DE102008022039A1

DE102008022039A1 - Verschleißschutzbeschichtung für auf Reibung beanspruchte Oberflächen von Bauteilen sowie Verfahren zur Ausbildung

Info

Publication number: DE102008022039A1
Application number: DE200810022039
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Weihnacht
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, die auf Oberflächen von auf Reibung und Verschleiß beanspruchten Bauteilen aufgebracht werden kann sowie Verfahren zur Ausbildung solcher Beschichtungen. Aufgabe der Erfindung ist es eine Verschleißschutzbeschichtung für Bauteile zur Verfügung zu stellen, die unter allen Einsatzbedingungen ein verbessertes Verschleiß- und Reibverhalten aufweisen. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung ist mit amorphem Kohlenstoff gebildet, wobei zumindest in Bereichen der Beschichtung mindestens 0,5 at-% Sauerstoff enthalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, die auf Oberflächen von auf Reibung und Verschleiß beanspruchten Bauteilen aufgebracht werden kann sowie Verfahren zur Ausbildung solcher Beschichtungen. Dabei können auch Werkzeuge, als mögliche Beispiele für bei der Erfindung einsetzbare Bauteile mit einer Verschleißschutzbeschichtung versehen werden. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung ist als wesentlicher Bestandteil mit amorphem Kohlenstoff, der häufig auch als diamantähnlicher Kohlenstoff bezeichnet wird, gebildet, der in den verschiedensten an sich bekannten Modifikationen, d. h. amorph und mit einer Mischung von Diamantbindungen (sp³-Hybridisierung) und Graphitbindungen (sp²-Hybridisierung), z. B. als tetraedisch gebundener Kohlenstoff (ta-C) vorliegen kann.
Oberflächen von Bauteilen, die beispielsweise beim Einsatz in Kontakt mit einem Gegenkörper gelangen und dabei mechanisch beansprucht werden, sind häufig mit Verschleißschutzbeschichtungen an ihren kritischen Oberflächen versehen worden. Hierfür werden neben den klassischen mit Hartstoffen gebildeten Beschichtungen auch solche, die mit diamatähnlichem Kohlenstoff DLC gebildet sind, eingesetzt. Es ist dabei bekannt, dass solche Beschichtungen die Gleiteigenschaften insbesondere bei Misch- und Trockenreibungsbedingungen verbessern und so der Verschleiß und der Reibkoeffizient verringert werden kann.
Dabei werden Beschichtungen eingesetzt in denen neben Kohlenstoff meist herstellungsbedingt noch Wasserstoff enthalten ist. DLC-Schichten werden z. T. auch gezielt mit zusätzlichen Dotierungselementen, wie z. B. W, Cr oder Si hergestellt.
Dabei ist häufig eine hohe Härte der Beschichtung gewünscht. Es hat sich aber gezeigt, dass unter tribologischem Aspekt und für eine Verschleißreduzierung beider Tribopartner eine hohe Härte nicht der alleinige vorteilhafte Parameter ist. Bei Kontakt der Oberflächen der Beschichtung und eines Gegenkörpers kommt es zu einem Werkstoffübertrag aus der Kohlenstoffschicht, die zur Bildung einer Transferschicht führt, wodurch die Gleiteigenschaften verbessert und der Reibungskoeffizient reduziert werden können. Die Art und Ausprägung der Transferschicht wird von den in den DLC-Schichten enthaltenen Dotierungselementen maßgeblich beeinflusst.
Bei einem Einsatz unter Vakuumbedingungen konnte die vorteilhafte Wirkung von DLC-Schichten nicht mehr festgestellt werden und der Reibungskoeffizient sowie der aufgetretene Verschleiß erhöhten sich erheblich.
Ausnahmen stellten lediglich Verschleißschutzbeschichtungen aus amorphem Kohlenstoff mit einem sehr hohen Wasserstoffanteil ( US 6,548,173 ) dar. Solche Beschichtungen sind aber eher polymerartig und weisen aus diesem Grunde auch eine geringe Härte auf, was wiederum eine geringere Verschleißfestigkeit hervorruft und die mechanische Festigkeit verringert. Ihre Resistenz gegenüber Abrasivverschleiß ist unbefriedigend. Diese Nachteile treffen auf alle Einsatzbedingungen zu.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Verschleißschutzbeschichtung für Bauteile zur Verfügung zu stellen, die unter allen Einsatzbedingungen ein verbessertes Verschleiß- und Reibverhalten aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Verschleißschutzbeschichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Sie kann mit einem Verfahren nach Anspruch 10 ausgebildet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung ist dabei mit amorphem Kohlenstoff gebildet, enthält aber zumindest in Bereichen der Beschichtung Sauerstoff mit einem Mindestanteil von 0,5 at-%. Die Ausbildung der Beschichtung mit dem amorphen Kohlenstoff kann dabei mit allen gängigen und geeigneten Verfahren zur Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten im Vakuum erfolgen. So kann z. B. mit PECVD-, PACVD-, verschiedenen Vakuumbogenverfahren, Magnetron- oder Ho chimpulssputtern gearbeitet werden.
Die Struktur des amorphen Kohlenstoffs kann unterschiedliche Verhältnisse an sp²- und sp³-Phase aufweisen.
Der maximale Anteil an in der Beschichtung enthaltenen Sauerstoff sollte 25 at-% betragen.
Eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung kann vollständig homogen ausgebildet werden, also der Beschichtungswerkstoff an jeder Position eine gleiche Konsistenz aufweisen.
Vorteilhaft kann es aber auch sein, einen Mehrlagenaufbau oder einen gradierten Aufbau einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung zu wählen, wobei dann unterschiedliche Sauerstoffanteile lokal differenziert vorliegen können.
So können in übereinander ausgebildeten einzelnen Lagen einer Beschichtung unterschiedliche Anteile an Sauerstoff oder auch mindestens eine Lage, die frei von Sauerstoff ist, vorhanden sein.
In diesen Fällen sollte der Sauerstoffanteil ausgehend von der Oberfläche des Bauteils bis hin zur Oberfläche in den einzelnen Lagen sukzessive ansteigen bzw. zumindest in der die Oberfläche der Beschichtung bildenden Lage Sauerstoff enthalten sein.
Ähnlich kann eine Beschichtung ausgebildet werden, in der der Sauerstoffanteil innerhalb der Beschichtung variiert. Hier ist es besonders günstig den Sauerstoffanteil ebenfalls ausgehend von der Oberfläche des Bauteils, auf der die Beschichtung ausgebildet ist, bis hin zur Oberfläche der Beschichtung ansteigen zu lassen.
Es können aber auch Wechselschichtsysteme ausgebildet werden, bei denen Lagen mit geringem Sauerstoffanteil oder sauerstofffreie Lagen mit Lagen, die einen höheren Sauerstoffanteil oder überhaupt Sauerstoff enthalten, alternierend angeordnet worden sind.
Mit den genannten Möglichkeiten können die unterschiedlichen Eigenschaften der jeweiligen Kohlenstoffkonfiguration gemeinsam ausgenutzt werden. So weisen Lagen oder Bereiche mit geringerem Sauerstoffanteil oder sauerstofffreie Lagen eine höhere Härte, als andere Lagen oder Bereiche mit Sauerstoff oder höherem Sauerstoffanteil auf.
Mit dem in der Beschichtung enthaltenen Sauerstoff kann eine Oxidschichtbildung auf dem jeweiligen Gegenkörper bei Reibkontakt erreicht werden, die das Gleit-, Einlaufverhalten verbessern und den Verschleiß insbesondere am Gegenkörper reduzieren kann. Dies erfolgt unabhängig davon, ob in der Umgebungsatmosphäre Sauerstoff bzw. ein Schmiermittel vorhanden ist oder nicht. Der vorteilhafte Effekt der Erfindung kann auch im Vakuum oder innerhalb inerter Atmosphäre, wie z. B. in Stickstoff ausgenutzt werden.
Der in der Verschleißschutzbeschichtung enthaltene Sauerstoff führt bei mechanischem Reibkontakt mit einem Gegenkörper zu einer schnellen und spontanen Oxidation der Gegenkörperoberfläche. Die so an der Oberfläche des Gegenkörpers gebildete Oxid-Triboreaktionsschicht schützt den Gegenkörper vor starkem Werkstoffabtrag und einer starken adhäsiven Wechselwirkung mit Kohlenstoff der Beschichtung oder abrasiven Wechselwirkung mit freigesetzten bzw. im kritischen Bereich vorhandenen abrasiv wirkenden Partikeln.
Wie bereits angesprochen kann die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung mit den verschiedensten Vakuumbeschichtungstechnologien erreicht werden. Dabei wird als Kohlenstoffquelle im Wesentlichen Graphit und/oder mindestens eine Kohlenwasserstoffverbindung eingesetzt. Bei PVD-Verfahren kann eine der Elektroden aus Graphit gebildet sein, von der ein Plasma und aus dem Plasma dann die Beschichtung auf der zu beschichtenden Oberfläche eines Bauteils gebildet werden. Die Zusammensetzung der Kohlenstoffschicht kann dabei durch das gewählte Beschichtungsverfahren und auch die Prozessparameter beeinflusst werden, wobei hier auf an sich Bekanntes zurückgegriffen werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Verschleißschutzbeschichtung wird aber zusätzlich reiner Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Gasgemisch zugeführt, mit dem in situ der Sauerstoff in den amorphen Kohlenstoff eingebaut werden kann.
Dabei muss nur dann ein solches Gas zugeführt werden, wenn in einem Bereich der Beschichtung Sauerstoff im amorphen Kohlenstoff enthalten sein soll. Die Zufuhr des jeweiligen Gases oder Gasgemisches sollte in den jeweiligen momentanen Schichtbildungsbereich erfolgen.
Vorteilhaft kann an Stelle von reinem Sauerstoff auch Kohlenmon- oder -dioxid eingesetzt werden. Es kann aber auch ein Gemisch, das mindestens zwei dieser Gase enthält, eingesetzt werden. Mit diesen Kohlenstoffoxiden kann die Beschichtungsrate gesteigert werden, da sie als zusätzliche Kohlenstoffquelle dienen können.
Der jeweilige Anteil an in der Beschichtung enthaltenem Sauerstoff kann über die gezielte Beeinflussung des Partialdrucks des zugeführten Gases oder Gasgemisches, den eingestellten Volumenstrom und/oder die Zusammensetzung eines Gasgemisches, auch temporär verändert, eingestellt werden.
Wie bereits angedeutet kann die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung auch mit einem Metall und/oder mindestens einem der Elemente Silicium, Stickstoff, Fluor oder Bor dotiert sein, das im amorphen Kohlenstoff gebunden ist, gebildet sein.
Sowohl das Bauteil, auf dem die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung ausgebildet werden soll, wie auch ein Gegenkörper können aus einem metallischen, keramischen oder polymeren Werkstoff gebildet sein. Bauteil und Gegenkörper können auch aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein. Es kann auf einen Einsatz von Schmiermittel verzichtet werden. Werden Schmiermittel eingesetzt, kann deren Wirkung verbessert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Beispiels näher erläutert werden.
Dabei wurde für die Ausbildung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung von einem als Kathode geschalteten Target aus Graphit mit elektrischer Bogenentladung ein ionisiertes Plasma innerhalb einer Vakuumkammer gebildet und in Richtung eines zu beschichtenden Bauteils aus Stahl gerichtet.
In die Vakuumkammer wurde Kohlendioxid eingeführt und auf einen Druck von 0,5 Pa geregelt. Dadurch konnte eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung mit einem Anteil an Sauerstoff von ca. 10 at-% ausgebildet werden.
Bei Untersuchungen im Schwingverschleißtest an Luft gegen eine Stahlkugel, als Gegenkörper, konnte der Reibungskoeffizient um ca. 25% auf 0,095 reduziert werden. Beim einem weiteren Schwingverschleißtest wurden die gleichen Parameter, wie oben beschrieben, nur mit einer anfänglichen Benetzung des Oberflächenkontaktbereichs mit Öl, eingehalten. Bei Einsatz eines Schmiermittels (z. B. ein Getriebeöl 10W60 der Fa. Castrol) konnte eine Reibwertabsenkung von 3,3% auf 0,087 erreicht werden.
Dieser Sachverhalt spiegelt sich auch im mit 1 gezeigten Diagramm wieder.
Dabei wurden im Schwingungsvergleißtest an Luft eine Stahlkugel 100Cr6 Duchmesser 10 mm und ein mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung und einer Beschichtung nach dem Stand der Technik versehenes Bauteil geprüft. Der Test wurde über eine Zeitdauer von 1 h, bei wirkender Normalkraft von 21 N, einer Schwingfrequenz von 10 Hz, einem Schwingweg von 1 mm bei einer Luftfeuchte von 45% durchgeführt.
Dabei wurde bei den für die Untersuchung eingesetzten Bauteilsubstraten die Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff vom Grundtyp ta-C mittels Vakuumbogenverdampfen unter Einsatz einer Kathode aus Graphit abgeschieden. Dabei wurde in einer Vakuumkammer, in der der Vakuumbogenverdampfer mit der Graphitkathode an der Kammerseitenwand angeordnet war, gearbeitet. Im Zentrum der Vakuumkammer war ein um zwei Achsen rotierendes Substrathalter-Planetary-System, an dem die Substrate für die Bauteile befestigt waren, angeordnet. Vor der Abscheidung der Beschichtung wurden eine Plasmareinigung mit Ar-Ionen und dann eine Abscheidung einer Zwischenschicht aus Cr, mit einer Dicke von ca. 0,1 μm, durchgeführt.
Die Abscheidung für die Beschichtungen erfolgte bei einem Ar-Druck von 5·10^–3 Pa mit einer gepulst betriebenen elektrischen Bogenentladung bei einer mittleren elektrischen Stromstärke von 100 A auf die zweifach rotierende Substratoberfläche. Die Abscheidung wurde dabei über einen Zeitraum von 60 min durchgeführt. Die Dicke der Beschichtung lag bei 2,5 μm und sie wies eine Härte von 55 GPA, gemessen mit Nanointender, auf.
Bei der Abscheidung der erfindungsgemäßen Beschichtung, die Sauerstoff enthalten sollte, wurde zusätzlich nach 15 min Abscheidezeit Kohlendioxid über ein Nadelventil eingelassen, bis ein Kammerinnendruck von 0,5 Pa eingestellt war. Dieser Druck wurde über die restliche für die Abscheidung der Beschichtung erforderliche Zeit konstant gehalten, wobei Kohlendioxid in geregelter Form zugeführt wurde. Die so erhaltene Beschichtung mit dem im amorphen Kohlenstoff enthaltenen Sauerstoff hatte ein Dicke von 3,0 μm und erreichte eine Härte von 15 GPa, ebenfalls mit Nanointender gemessen. Bei der Elementanalyse, die mit einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt wurde, konnte ein Anteil an Sauerstoff von 10 at-% festgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6548173 [0006]

Claims

Verschleißschutzbeschichtung für auf Reibung und Verschleiß beanspruchte Oberflächen von Bauteilen, die mit amorphem Kohlenstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Bereichen der Beschichtung mindestens 0,5 at-% Sauerstoff enthalten ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Anteil an Sauerstoff von 25 at-% enthalten ist.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren übereinander ausgebildeten Einzellagen gebildet und dabei in den einzelnen Schichten der Anteil an Sauerstoff unterschiedlich hoch ist.
Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der einzelnen Lagen kein Sauerstoff enthalten ist.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil ausgehend von der Bauteiloberfläche bis zur an der Oberfläche der Beschichtung ausgebildeten Lage sukzessive ansteigt oder zumindest Sauerstoff in der die Oberfläche der Beschichtung bildenden Lage enthalten ist.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anteil an Sauerstoff innerhalb der Beschichtung ausgehend von der Oberfläche des Bauteils bis hin zur Oberfläche der Beschichtung kontinuierlich verändert.
Beschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil an der Oberfläche der Beschichtung am höchsten ist.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der amorphe Kohlenstoff ein ta-C:O, a-C:O oder a-C:H:O ist.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im amorphen Kohlenstoff zusätzlich mindestens ein weiteres chemisches Element in Form einer Dotierung enthalten ist.
Verfahren zur Ausbildung einer Verschleißschutzbeschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf der Oberfläche eines Bauteils; bei dem die Beschichtung durch ein CVD- oder PVD-Verfahren unter Einsatz von Graphit und/oder mindestens einer Kohlenwasserstoffverbindung als Kohlenstoffquelle ausgebildet wird; wobei zumindest temporär zusätzlich reiner Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Gasgemisch in den Schichtbildungsbereich zugeführt wird, mit dem Sauerstoff in den amorphen Kohlenstoff eingebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas reiner Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder ein Gemisch mindestens zweier dieser Gase zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Gas mit einstellbarem Partialdruck oder Volumenstrom zugeführt wird, um den Sauerstoffanteil in der Beschichtung lokal differenziert einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszusammensetzung bei der Ausbildung der Beschichtung verändert wird, so dass der im amorphen Kohlenstoff enthaltene Sauerstoff innerhalb der Beschichtung gezielt beeinflusst wird.