic Effect, on the other hand, the task of energy decoupling. That means, that reactions can proceed at lower temperatures or even become possible. This technique allows the substrate temperature to be lowered below 500 ° C. The different types of plasma realization lead to different plasmas. So it is the RF plasma for a space charge, while the DC plasma, the glowing edge conforming close to the cathodic substrate and so benefits for coating harbors complex geometries. A component to be coated needs therefore not necessarily moved when using a DC plasma, in particular to be turned to a uniform surface coating to reach.

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 Verfahren zum Aufbringen verschiedener aufeinander folgender Schichten mit demselben Verfahren, in derselben Beschichtungskammer und mit derselben Vorrichtung.There using suitable precursors and if appropriate Adjustment of process parameters, such as pressure, Substrate temperature, plasma voltage, pulsation and frequency of the plasma the nature, composition and structure of the applied layers can be determined, the method is suitable for applying various successive 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 invention Lower layer and the upper layer also with the same precursors getting produced.

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 TiCl₄ als Metallspender beispielsweise führt eine niedrige Prozesstemperatur zur zunehmenden Chlorinkorporation und zu einem höheren Verschleiß der Beschichtungen.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 donor, for example, a low process temperature leads to increasing chlorine incorporation and higher wear of the coatings.

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°C. Als Unterschichten sollen dabei Carbide, Nitride oder Boride der Übergangsmetalie dienen, beispielsweise harte Ti(C, N)-Schichten. Diese lassen sich aus metallorganischen Precusoren bei Temperaturen von teilweise unter 160°C darstellen.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 the materials used, a tailor-made coating the component surfaces at the lowest possible Temperatures, particularly advantageous below 180 ° C. As lower layers should thereby carbides, nitrides or borides of the transition metal serve, for example, hard Ti (C, N) layers. These can be from organometallic precursors at temperatures of some below 160 ° C.

Metallorganische Verbindungen lassen sich besonders vorteilhaft aufgrund der geringeren 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)-Isopropylat 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. According to an advantageous embodiment of the invention, suitable precursors are tetrakis (diorganylamino) titanium compounds (eg (Ti (NR ₂ ) ₄ , R = Me, Et, CH ₃ , CH ₂ CH ₃ )) or also titanium (IV) Serve isopropylate.

Auch die Kohlenstoff- beziehungsweise Kohlenwasserstoffschichten können aus diesen oder ähnlichen Precursoren (z. B. 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.Also the carbon or hydrocarbon layers can separated from these or similar precursors (eg methane) become. It should be noted that also the coating of a substrate exclusively with a carbon or hydrocarbon layer in the pulsed DC plasma method with an organometallic precursor is conceivable.

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.amorphous Hydrocarbon layers are characterized by a low Frictional value especially against steel, high hardness and Wear resistance, as well as a high chemical Inertness. Typical applications 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 according to their chemical composition in 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-PACVD-Verfahren, insbesondere uni- oder bipolar gepulst, hergestellt werden.The amorphous or metal-containing amorphous hydrocarbon layers (DLC, Me-C: H) are usually in accordance with the state technology in the HF-PACVD or PVD method. According to the Invention, the respective layers, however, in the DC-PACVD method, in particular unipolar or bipolar pulsed, are produced.

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 Anpassungsglieds für HF-PACVD-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, härtere DLC bzw. a-C:H:Me Oberschichten bei Temperaturen < 180°C mittels CH₄ oder Tetramethylsilan als Precursoren abgeschieden werden.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 RF PACVD techniques. 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 ° C by means of CH ₄ or tetramethylsilane as precursors.

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.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-Plasma-gestützten CVD-Verfahrens eine Siliziumhaltige Kohlenwasserschoffschicht als Haftvermittler zum Ausgleich der mechanischen Spannungen aufgebracht werden.additionally can under the topcoat, also using the DC plasma enhanced CVD method a silicon-containing hydrocarbon layer as adhesion promoter be applied to compensate for the mechanical stresses.

Vorteilhaft werden die einzelnen Schichten in dem beschriebenen Verfahren bei Substrattemperaturen unterhalb von 180°C, besonders vorteilhaft sogar unterhalb von 160°C aufgebracht.Advantageous the individual layers become involved in the described process Substrate temperatures below 180 ° C, particularly advantageous even applied below 160 ° 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.supports This is due to the pulsed operation of the DC plasma. It can Pulse ratios of pulse duration to pulse interval between 0.01 and 15 depending on the desired or allowed Energy entry can be selected. The DC plasma can do this be pulsed unipolar or bipolar.

Vorteilhafte Spannungen des Plasmas liegen dabei zwischen 450 und 650 Volt, vorteilhafte Frequenzbereich liegt unter 50 KHz, 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.One Another advantageous process step is in one of the coating previous plasma treatment, in particular plasma cleaning the Surface of the substrate.

Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Umweltverträglichkeit der Vorbehandlung, da viele bisher angewandte Verfahren aufgrund ihrer Schadstoffbelastung ersetzt werden müssen.One The main focus is on the environmental compatibility the pretreatment, since many previously used procedures due their pollution must be replaced.

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 refers except to the method described for producing a coating also on the obtained coating and on machine parts, with the inventive Process have been coated, especially on a valve lifter for a valve actuatable by a cam Internal combustion engine and a rolling 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 The following is the invention with reference to an embodiment with respect to said valve lifter as well to a hydraulic support element in a drawing shown and then described.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Vorderansicht einer Reibpaarung, bestehend aus Tassenstößel und Nockenwelle für den Betrieb eines Ventils einer Brennkraftmaschine; 1 a front view of a friction pair consisting of bucket tappet and camshaft for the operation of a valve of an internal combustion engine;

2 eine perspektivische Ansicht des Tassenstößels aus 1; 2 a perspective view of the tappet 1 ;

3 eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes, welches über ein Wälzlager mit einem Schlepphebel in Verbindung steht; und 3 a perspective view of a hydraulic support element, which is connected via a roller bearing with a finger lever in connection; and

4 im Querschnitt eine Schichtenfolge auf einem Grundkörper/Substrat. 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 numerals designate the same or functionally identical components, unless stated otherwise is.

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 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. 1 shows a friction pairing with a bucket tappet 5 with a cam contact surface 50 and a cup shirt 51 as well as a cam 6 , The tappet 5 is below in 2 shown in more detail in a perspective view. The tappet 5 is generally for engine parts in internal combustion engines with the shaft 7 connected to a valve, not shown, which by moving the cam surface against the cam contact surface 50 the tappet 5 the valve opens or closes.

Bekanntermaßen unterliegen Ventiltriebkomponenten der Automobiltechnik, wie beispielsweise Tassen- und Pumpenstößel, hohen Anforderungen bezüglich des Verschleißwiderstandes und der Ressourcenschonung, insbesondere an der Kontaktfläche 50.As is known, valve train components of automotive engineering, such as, for example, cup and pump tappets, are subject to high demands with regard to wear resistance and resource conservation, in particular at the contact surface 50 ,

In Verbindung mit 4, welche eine schematische Querschnittsansicht einer verschleißfesten 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.Combined with 4 which is a schematic cross-sectional view of a wear-resistant coating for a machine part 1 For example, for a tappet 5 , Illustrated according to a preferred embodiment of the present invention, an implementation of the present invention will be 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 for a reduction of the friction coefficient and for an increase of the wear resistance in the area of the cam contact surface 50 or, if required, in the area of the cam contact surface 50 and the cup shirt 51 provided with a wear-resistant and low-friction coating according to the invention. In case of high deformations of the cup shirt 51 the tappet 50 in the area of the open side, can optionally also a partial coating of the cup shirt 51 respectively.

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 to be coated 2 , ie in the present case, the cam contact surface 50 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, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 oder dergleichen, besteht, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst mit einer Unterschicht 13 beschichtet. Diese kann aus einem Carbid, einem Nitrid oder Bond 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 Siliziumhaltigen 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, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2 or the like, according to the present embodiment, first with an underlayer 13 coated. This may consist of a carbide, a nitride or a transition metal bond, preferably of TiN or TiC, and may be applied in a pulsed DC-PACVD process using a tetrakis (diorganylamino) titanium compound as precursor. Thereafter, an adhesion promoting layer may optionally be provided on the underlayer 3 be applied. The adhesive layer 3 may for example consist of a metal-containing carbon or hydrocarbon, for example, in each case in conjunction with tungsten, but preferably from 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.Through the lower class 13 the fatigue strength of the overall coating should be increased, ie it should prevent plastic deformation, cracking, growth and fractures of the coating system. Of the Such fatigue can be due to the load on the cam and the material stress of the bucket tappet induced therefrom 5 and by different degrees of hardness, moduli of elasticity, deformability of the individual layers or the base body and the wear-resistant coating arise. In this case, an education of the layer 13 as a subbing layer either alone or in combination with a suitable primer layer 3 preferable.

Wie in 4 dargestellt, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über der Unter- und/oder der Haftvermittlungsschicht 3 eine verschleißfeste Schicht 4 als Ober- oder Deckschicht gebildet.As in 4 is shown, according to the present embodiment, over the undercoat and / or the adhesion promoting layer 3 a wear-resistant layer 4 formed 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, the proportions 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 formed by a carbon-containing layer, a hydrocarbon-containing layer, a modified or metal-containing amorphous hydrocarbon layer in which the carbon is 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)₄, 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°C aus Kohlenwasserstoffen oder Silanen im Multilager-Verfahren vorgesehen, die bei zu hohen Eigenspannungen durch eine ebenso abgeschiedene a-C:H:Si-Haftvermittlerschicht 3 unterstützt werden können.If the carbon-containing C-C and C-N top layers obtained directly from the organometallic precursors TMT and TET (Ti (NR ₂ ) ₄ , R = Me; Et) are unsuitable for the respective purpose because of their properties, subsequent or alternative deposition is alternatively or additionally suitable of DLC or aC: H: Me upper layers at temperatures <180 ° C from hydrocarbons or silanes in the multi-bearing method provided, which at too high residual stresses by an equally deposited aC: H: Si adhesion promoter layer 3 can be supported.

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 vorteilhafteiner 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.Of the Environmentally compatible pretreatment is becoming increasingly important today Attention paid, as many previous procedures due to their high environmental impact must be replaced. Become before the coating process the substrates are therefore advantageously solvent-free Ultrasound treatment and in addition a plasma cleaning subjected. The plasma cleaning takes place in the form of a "sputter cleaning" with variation of plasma voltage and gas mixture in the same device like 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 method, with respect to the necessary coating device compared to the previously used means of production PVD and (PA) CVD coating only manageable constructive Changes are required.

Die maximale Beschichtungstemperatur beträgt vorzugsweise 180°C, sodass bei einem Beschichtungsvorgang das Grundmaterial nicht angelassen wird.The maximum coating temperature is preferably 180 ° C, so that in a coating process, the base material is not tempered becomes.

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 of a thickness of about 0.5 μm to about 10.0 microns, preferably 2.0 microns formed. This will change the dimensions and surface roughness of the basic body to such a small extent, that no post-processing is necessary.

Im Folgenden wird eine weitere vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung näher erläutert. 3 illustriert eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes 8, welches einen Kolben 9 und ein Gehäuse 10 aufweist. Das hydraulische Abstützelement 8 ist mit einem Schlepphebel 11 gekoppelt, wobei der Schlepphebel 11 über ein Wälzlager 12 schwenkbar gelagert ist. Wie in 3 ferner ersichtlich ist, weist der Kolben 9 einen reibenden Kontaktbereich 90 mit dem Schlepphebel 11 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 11 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. 3 illustrates a perspective view of a hydraulic support element 8th which is a piston 9 and a housing 10 having. The hydraulic support element 8th is with a drag lever 11 coupled, the drag lever 11 via a rolling bearing 12 is pivotally mounted. As in 3 also can be seen, the piston 9 a rubbing contact area 90 with the cam follower 11 on. Furthermore, the piston has 9 a rubbing contact area 91 between the lateral surface of the piston 9 and the housing 10 on. For a reduction of wear in the contact area 90 between the piston 9 and the rocker arm 11 becomes the contact area 90 likewise with a coating according to the invention 13 . 4 optionally with a primer layer 3 , Mistake.

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, also the contact area 91 between the piston 9 and the housing 10 with such a coating 13 . 4 be coated. 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 bearing 12 , The rolling bearing cages, the axial discs or the like are also 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.The The layer system described above is self-evident also for other construction and functional units, such as Valve stems or valve stem supports, supporting and male elements, rolling bearing components, release bearing, Piston pin, bushings, control piston for example Injectors in the engine area, linear guides and other mechanically and tribologically highly stressed parts suitable.

Um das Beschichtungsverfahren an die jeweils angestrebten Eigenschaften der Beschichtung anzupassen und die Verschiedenartigkeit der unterschiedlichen Teilschichten auszuprägen, werden während der Beschichtung die folgenden Parameter angepaßt und gesteuert:
Substrattemperatur (T)
Beschichtungsdauer (t)
Aufheiz-, Abkühlgeschwindigkeit des Substrats bei der Beschichtung
Gasgemisch (N₂, H₂, Ar, TMT, TET, CH₄, TMS)
Prozessgasdruck (p) im Rezipienten
Gasdurchfluss (m)
Spannung (U)
Puls/Pausen-Verhältnis (PD/PP) des Plasmas
Verhältnis Zusatzheizung/PlasmaleistungIn order to adapt the coating process to the respective desired properties of the coating and to impress the diversity of the different partial layers, the following parameters are adapted and controlled during coating:
Substrate temperature (T)
Coating time (t)
Heating, cooling rate of the substrate during the coating
Gas mixture (N ₂ , H ₂ , Ar, TMT, TET, CH ₄ , TMS)
Process gas pressure (p) in the recipient
Gas flow (m)
Voltage (U)
Pulse / pause ratio (PD / PP) of the plasma
Ratio of additional heating / plasma power

Erfolgreiche Versuche zur Beschichtung metallischer Substrate mittels eines metallorganischen Precursors wurden mit folgenden Prozessparametern durchgeführt: Beschichtungstemperatur: 160–180°C Druck: 50–300 Pa Gasfluss: 20–60 l/h Plasmaparameter Spannung U: 450–650 V Bipolar gepulst 20–50 kHz Tastverhältnis PD/PP: 0,01–15 (PD: Pulsdauer; PP: Pulspause) Precursor/Verdampfertemperatur: Ti(NMe₂)₄: 35–55°C Ti(NEt₂)₄: 75–100°C CH₄ TMS 35°C Successful tests for the coating of metallic substrates by means of an organometallic precursor were carried out with the following process parameters: Coating temperature: 160-180 ° C Print: 50-300 Pa Gas flow: 20-60 l / h plasma parameters Voltage U: 450-650 V Bipolar pulsed 20-50 kHz Duty cycle PD / PP: 0.01-15 (PD: pulse duration, PP: pulse pause) Precursor / evaporator temperature: Ti (NMe ₂ ) ₄ : 35-55 ° C Ti (NEt ₂ ) ₄ : 75-100 ° C CH ₄ TMS 35 ° C

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Even though the present invention with reference to preferred embodiments described above, it is not limited thereto but modifiable in many ways.

11

Bauteil, Grundkörpercomponent body

22

zu beschichtende Flächeto coating area

33

HaftvermittlungsschichtBonding layer

44

Oberschichttop layer

55

Tassenstößeltappets

66

Nockecam

77

Ventilschaftvalve stem

88th

hydraulisches Abstützelementhydraulic supporting

99

Kolbenpiston

1010

Gehäusecasing

1111

Schlepphebelcam follower

1212

Wälzlagerroller bearing

1313

Unterschichtunderclass

5050

NockenkontaktflächeCam contact surface

5151

Tassenhemdcup shirt

9090

Kontaktbereich zwischen Kolben und Schlepphebelcontact area between piston and drag lever

9191

Kontaktbereich zwischen Kolben und Gehäusecontact area between piston and housing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (17)

Verfahren zum Aufbringen einer Unterschicht (13), bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid oder Bond eines Übergangsmetalls, insbesondere Ti N, Ti C, sowie einer darüber liegenden Oberschicht (4), die amorphen Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff enthält, auf einem metallischen Grundkörper (1), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch Anwendung eines Gleichstrom(DC-)Plasma-unterstützten CVD-Verfahrens die Unterschicht (13) aufgebracht und danach unter Anwendung desselben Verfahrens die Oberschicht (4) aufgebracht wird.Method for applying an underlayer ( 13 ), consisting of a carbide, a nitride or a bond of a transition metal, in particular Ti N, Ti C, and an overlying upper layer (US Pat. 4 ) containing amorphous carbon or hydrocarbon on a metallic base body ( 1 ), characterized in that first by using a DC (DC) plasma-assisted CVD method, the lower layer ( 13 ) and then, using the same procedure, the upper layer ( 4 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Unterschicht (13) und der Oberschicht (4) in derselben Beschichtungskammer mit derselben Beschichtungsvorrichtung durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that the application of the lower layer ( 13 ) and the upper class ( 4 ) is carried out in the same coating chamber with the same coating device. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Unterschicht (13) und der Oberschicht (4) unter Verwendung desselben Precursors durchgeführt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the application of the lower layer ( 13 ) and the upper class ( 4 ) is performed using the same precursor. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Unterschicht (13) als Precursor eine metallorganische Verbindung verwendet wird.Method according to claim 1 or one of the subsequent claims, characterized in that during the application of the lower layer ( 13 ) is used as precursor an organometallic compound. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Precursor Titan(IV)-Isopropylat oder eine Tetrakis(Diorganylamino)-Titan-Verbindung verwendet wird.Method according to claim 4, characterized in that in that the precursor is titanium (IV) isopropylate or a tetrakis (diorganylamino) titanium compound is used. 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-Plasma-unterstützten CVD-Verfahren aufgebracht wird.Method according to claim 1, 2, 4 or 5, characterized in that the upper layer ( 4 ) or a topcoat layer is applied using hydrocarbons or silanes as precursors in the DC plasma assisted CVD process. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb der Deckschicht oder der Oberschicht eine siliziumhaltige amorphe Kohlenwasserstoffschicht (3) als Haftvermittler im DC-Plasma-unterstützten CVD-Verfahren aufgebracht wird.A method according to claim 6, characterized in that immediately below the cover layer or the upper layer, a silicon-containing amorphous hydrocarbon layer ( 3 ) is applied as a primer in the DC plasma-assisted CVD process. 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.Method according to Claim 1 or one of the following, characterized in that the application of the lower layer ( 13 ), the upper class ( 4 ) and optionally the cover layer at substrate temperatures below 180 ° C is made. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma-gestützte CVD-Verfahren mit gepulstem DC-Plasma durchgeführt wird.Method according to claim 1 or one of the following characterized in that the DC plasma-enhanced CVD method is performed with pulsed DC plasma. Verfahren nach Anspruch 9, durch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma bipolar gepulst ist.Method according to claim 9, characterized by that the DC plasma is pulsed bipolar. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma bei einer Spannung zwischen 450 und 650 Volt gepulst ist.Method according to claim 10, characterized in that that the DC plasma is at a voltage between 450 and 650 volts is pulsed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das DC-Plasma mit einer Frequenz zwischen 20 und 50 kHz gepulst ist.Method according to claim 10, characterized in that that the DC plasma is pulsed at a frequency between 20 and 50 kHz is. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis von Pulsdauer zu Pulspause zwischen 0,01 und 15 liegt.A method according to claim 10, 11 or 12, characterized characterized in that the duty cycle of pulse duration to Pulse break is between 0.01 and 15. 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.Method according to Claim 1 or one of the following, characterized in that the metallic base body ( 1 ) before applying the undercoat ( 13 ) is purified using the DC plasma. Bauteil mit einem mechanischen Verschleiß ausgesetzten Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tribologische Beschichtung hergestellt ist nach einem der Ansprüche 1 bis 14.Component exposed to mechanical wear Surface, characterized in that a tribological Coating is produced according to one of claims 1 until 14. 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.Tappets ( 5 ), which is 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. 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.Roller bearing ( 12 ) with a tribological coating in the region of the raceways on the inside and / or Outer ring or on the surface of the rolling elements, produced according to one of claims 1 to 14.