DE102016222945A1

DE102016222945A1 - Anordnung von zylinderförmigen Bauteilen in einer Beschichtungskammer zur Beschichtung der Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile mittels Gasphasenabscheidung und Verfahren zur Beschichtung der Innenflächen von zylinderförmigen Bauteilen

Info

Publication number: DE102016222945A1
Application number: DE102016222945.1A
Authority: DE
Inventors: Marco Wiethop; Ifakat Seda Erbas Nowag; Daniel Szczepanski
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von zylinderförmigen Bauteilen (10) in einer Beschichtungskammer (12) zur Beschichtung der Innenflächen (34) der zylinderförmigen Bauteile (10) mittels Gasphasenabscheidung, wobei die Beschichtungskammer (12) eine nach außen abdichtende Umfangswand (14) aufweist, wobei an einer Einlassseite (16) ein Gaseinleitungssystem (18) mit mindestens einer Gaseinlassöffnung (20) angeordnet ist und wobei auf einer der Einlassseite (16) gegenüberliegenden Auslassseite (24) mindestens eine Pumpe (28) zum Fördern von Gas aus der Beschichtungskammer (12) angeordnet ist, wobei in der Beschichtungskammer (12) die zu beschichtenden Bauteile (10) derart angeordnet sind, dass die Axialrichtung der Bauteile (10) von der Einlassseite (16) zu der Auslassseite (24) verläuft und mehrere Bauteile (10) in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung von Innenflächen (34) von zylinderförmigen Bauteilen (10) in einer Beschichtungskammer (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von zylinderförmigen Bauteilen in einer Beschichtungskammer zur Beschichtung der Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile mittels Gasphasenabscheidung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung von Innenflächen von zylinderförmigen Bauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anordnung von Zylinderrohren von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und ein Verfahren zur Beschichtung der Laufflächen solcher Zylinderrohre.
Aus DE 196 23 577 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur PVD-Beschichtung einer zylindrischen Innengleitfläche von Aluminium-Gussteilen, insbesondere von Zylinderwandungen eines Ottomotors, bekannt. Dabei bilden die Innengleitflächen eines Zylinderblocks zusammen mit einem Deckel und einem Boden die Beschichtungskammer. In dem Boden sind Gas- und Vakuumanschlüsse angeordnet. Als Kathoden werden deckelseitig angeordnete Stabkathoden verwendet. Als abgeschiedene Schicht ist zuerst eine TiAI-Schicht und dann eine Deckschicht aus Ti, Si, Al und/oder Cr mit B, C, N, oder O vorgesehen.
Aus KR 2016 000 11 33 U ist es ebenfalls bekannt, ein zylinderförmiges Rohr mittels PVD-Verfahren zu beschichten, wobei das Rohr als Beschichtungskammer selbst dient. Das Rohr wird dazu an beiden Enden dicht verschlossen. An einem Ende des Rohres werden die Gase eingeführt, und an dem anderen Ende ist eine Pumpe zur Evakuierung des Rohres angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von zylinderförmigen Bauteilen in einer Beschichtungskammer sowie ein Verfahren zur Beschichtung von zylinderförmigen Bauteilen zur Verfügung zu stellen, wobei die Innenflächen großer Stückzahlen von zylinderförmigen Bauteilen gleichzeitig homogen beschichtet werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung sind zylinderförmige Bauteile in einer Beschichtungskammer zur Beschichtung der Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile mittels Gasphasenabscheidung - insbesondere zur CVD-Beschichtung (chemical vapor deposition), zur PE-CVD-Beschichtung (plasma-enhanced CVD) oder zur PA-CVD-Beschichtung (plasmaassisted CVD) - in einer Beschichtungskammer mit einer nach außen abdichtenden Umfangswand angeordnet, wobei im Bereich einer Einlassseite der Beschichtungskammer ein Gaseinleitungssystem mit mindestens einer Gaseinlassöffnung angeordnet ist und wobei auf einer - insbesondere der Einlassseite gegenüberliegenden - Auslassseite mindestens eine Pumpe zum Fördern von Gas aus der Beschichtungskammer angeordnet ist. In der Beschichtungskammer sind die zylinderförmigen Bauteile derart angeordnet, dass die Axialrichtung der Bauteile von der Einlassseite zu der Auslassseite verläuft und mehrere Bauteile in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind. Der Erfindung liegt die Grundidee zugrunde, eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine Vielzahl von zylinderförmigen Bauteilen gleichzeitig in einer Beschichtungskammer mit einer Beschichtung versehen werden können. Bei den zylinderförmigen Bauteilen handelt es sich insbesondere um Zylinderrohre, die als Brennraum für eine Brennkraftmaschine dienen sollen. Das Gaseinleitungssystem kann insbesondere eine Vielzahl von Öffnungen entlang einer Seite der Beschichtungskammer umfassen und/oder lanzenartige Vorrichtungen, die sich von einer Einlassseite aus in die zylinderförmigen Bauteile hinein erstrecken. In beiden Fällen ist die Anordnung so ausgelegt, dass für die Beschichtung eine Gasströmung von den Öffnungen des Gaseinleitungssystem durch eine Vielzahl von zylinderförmigen Bauteilen hindurch in axialer Richtung der Bauteile zu der Auslassseite erzeugt wird.
Wie bereits erwähnt, sind die Einlassseite und die Auslassseite vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet. Dabei können die Einlassseite und die Auslassseite beliebig in einer Beschichtungskammer orientiert sein, beispielsweise entlang von sich in Hochrichtung erstreckenden, gegenüberliegenden Seitenwänden, entlang einer Bodenwand und einer Deckwand oder auch beliebig quer durch eine Beschichtungskammer.
Wenn eine Vielzahl von Bauteilen beschichtet werden sollen, können mehrere zu beschichtende Bauteile in der Beschichtungskammer auch übereinander gestapelt angeordnet sein. Dabei sind auch die auf anderen Bauteilen aufliegenden Bauteile vorzugsweise jeweils in einer oder mehreren Reihen von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Bauteilen angeordnet.
Statt die Bauteile unmittelbar übereinander zu stapeln, kann auch mindestens eine Haltevorrichtung zur Anordnung der zu beschichtenden Bauteile in der Beschichtungskammer angeordnet sein. Eine Haltevorrichtung zur Anordnung der zu beschichtenden Bauteile ist insbesondere regalartig ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Etagen auf, um die Bauteile etagenweise anordnen können. Bevorzugt sind in jeder Etage mehrere Bauteile derart in einer Reihe hintereinander angeordnet, dass benachbarte Bauteile mit ihren Stirnseiten unmittelbar aneinander anliegend als hohlzylindrisches Gesamtgebilde angeordnet sind oder dass alle Bauteile mittels Zwischenelementen zu einem hohlzylindrischen Gesamtgebildet aneinander anliegend angeordnet sind. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass die zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteile in einfacher Weise und ohne großen Montageaufwand auf der Haltevorrichtung angeordnet werden können. Die Anordnung auf der Haltevorrichtung kann auch automatisiert erfolgen, insbesondere mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Handlingvorrichtungen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, jedes Bauteil einzeln abzudichten, um mit dem Bauteil selbst eine Beschichtungskammer zu bilden. Abgedichtet ist nur die Beschichtungskammer nach außen über deren Umfangswand. Die Beschichtungskammer kann eine beliebige Geometrie aufweisen, insbesondere eine quaderförmige oder eine zylinderförmige Geometrie.
Als Haltevorrichtung kann insbesondere ein einfahrbarer und ausfahrbarer Wagen dienen. Ein solcher Wagen hat den Vorteil, dass die Haltevorrichtung außerhalb der Beschichtungskammer mit den zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteilen bestückt werden und dann in die Beschichtungskammer eingefahren werden kann. Das Gleiche gilt für die Entnahme der beschichteten Bauteile, welche nach einem Ausfahren des Wagens komfortabel entnommen und weiterverarbeitet werden können. Für das Ein- und Ausfahren kann auch ein Schienensystem vorgesehen sein, insbesondere um eine exakte Positionierung des Wagens innerhalb der Kammer ohne großen Aufwand sicherstellen zu können und das Ein- und Ausfahren besser automatisieren zu können. Die Beschichtungskammer kann auch zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Türen aufweisen, um die zu beschichtenden Bauteile durch eine Tür einfahren und durch die gegenüberliegende Tür nach der Beschichtung wieder ausfahren zu können. In diesem Fall müssen Wägen für das Ein- und Ausfahren nur in eine Richtung angetrieben und durch die Beschichtungskammer gefördert werden. So kann auch die Standzeit der Beschichtungskammer erhöht werden, indem die reinen Nutzzeiten der Beschichtungskammer für die Beschichtung selbst erhöht und die Prozess-Nebenzeiten zur Vor- und Nachbereitung (Rüstzeiten) der Beschichtungskammer reduziert werden.
Wenn die Einlassseite sich zumindest teilweise entlang einer Seite der Beschichtungskammer erstreckt, insbesondere auf einer der Auslassseite gegenüberliegenden Seite der Beschichtungskammer, kann durch die Anordnung der zylinderförmigen Bauteile mit einer von der Einlassseite zu der Auslassseite verlaufenden Axialrichtung Gas von der Einlassseite über Eintrittsöffnungen gezielt in die Stirnseiten der jeweils der Einlassseite am nächsten angeordneten Bauteile durch eine Reihe von Bauteilen hindurch zu der Auslassseite geleitet werden. In diesem Fall durchströmt das Gas sämtliche Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile, und es kann eine homogene Beschichtung der Innenflächen erzielt werden.
Mit einer wie vorstehend beschriebenen Anordnung lassen sich großvolumige Beschichtungskammern realisieren, in welchen eine Vielzahl von zylinderförmigen Bauteilen gleichzeitig beschichtet werden können, insbesondere solche mit einem Innenvolumen von mindestens 10 m³, bevorzugt mindestens 25 m³ und weiter bevorzugt mindestens 50 m³ oder sogar 100 m³. Bevorzugt ist das Innenvolumen so ausgelegt, dass mindestens 70 Bauteile in Form von Zylinderrohren für LKWs gleichzeitig in der Beschichtungskammer mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Bauteilen beschichtet werden können, vorzugsweise mindestens 120 Bauteile und besonders bevorzugt mindestens 200 oder mindestens 250 Bauteile.
Für die Beschichtung von für PKW vorgesehene Zylinderrohre ist das Volumen einer Beschichtungskammer bevorzugt so gewählt, dass mindestens 200 Bauteile gleichzeitig angeordnet und beschichtet werden können, weiter bevorzugt mindestens 400 Bauteile und besonders bevorzugt mindestens 600 Bauteile.
In einer praktischen Ausführungsform sind die Bauteile in der Beschichtungskammer mittels der Haltevorrichtung gegenüber dem Gaseinleitungssystem derart angeordnet, dass die Einleitung von Gas über mindestens je eine Gaseinlassöffnung in ein der Einlassseite am nächsten angeordnetes Bauteil erfolgt. Dazu ist insbesondere - in Hochrichtung und in Querrichtung betrachtet - mindestens jeweils eine Gaseinlassöffnung für jeweils ein der Einlassseite am nächsten kommendes Bauteil vorgesehen. Mit „am nächsten kommend“ sind diejenigen Bauteile gemeint, welche - wenn sich eine Einlassseite entlang einer äußeren Wand der Beschichtungskammer erstreckt - außenseitig unmittelbar benachbart zu der Einlassseite in der Haltevorrichtung angeordnet sind.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Gaseinlassöffnungen nur einen geringen Abstand zu den nächstkommenden Bauteilen aufweisen, insbesondere in einem Abstand zu den Stirnseiten von weniger als 5 cm, bevorzugt weniger als 3 cm und besonders bevorzugt weniger als 1 cm. So kann erreicht werden, dass der aus der jeweiligen Gaseinlassöffnung austretende Gasstrom überwiegend oder ausschließlich in den zylindrischen Hohlraum des jeweils benachbart angeordeten Bauteils einströmt und somit nur wenig oder kein Gas einen anderen Strömungsweg zu der Auslassseite nimmt. Die Beschichtungsrate auf den Innenflächen ist damit besonders hoch, und der Gasverbrauch kann insgesamt gering gehalten werden.
Insbesondere erfolgt die Einleitung von Gas jeweils konzentrisch in die Stirnseiten der zylinderförmigen Bauteile. Von der Gaseinlassöffnung strömt der Gasstrom entlang deren Mittelachse in Axialrichtung durch die gebildeten Reihen von Bauteilen. Damit wird eine in Umfangsrichtung der Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile gleichmäßige Beschichtung erzielt.
Alternativ oder in Ergänzung kann Gas auch tangential schräg so in das Innere der zylinderförmigen Bauteile eingeleitet werden, dass das Gas mit einem Drall versehen wird und wendelförmig durch die Rohre strömt.
Als Gaseinleitungssystem kann mindestens eine stabförmige Lanze mit mindestens einer Gasaustrittsöffnung vorgesehen sein, wobei die Lanze in die zylinderförmigen Bauteile hineinragend angeordnet ist. Insbesondere kann eine Lanze derart ausgebildet sein, dass sie sich durch mehrere - insbesondere sämtliche - in Axialrichtung hintereinander angeordnete Bauteile erstreckt. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn für jedes zu beschichtende Bauteil mindestens eine Gaseinlassöffnung an der Lanze ausgebildet ist. Es können auch über den Umfang der Lanze und/oder über die Länge der Lanze verteilt für ein Bauteil mehrere Gaseinlassöffnungen vorgesehen sein.
Eine Lanze ist vorzugsweise konzentrisch zu den zylinderförmigen Bauteilen angeordnet. Die Homogenität der Beschichtung in Axialrichtung und in Umfangsrichtung kann mittels einer Lanze verbessert werden, insbesondere wenn eine Vielzahl von Gaseinlassöffnungen je Bauteil vorgesehen sind. Vorzugsweise ist jeder Reihe an hintereinander angeordneten Bauelementen genau eine Lanze zugeordnet. Beispielsweise können eine Lanze je Reihe oder zwei Lanzen je Reihe vorgesehen sein. Wenn eine Lanze je Reihe vorgesehen ist, erstreckt sich diese vorzugsweise von einer Einlassseite aus durch alle in dieser Reihe angeordneten Bauteile hindurch. Wenn zwei Lanzen je Reihe vorgesehen sind, erstrecken sich diese vorzugsweise jeweils von außen in etwa bis zur Mitte jeweils ungefähr durch die Hälfte aller Bauteile einer Reihe.
Die Gaseinlassöffnungen in einer Lanze können in verschiedenen Geometrien ausgebildet sein, insbesondere als Löcher, Düsen oder Schlitze, die jeweils über den Umfang verteilt und/oder in Axialrichtung zueinander beabstandet angeordnet sein können.
Die Gasaustrittsöffnungen in einer Lanze können in Axialrichtung betrachtet von der Einlassseite der Beschichtungskammer zu der Auslassseite der Beschichtungskammer geringfügig größer werden, um dem Effekt Rechnung zu tragen, dass die Menge von an einem Bauteil vorbeiströmendem Gas mit zunehmender Entfernung von der Einlassseite abnimmt, wenn das Gas von einer Einlassseite zu einer gegenüberliegenden Auslassseite strömt. Vorzugsweise ist daher durch eine geeignete Anpassung der Strömungsquerschnitte der Gasaustrittsöffnungen die Gasmenge für jedes Bauteil so ausgelegt, dass insgesamt an jedem Bauteil eine homogene und in der Dicke übereinstimmende Beschichtung der zylinderförmigen Bauteile erfolgt, unabhängig von der Position des Bauteils innerhalb der Beschichtungskammer (in Axialrichtung betrachtet).
Optional können die Lanzen rotierbar angeordnet und/oder ausgebildet sein, um die Homogenität der Beschichtung der Innenflächen weiter zu verbessern.
Eine Lanze oder mehrere Lanzen können auch Teil der Haltevorrichtung sein und über eine Kopplungsvorrichtung mit dem Gaseinlasssystem verbindbar ausgebildet sein. In diesem Fall kann bei der Anordnung von Bauteilen auf der Haltevorrichtung bereits sichergestellt werden, dass die Bauteile relativ zu der jeweiligen Lanze korrekt ausgerichtet sind.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die mindestens eine Pumpe über mindestens eine Gasaustrittsöffnung fluidal mit der Auslassseite der Beschichtungskammer verbunden. Mit der Pumpe lässt sich demnach ein gerichteter Gasstrom von der Einlassseite zu der Auslassseite erzeugen, insbesondere wenn die Einlassseite zumindest teilweise der Auslassseite gegenüberliegend angeordnet ist. Insbesondere sind die Pumpe und/oder das Gaseinleitungssystem derart ausgelegt, dass ein Druckgefälle erzeugbar ist, gemäß welchem der Druck an der Einlassseite zwischen 1,1 Mal und 100 Mal höher ist als an der Auslassseite, bevorzugt zwischen 1,1 Mal und 10 Mal höher. Für diese Druckangabe und alle nachfolgenden Druckangaben relevant ist der absolute Druck, gemessen in der SI-Einheit Pascal (Pa). Mittels eines solchen Druckgefälles kann sichergestellt werden, dass sich auch ohne weitere Abdichtungsmaßnahme zwischen der Einlassseite und der Auslassseite eine gerichtete Strömung einstellt und das Gas eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit erreicht, um auch an den im Bereich der Auslassseite angeordneten Bauteilen in einer ausreichenden Konzentration für die Erzeugung einer gewünschten Beschichtung vorzuliegen.
Es können mehrere Gasaustrittsöffnungen und/oder Pumpen derart angeordnet sein, dass diese jeweils in axialer Verlängerung der Gaseinlassöffnungen auf der Einlassseite angeordnet sind, vorzugsweise derart, dass sich für jede Etage und/oder Reihe hintereinander angeordneter Bauteile eine zu der Axialrichtung parallele Strömung mit separater Gaseinlassöffnung und separater Gasaustrittsöffnung durch die Bauteile ergibt.
Insbesondere in Verbindung mit einer plasmaunterstützten Beschichtung dient - in einer besonders kompakten Ausführungsform - eine Umfangswand der Beschichtungskammer als Teil einer ersten Elektrode und die Haltevorrichtung und/oder mindestens eine elektrisch gegenüber der Beschichtungskammer isolierte, stabförmige Lanze als Teil einer zweiten Elektrode. Wenn die Haltevorrichtung als zweite Elektrode dient, erstreckt sich die zweite Elektrode dabei über die Haltevorrichtung auch auf die zylinderförmigen Bauteile selbst. Zur Erzeugung eines Plasmas ist eine Plasmaquelle vorgesehen, bevorzugt eine RF-Plasmaquelle, welche in elektrisch leitender Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode steht.
Die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich besonders flexibel handhaben, wenn das Gaseinleitungssystem mehrere über die Höhe und/oder Breite der Beschichtungskammer verteilte Gaseinlassöffnungen aufweist, wobei eine Steuerung zur bedarfsweisen Aktivierung und Deaktivierung bestimmter Gaseinlassöffnungen vorgesehen ist. Die Steuerung kann dabei mechanisch und/oder elektronisch erfolgen. Je nach Größe bzw. Durchmesser der zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteile können diejenigen Gasaustrittsöffnungen aktiviert werden, welche erforderlich sind, um einen Gasaustritt jeweils konzentrisch zu den zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteilen zu erzielen. Alle übrigen Gasaustrittsöffnungen können dann deaktiviert sein.
Alternativ oder in Ergänzung dazu kann auch die Haltevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die einzelnen Etagen und/oder Reihen, in welchen die Bauteile angeordnet sind, je nach Größe bzw. Durchmesser der Bauteile relativ zu dem Gaseinlasssystem verstellbar sind. In diesem Fall ermöglicht auch die Haltevorrichtung eine Anpassung der Reihen von Bauteilen derart, dass die jeweiligen Gaseinlassöffnungen konzentrisch zu den jeweiligen Reihen von Bauteilen angeordnet sind.
Es kann eine optionale Spannvorrichtung vorgesehen sein, mit welcher in Axialrichtung in einer Reihe hintereinander angeordnete Bauteile jeweils mit ihren aneinander angrenzenden Stirnseiten aneinander gepresst werden, um einen verbesserten Reihenverbund zu erzielen. Als Spannvorrichtung können insbesondere jeweils mindestens zwei Spannelemente dienen, welche in Axialrichtung relativ zueinander verfahrbar sind. Vorzugsweise werden die jeweils äußersten Bauteile mit Hilfe der Spannelemente derart aufeinander zu verspannt, dass jeweils eine Reihe axial hintereinander angeordneter Bauteile zu einer hohlzylindrischen „Hülse“ verspannt sind. Dabei sind die Spannelemente bevorzugt derart ausgelegt, dass eine stirnseitige Eintrittsöffnung für eine Lanze und/oder über eine Gaseinlassöffnung einströmendes Gas frei bleibt.
Wie bereits erwähnt, können jeweils zwischen zwei benachbarten Bauteilen Stützhülsen eingesetzt werden, um die Bauteile in Querrichtung zueinander auch dann ausreichend zu stabilisieren, wenn mittels der Spannvorrichtung eine in Axialrichtung wirkende Spannkraft auf eine Reihe ausgeübt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung von Innenflächen von zylinderförmigen Bauteilen in einer Beschichtungskammer, insbesondere zur Beschichtung von Zylinderlaufbahnen von Zylinderrohren von Brennkraftmaschinen. Die Beschichtungskammer weist eine nach außen abdichtende Umfangswand auf, wobei Gas von einer Einlassseite über mindestens eine Gaseinlassöffnung in die Beschichtungskammer eingeleitet wird und an einer gegenüberliegenden Auslassseite über mindestens eine Gasaustrittsöffnung aus der Beschichtungskammer austritt. In der Beschichtungskammer werden eine Vielzahl von Bauteilen angeordnet und zur Beschichtung wird ein Druckgradient zwischen der Gaseinlassöffnung und der Gasaustrittsöffnung erzeugt, wobei der Druck im Bereich der Gaseinlassöffnung zwischen 1,1 und 100 mal höher ist, bevorzugt zwischen 1,1 Mal und 10 Mal höher, als im Bereich der Gasaustrittsöffnung. Die Druckdifferenz zwischen der Gaseinlassöffnung und der Gasaustrittsöffnung liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 50 Pa bis 500 Pa.
Mit einem derartigen Druckgradienten von der Einlassseite zu der Auslassseite kann eine gerichtete Gasströmung erzielt werden, die durch eine Vielzahl von hintereinander angeordneten zylinderförmigen Bauteilen strömt. Eine solche gerichtete Strömung ist insbesondere in Verbindung mit wie vorstehend beschriebenen Anordnungen von Vorteil, vor allem in Verbindung mit Anordnungen, bei welchen sich mehrere Gaseinlassöffnungen entlang einer Seite einer Beschichtungskammer erstrecken und mindestens eine Gasaustrittsöffnung auf der gegenüberliegenden Seite der Beschichtungskammer angeordnet ist. Mittels des Druckgefälles wird - insbesondere in diesem Fall - eine homogene Verteilung des Gases und damit eine homogene Schichtdicke über sämtliche in Axialrichtung hintereinander angeordnete zylinderförmige Bauteile realisiert. Insbesondere kann mit diesem Verfahren die Beschichtung von zylinderförmigen Bauteilen in einer wie oben beschriebenen Anordnung in einer Beschichtungskammer erfolgen.
Ein Verfahren zur Beschichtung von zylinderförmigen Bauteilen kann insbesondere folgende konkreten Verfahrensschritte umfassen:

a) Relatives Anordnen von zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteilen in der Beschichtungskammer;
b) Evakuieren der Beschichtungskammer mit mindestens einer an der Auslassseite der Beschichtungskammer angeordneten Pumpe bis zu einem mittleren Kammerdruck p_m zwischen 20 Pa bis 1000 Pa, vorzugsweise 50 Pa bis 500 Pa;
c) Einstellen einer Temperatur in der Beschichtungskammer in einem Bereich zwischen 100°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 180°C und 250°C;
d) Einleiten von kohlenstoffhaltigem Gas in die Beschichtungskammer über ein an der Einlassseite angeordnetes Gaseinleitungssystem, insbesondere Einleiten von methanhaltigem Gas in die Beschichtungskammer über ein an der Einlassseite angeordnetes Gaseinleitungssystem;
e) Erzeugung eines Plasmas in der Beschichtungskammer mittels einer Plasmaquelle;
f) Abscheiden einer DLC-Schicht (diamond-like-carbon) mit einer Dicke zwischen 0,1 µm und 40 µm, bevorzugt zwischen 0,1 µm und 20 µm, auf den Innenflächen der Bauteile;
g) Abschalten der Plasmaquelle, Schließen des Gaseinleitungssystems oder Einleitung eines Gases zur Kühlung, vorzugsweise Stickstoff, Einstellen einer vorgegebenen Abkühltemperatur.

Bei Schritt a) werden die zylinderförmigen Bauteile optional auf einer Haltevorrichtung in Form eines Regalsystems angeordnet. Eine derartige Haltevorrichtung kann außerhalb der Beschichtungskammer bestückt werden und vollständig in die Beschichtungskammer eingefahren werden. Insbesondere kann das Ein- und Ausfahren über eine Art Schleuse realisiert werden, so dass ein vollständiges Belüften der Beschichtungskammer durch längeres Öffnen vermieden und die Zeit des späteren Evakuierens kurz gehalten werden kann. Mittels einer Haltevorrichtung, auf der die zylinderförmigen Bauteile angeordnet sind, kann eine große Anzahl von Bauteilen in der Beschichtungskammer beschichtet werden. Insbesondere können die Bauteile derart angeordnet werden, dass diese in Axialrichtung hintereinanderliegend in einer Reihe angeordnet sind. Für die Beschichtung kann dabei eine Umfangswand der Beschichtungskammer als eine erste Elektrode dienen, während die Bauteile gemeinsam mit einer Haltevorrichtung, auf welcher die Bauteile angeordnet sind, als zweite Elektrode dienen.
Alternativ kann auch eine Beschichtungskammer derart als Ganzes oder in Teilelementen verfahrbar ausgebildet sein, dass die relative Anordnung gemäß Schritt a) durch Bewegen der Beschichtungskammer oder Bewegen einzelner Teilelemente der Beschichtungskammer die Beschichtungskammer um das Regalsystem positioniert wird, beispielsweise durch Positionieren des Regalsystems auf dem Boden der Kammer und durch glockenartiges Aufsetzen (Überstülpen) der Seitenwände und der Deckwand der Kammer.
Eine DLC-Beschichtung, insbesondere für Zylinderrohre von Brennkraftmaschinen, hat sich als besonders verschleißbeständig und somit langlebig erwiesen. Zudem weisen DLC-Beschichtungen sehr niedrige Reibungszahlen/Reibungskoeffizienten in Verbrennungsmotoren auf und leisten somit einen wichtigen Beitrag, um den Kraftstoffverbrauch der Motoren und damit auch die CO2-Emissionen zu reduzieren. Vorzugsweise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren DLC-Schichten mit einer Härte von 15 bis 40 GPa erzeugt, bevorzugt mit einer Härte von 18 bis 30 GPa (jeweils ermittelt durch Nanoindentation). Der Elastizitätsmodul der abgeschiedenen Schichten liegt vorzugsweise zwischen 100 und 300 GPa, besonders bevorzugt zwischen 160 und 250 GPa.
Vor der Beschichtung der Innenflächen werden die zylinderförmigen Bauteile vorzugsweise gereinigt. Dabei hat sich, insbesondere zur Entfernung von Ölrückständen eines Honungsvorgangs, folgende Reinigung als besonders effizient erwiesen: Tauchreinigung der Bauteile in einer wässrigen Seifenlösung, gegebenenfalls mit Ultraschallunterstützung (ggf. erhöhten Temperaturen, vorzugsweise zwischen 60°C und 90°C), anschließende chemische Reinigung (ggf. ebenfalls zusätzlich mit Ultraschall und bei erhöhten Temperaturen bis zu 200°C) in einer Vakuumkammer und Trocknen mittels Vakuumtrocknen und Ausgasen der Bauteile.
Zur Erzeugung eines Härtegradienten über die abgeschiedene Schicht und um die Haftung der abgeschiedenen Schicht (insbesondere einer DLC-Schicht) zu verbessern, kann vor Schritt b) optional mindestens eine Zwischenschicht abgeschieden werden. Als Zwischenschicht wird vorzugsweise eine Siliziumschicht und/oder eine Siliziumcarbidschicht abgeschieden. Die Siliziumschicht und/oder die Siliziumcarbidschicht wird in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 400°C abgeschieden, bei einem mittleren Kammerdruck von 50 Pa und 500 Pa. Die Dicke der Schichten wird vorzugsweise jeweils zwischen 0,1 µm und 5 µm erzeugt. Eine Zwischenschicht kann auch einen Härtegradienten und/oder einen Elastizitätsmodul-Gradienten innerhalb der Zwischenschicht aufweisen. Alternativ oder in Ergänzung können entsprechende Gradienten vom Substrat über die mindestens eine Zwischenschicht bis zur obersten/innersten DLC-Schicht des Bauteils vorgesehen sein.
Die Härte der Innenflächen der zylinderförmigen Bauteile beträgt üblicherweise zwischen 3 und 9 GPa (ermittelt durch Nanoindentation) und der Elastizitätsmodul zwischen 170 und 210 GPa. Die eine oder mehreren Zwischenschichten weisen bevorzugt eine Härte von 9 bis 30 GPa (ermittelt durch Nanoindentation), vorzugsweise zwischen 9 bis 15 GPa, und ein Elastizitätsmodul zwischen 100 bis 700 GPa auf, vorzugsweise zwischen 130 und 250 GPa. Insgesamt soll ein Härtegradient mit einer von der Innenfläche in radialer Richtung zur Mittelachse hin zunehmenden Härte erzeugt werden.
Optional kann auch zusätzlich noch eine weichere Oberschicht (die innerste Beschichtung in dem zylinderförmigen Bauteil) als eine Art Opferschicht über der härtesten Schicht vorgesehen sein, um die Einlaufphase eines Verbrennungsmotors zu unterstützen bzw. die geometrische/topografische Anpassung der im Motor aneinander reibenden Oberflächen (Kolben/Zylinder bzw. Kolbenring/Zylinder) zu verbessern.
Ergänzend können die Innenflächen vor der Beschichtung in einem Nitrierschritt mittels Ammoniak (im Falle einer Gasnitrierung), einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch (im Falle einer Plasmanitrierung in Verbindung mit einem Plasma) oder anderen Stickstoff und/oder Kohlenstoff (z.B. beim Carburieren oder Nitrocarburieren) abgebenden Atmosphären, gehärtet werden. Bei einer Gasnitrierung werden Ammoniak oder andere Stickstoff und/oder Kohlenstoff abgebende Atmosphären in die Beschichtungskammer bei einer Temperatur von 400°C bis 600°C und einem mittleren Kammerdruck p_m von 50 Pa bis 600 Pa in die Beschichtungskammer eingeleitet. Für eine Plasmanitrierung sind Temperaturen von 300°C bis 600°C geeignet. Plasmanitrieren ohne Verbindungsschicht ist zu bevorzugen, um später eine besonders gute Haftung der Beschichtung zu erzielen.
Die Schichteigenschaften, insbesondere die Härte und der Elastizitätsmodul, können einen gradientenförmigen Verlauf von der untersten Schicht zu der obersten Schicht aufweisen, insbesondere derart, dass die Härte innerhalb einer Schicht und/oder von der untersten zur obersten Schicht kontinuierlich ansteigt. Dabei können entweder sehr geringe Unterschiede angestrebt werden, so dass sich ein quasi stufenloser Übergang ergibt, oder es können bewusst Härteschritte mit erkennbar gestuftem Übergang erzeugt werden.
Optional kann nach Schritt b) auch ein Gas eingeleitet werden (z.B. Argon oder Stickstoff) und ein Plasma gezündet werden, welches die zu beschichtenden Oberflächen reinigt und beispielsweise von Oxidschichten befreit. Einige Nanometer der Oberfläche (insbesondere 1-100 nm) können so abgetragen werden (durch in-situ sputter-Reinigung), um eine ideale Haftung zwischen der späteren Beschichtung und dem Substrat sicherzustellen. Zudem könnten sich die Zylinder durch die Plasmareinigung auf die gewünschte Temperatur aufheizen.
Zu Schritt f) wird angemerkt, dass die DLC-Schicht sowohl graphitische Bindungen des Typs sp2 als auch Diamand-Bindungen des Typs sp3 sowie eine Mischung daraus aufweisen kann. Die Anteile der jeweiligen Bindungen können dabei variabel zwischen 0% und 100% liegen. Der Vollständigkeit halber wird ferner darauf hingewiesen, dass beim Einsatz von Methan auch immer Wasserstoff in der Schicht enthalten ist. Dies wäre jedoch für die beabsichtigte Anwendung nicht unbedingt erforderlich.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mindestens in Verfahrensschritt f) die Einleitung der Gase pulsiert. Mittels einer gepulsten Gaseinleitung kann ebenfalls erzielt werden, dass das Gas sämtliche in Axialrichtung hintereinander angeordnete Bauteile erreicht. Vorzugsweise kann die Einleitung der Gase mit Pulsen unterschiedlicher Drücke erfolgen, so dass beispielsweise erste Gaspulse mit niedrigem Druck in die Kammer eingeleitet werden und somit eine Beschichtung von Bauteilen benachbart zu dem Gaseinlasssystem erzielt wird. Mit fortlaufendem Prozess kann die Einleitung der Gase mit einem höheren Druck erfolgen, um von der Einlassseite weiter beabstandete Bauteile zu beschichten.
Eine gepulste Gaseinleitung kann nur während der Beschichtung oder auch nur während eines etwaigen Nitrierschrittes erfolgen. Hinsichtlich einer gepulsten Einleitung wird auch darauf verwiesen, dass eine kontinuierliche Gaseinleitung erfolgen kann, die mit Gaspulsen überlagert wird. Eine gepulste Einleitung von Gasen kann auch nur nach einer jeweiligen Beschichtung zum Spülen der Beschichtungskammer oder zum Abkühlen angewendet werden.
Eine gepulte Gaseinleitung kann insbesondere mittels einer Kolbenpumpe erzeugt werden und/oder durch sich periodisch öffnende und schließende Gaseinlassöffnungen und/oder mittels Gasinjektoren, ähnlich einem Piezoeinspritzsystem. Als vorteilhaft werden Gaspulse in Frequenzen in einem Bereich von 1 mal pro Verfahrensschritt (z.B. mit Beginn des Abscheidens einer neuen Schicht wird einmalig ein Puls abgegeben) bis 1 GHz betrachtet, vorzugsweise von 0,1 Hz bis 100 Hz. Dabei erstreckt sich die Länge eines Gaspulses vorzugsweise über eine Länge zwischen 1 ns und der Länge eines Prozessschrittes, vorzugsweise zwischen 0,01 s und 1 s.
Pro Puls beträgt der Druck vorzugsweise ca. 100,1% bis 10.000% des Druckes an der Einlassseite bzw. im Bereich der Einlassöffnungen, vorzugsweise 110% bis 200%. Der Druckverlauf eines Pulses kann dabei gaußförmig, rechteckig, dreieckig, sinusartig, sägezahnartig oder in einer Kombination der vorstehenden Formen ausgebildet sein.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Bauteilen und einer Beschichtungskammer in einer schematischen Darstellung,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Bauteilen und einer Beschichtungskammer in einer schematischen Darstellung,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Bauteilen und einer Beschichtungskammer in einer schematischen Darstellung,
4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Bauteilen und einer Beschichtungskammer in einer schematischen Darstellung,
5 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Bauteilen und einer Beschichtungskammer in einer schematischen Darstellung,
6 zylinderförmige Bauteile mit einer ersten Variante einer hineinragenden Lanze in einer perspektivischen Seitenansicht,
7 die Anordnung aus 6 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie VII-VII,
8 zylinderförmige Bauteile mit einer zweiten Variante einer hineinragenden Lanze in einer perspektivischen Seitenansicht,
9 zylinderförmige Bauteile mit einer dritten Variante einer hineinragenden Lanze in einer perspektivischen Seitenansicht,
10 zylinderförmige Bauteile mit einer vierten Variante einer hineinragenden Lanze in einer perspektivischen Seitenansicht, und
11 zylinderförmige Bauteile mit einer Spannvorrichtung in einer perspektivischen Seitenansicht.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit mehreren zylindrischen Bauteilen 10 in einer Beschichtungskammer 12 schematisch dargestellt. Vorliegend sind exemplarisch nur fünf Bauteile 10 mit Bezugszeichen versehen, wobei diese fünf Bauteile 10 in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Beschichtungskammer 12 weist eine nach außen abdichtende Umfangswand 14 mit einer Bodenwand, einer Deckwand einer linken Seitenwand und einer rechten Seitenwand auf. Bei dieser Ausführungsform ist die rechte Seitenwand insoweit als Einlassseite 16 vorgesehen, als sich entlang der rechten Seitenwand innerhalb der Beschichtungskammer 12 ein Gaseinleitungssystem 18 mit mehreren Gaseinlassöffnungen 20 erstreckt, wobei die Gaseinlassöffnungen 20 über die Höhe der Beschichtungskammer 12 verteilt angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Gaseinleitungssystem 18 mit zwei Gasquellen 22 strömungsleitend verbunden. Es kann sich dabei entweder um Gasquellen für das gleiche Gas handeln oder um Gasquellen für verschiedene Gase, wobei verschiedene Gase insbesondere für verschiedene Beschichtungsvorgänge oder sonstige unterschiedliche Vorgänge genutzt werden können.
Es kann auch nur eine Gasquelle vorgesehen sein, oder es können mehr als zwei Gasquellen vorgesehen sein.
Auf einer der Einlassseite 16 gegenüberliegenden Auslassseite 24, die sich in der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der linken Seitenwand erstreckt, sind mehrere Gasaustrittsöffnungen 26 in fluidaler Verbindung zu Pumpen 28 angeordnet.
Die zylinderförmigen Bauteile 10 sind auf einer regalartigen Haltevorrichtung 30 angeordnet, wobei die Haltevorrichtung 30 vorliegend acht Etagen aufweist. In jeder Etage sind - in Axialrichtung betrachtet-jeweils fünf Bauteile 10 in einer Reihe hintereinander angeordnet. Nicht zu erkennen ist, dass sich in die Blattebene hinein noch weitere Reihen mit zylinderförmigen Bauteilen 10 erstrecken. Die Regale weisen insoweit auch eine sich in die Blattebene erstreckende Tiefe zur Anordnung mehrerer Reihen nebeneinander innerhalb einer Etage auf, insbesondere zur Anordnung von etwa 5 bis 10 Reihen nebeneinander je Etage.
Die zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteile 10 sind relativ zu den Gaseinlassöffnungen 20 derart auf der Haltevorrichtung 30 angeordnet, dass je eine stirnseitige Eintrittsöffnung 32 des jeweils am nächsten zum Gaseinleitungssystem 18 angeordneten Bauteils 10 in geringem Abstand zu einer korrespondierenden Gaseinlassöffnung 20 angeordnet ist. Dabei sind die Gaseinlassöffnungen 20 im Bereich der jeweiligen Mittelachse der Bauteile 10 und somit konzentrisch zu diesen Bauteilen 10 angeordnet.
Aus den Gaseinlassöffnungen 20 ausströmendes Gas strömt entlang des Pfeils G in die Eintrittsöffnungen 32 der jeweils am nächsten angeordneten Bauteile 10 und dann durch die jeweiligen Reihen der hintereinander angeordneten zylinderförmigen Bauteile 10 in axialer Richtung durch diese hindurch zu den korrespondierenden Gasaustrittsöffnungen 26. Die axiale Richtung der Strömung wird dabei durch die Pumpen 28 im Bereich der Auslassseite 24 erzeugt bzw. gefördert sowie dadurch, dass über die Höhe der linken Seitenwand hinweg mehrere Gasaustrittsöffnungen 26 vorgesehen sind. Mittels der Pumpen 28 wird ein Druckgefälle von der Einlassseite 16 zur der Auslassseite 24 erzeugt, so dass ein gerichteter Gasstrom entsteht. Der Druck ist dabei auf der Einlassseite 16 1,1 bis 10 mal höher als auf der Auslassseite 24. Durch das in Axialrichtung an den Innenflächen der Bauteile 10 vorbeiströmende Gas werden im Bereich der Innenflächen 34 der Bauteile 10 homogene Schichten abgeschieden.
Zur Erzeugung eines Plasmas ist eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) vorgesehen, wobei die Umfangswand 14 der Beschichtungskammer 12 einen Teil einer ersten Elektrode bildet und die Haltevorrichtung 30 mit den Bauteilen 10 einen Teil einer zweiten Elektrode bildet.
In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform sind durch die zylinderförmigen Bauteile ragende Lanzen als zweite Elektrode ausgebildet und gegenüber der Beschichtungskammer elektrisch isoliert.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von zylinderförmigen Bauteilen 10 in Form von Zylinderrohren für Brennkraftmaschinen von PKW auf der Haltevorrichtung angeordnet. Solche Zylinderrohre weisen einen Außendurchmesser von 60 mm bis 110 mm auf, einen Innendurchmesser von 60 mm bis 100 mm, und eine Länge von 60 mm bis 120 mm auf.
Im Folgenden werden zur Beschreibung weiterer Ausführungsformen für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform in Verbindung mit 1.
Wie in Verbindung mit den 2 und 3 dargestellt, kann die in 1 dargestellte Beschichtungskammer 12 auch zur Beschichtung von zylinderförmigen Bauteilen 10 mit größeren Außenmaßen verwendet werden, denn in den 2 und 3 ist die Beschichtungskammer 12 aus in 1 mit einer anderen Haltevorrichtung 30 gezeigt. Die Bauteile weisen insbesondere einen größeren Durchmesser und eine größere Länge auf. In 2 und 4 sind Bauteile 10 in Form von Zylinderrohren für LKW dargestellt, die einen Außendurchmesser von 105 mm bis 160 mm, einen Innendurchmesser von 100 mm bis 150 mm und eine Länge von 200 mm bis 400 mm aufweisen können.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform zeigt dabei ein modifizierbares Gaseinleitungssystem 18, bei dem bedarfsweise nur diejenigen Gaseinlassöffnungen 20 aktivierbar sind, die konzentrisch zu einer Eintrittsöffnung 32 eines Bauteils 10 angeordnet sind. Die außerhalb der Eintrittsöffnungen 32 angeordneten, gestrichelt dargestellten Gaseinlassöffnungen 20 sind in 2 deaktiviert. So kann - auch bei wechselnden Bauteilgrößen - ein konzentrischer Gaseinlass in die Bauteile 10 gewährleistet werden. Dadurch werden der Gasverbrauch reduziert und eine homogene Schichtabscheidung sichergestellt.
In Verbindung mit 3 ist eine weitere Ausführungsform eines anpassbaren Gaseinleitungssystems 18 dargestellt, wobei hier jeweils auch die Haltevorrichtung 30 derart ausrichtbar ist, dass die Eintrittsöffnungen 32 der Bauteile 10 benachbart zu bestimmten Gaseinlassöffnungen 20 positioniert werden. Dazu kann die Haltevorrichtung 30 beispielsweise in Hochrichtung und/oder in Axialrichtung innerhalb der Beschichtungskammer 12 verfahren werden, um eine exakte relative Ausrichtung der Eintrittsöffnungen 32 zu den Gaseinlassöffnungen 20 zu ermöglichen. Die Haltevorrichtung 30 kann auch derart ausgebildet sein, dass der Abstand der Etagen zueinander einstellbar ist. Auch bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann eine Abschaltung von nicht benötigten Gaseinlassöffnungen 20 erfolgen. In der gezeigten Anordnung sind gestrichelt dargestellte Gaseinlassöffnungen 20 wiederum deaktiviert, um Gas nur im Bereich von Eintrittsöffnungen 32 ausströmen zu lassen.
4 und 5 zeigen eine vierte und eine fünfte Ausführungsform, wobei das Gaseinleitungssystem 18 jeweils mehrere Lanzen 36 aufweist.
Bei der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform weist das Gaseinleitungssystem 18 für jede Reihe mit in Axialrichtung hintereinander angeordneten Bauteilen 10 eine Lanze 36 auf, die sich von der Einlassseite 16 aus durch die zylinderförmigen Bauteile 10 bis in das letzte Bauteil 10 der jeweiligen Reihe erstreckt. Die Lanzen 36 sind konzentrisch zu den Bauteilen 10 angeordnet und befinden sich somit im Bereich der jeweiligen Mittelachsen. In dieser Ausführungsform sind die Lanzen 36 fest mit dem Gaseinleitungssystem 18 der Beschichtungskammer 12 an der Einlassseite 16 verbunden. Beim Einfahren der Haltevorrichtung 30 müssen die Lanzen 36 daher gezielt in die Bauteile 10 eingeführt werden, um eine Beschädigung der Lanzen 36 und/oder der Bauteile 10 zu vermeiden.
Bei der in 5 gezeigten fünften Ausführungsform sind die Lanzen 36 fest mit der Haltevorrichtung 30 verbunden. Die Lanzen 36 werden daher bei dieser Ausführungsform zusammen mit der hier in die Beschichtungskammer 12 ein- und ausfahrbaren Haltevorrichtung 30 in die Beschichtungskammer 12 eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass die relative Anordnung der Bauteile 10 zu den Lanzen 36 außerhalb der Beschichtungskammer 12 erfolgen kann. Mittels einer Kopplungsvorrichtung 38 werden die Lanzen 36 dann innerhalb der Beschichtungskammer 12 nur noch mit dem Gaseinleitungssystem 18 verbunden.
Auch bei den in Verbindung mit den 4 und 5 beschriebenen Ausführungsformen wird jeweils mittels der Pumpen 28 ein Druckgefälle von der Einlassseite 16 zu der Auslassseite 24 erzeugt. Alternativ können auch an der Einlassseite 16 Pumpen 28 angeordnet werden, so dass auf der Einlassseite 16 und der Auslassseite 24 ein weitestgehend identischer Druck herrscht.
Im Folgenden werden im Zusammenhang mit den 6 bis 10 weitere Varianten von Lanzen 36 beschrieben, die in Beschichtungskammern 12 für erfindungsgemäße Anordnungen eingesetzt werden können.
In 6 und 7 ist eine erste Variante einer Lanze 36 dargestellt, die sich durch fünf hintereinander angeordnete Bauteile 10 erstreckt. Gas tritt von der rechten Seite in die Lanze 36 ein. Gaseinlassöffnungen 20 sind in Form von Düsen 40 ausgebildet. In Umfangsrichtung der Lanze 36 verteilt sind jeweils mehrere (hier vier) Düsen 40 angeordnet, so dass eine gleichmäßige Beschichtung in Umfangsrichtung der Innenflächen 34 der Bauteile 10 erfolgt. In Axialrichtung betrachtet sind je Bauteil 10 die über den Umfang verteilten vier Düsen 40 jeweils mittig angeordnet.
In 8 ist eine weitere Variante einer Lanze 36 mit exemplarischen weiteren geometrischen Gestaltungen von Gaseinlassöffnungen 20 dargestellt, die einzeln oder in Kombination jeweils an allen Lanzen 36 ausgebildet sein können. Die Gaseinlassöffnungen 20 können - wie an der Lanze 36 im Bereich des ersten und des zweiten Bauteils 10 von rechts gezeigt - als eine kreisförmige Öffnung 42 oder als mehrere kreisförmigen Öffnungen 42 ausgebildet sein.
Die Gaseinlassöffnung 20 kann - wie an der Lanze 36 im Bereich des mittleren Bauteils 10 gezeigt - ein sich über einen Großteil der Länge des Bauteils 10 in Axialrichtung erstreckender Schlitz 44 sein. Die Gaseinlassöffnung 20 kann - wie an der Lanze 36 im Bereich des zweiten Bauteils 10 von links gezeigt - ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Schlitz 46 sein. Oder es können - wie an der Lanze 36 im Bereich des linken Bauteils gezeigt - mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Schlitze 46 innerhalb eines Bauteils 10 vorgesehen sein.
Um einer abnehmenden und/oder zunehmenden Reaktionsfähigkeit der Gasströmung in Richtung der Auslassseite 24 und/oder unterschiedlichen Druckverhältnissen innerhalb der Beschichtungskammer 12 Rechnung zu tragen, kann der Querschnitt der Gaseinlassöffnungen 20 von der Einlassseite 16 zu der Auslassseite 24 in Richtung des Gasflusses hin zunehmend oder abnehmend ausgebildet sein. Eine entsprechende Gestaltung und Auslegung kann abhängig von der Bestückung der Beschichtungskammer 12 experimentell ermittelt werden. In 9 ist der Querschnitt der kreisförmigen Öffnungen 42 exemplarisch sich zunehmend vergrößernd ausgebildet. Damit tritt an den in Richtung der Einlassseite 16 angeordneten Bauteilen 10 nur durch einen verringerten Querschnitt Gas aus der Lanze 36 zum Beschichten der Innenflächen 34 aus. In Richtung der Gasauslassseite 24 vergrößern sich die Querschnitte, so dass - beispielsweise bei einem abnehmenden Überdruck in der Lanze 36 - die austretende Gasmenge über die Bauteile 10 in Axialrichtung konstant gehalten werden kann.
Alternativ dazu kann - wie in 10 dargestellt - ein sich in Längsrichtung erstreckender Schlitz 44 mit einer sich in Querrichtung kontinuierlich vergrößernden Weite an einer Lanze 36 ausgebildet sein.
In 11 ist eine Spannvorrichtung 48 dargestellt. Mit einer solchen Spannvorrichtung 48 können hintereinander angeordnete Bauteile 10 zu einer Reihe aneinander gepresst werden, um zu vermeiden, dass Gas zwischen zwei benachbarten Bauteilen 10 aus einer Reihe austritt und sicherzustellen, dass das Gas möglichst vollständig durch eine Reihe von der Einlassseite 16 zur Auslassseite 24 strömt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung 48 auf jeder Außenseite der äußeren Bauteile 10 je zwei in Axialrichtung verschiebbare Spannelemente 50, mit welchen sämtliche Bauteile 10 einer Reihe zusammengepresst werden können. Um die Querstabilität der Bauteile 10 zueinander zu erhöhen und optional die Dichtwirkung zwischen zwei Bauteilen 10 zu verbessern, ist zwischen aneinander angrenzenden Bauteilen 10 jeweils eine Stützhülse 52 angeordnet, welche die Außenflächen der Bauteile 10 zumindest teilweise umschließt und sich mit Zwischenstegen 54 in den Bereich zwischen zwei zueinander gerichteten Stirnseiten der Bauteile 10 erstreckt. Die Stützhülsen 52 weisen eine hohlzylindrische Grundform auf, wobei sich der jeweilige Zwischensteg 54 senkrecht zu der Mantelfläche erstreckt und in Axialrichtung in etwa mittig angeordnet ist. Der Zwischensteg 54 ist vorzugsweise vollständig umlaufend ausgebildet.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Insbesondere kann die Anordnung der Bauteile 10 und der Beschichtungskammer 12 auch derart ausgerichtet sein, dass die Axialrichtung der Bauteile 10 in Hochrichtung, d.h. in Richtung der Schwerkraft, ausgerichtet ist und dass die Einlassseite 16 mit dem Gaseinleitungssystem 18 oben angeordnet ist. Eingebrachtes Gas kann dann in Richtung der Schwerkraft zu der Auslassseite 24 strömen. Die Schwerkraft kann in diesem Fall einen gerichteten Gasfluss unterstützen.
In einer Ausführungsform, in der die Einlassseite 16 unten angeordnet ist und das Gas entgegen der Schwerkraft nach oben zur Auslassseite 24 strömt, kann ein durch das Plasma entstehender Wärmestrom ausgenutzt werden, in dem die heißen Gase nach oben steigen.
In den vorstehend beschriebenen vertikalen Anordnungen kann die Beladung der Beschichtungskammer 12 mit der Haltevorrichtung 30 und den darauf angeordneten Bauteilen 10 insbesondere mittels eines Krans oder durch Öffnen einer Seitenwand und Einfahren einer geeignet gestalteten Haltevorrichtung (nicht gezeigt) erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Beschichtungskammer
14: Umfangswand
16: Einlassseite
18: Gaseinleitungssystem
20: Gaseinlassöffnung
22: Gasquelle
24: Auslassseite
26: Gasaustrittsöffnung
28: Pumpe
30: Haltevorrichtung
32: Eintrittsöffnung
34: Innenfläche
36: Lanze
38: Kopplungsvorrichtung
40: Düse
42: kreisförmige Öffnung
44: Schlitz
46: Schlitz
48: Spannvorrichtung
50: Spannelement
52: Stützhülse
54: Zwischensteg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19623577 A1 [0002]
KR 20160001133 U [0003]

Claims

Anordnung von zylinderförmigen Bauteilen (10) in einer Beschichtungskammer (12) zur Beschichtung der Innenflächen (34) der zylinderförmigen Bauteile (10) mittels Gasphasenabscheidung, wobei die Beschichtungskammer (12) eine nach außen abdichtende Umfangswand (14) aufweist, wobei im Bereich einer Einlassseite (16) ein Gaseinleitungssystem (18) mit mindestens einer Gaseinlassöffnung (20) angeordnet ist und wobei auf einer Auslassseite (24) mindestens eine Pumpe (28) zum Fördern von Gas aus der Beschichtungskammer (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtungskammer (12) die zylinderförmigen Bauteile (10) derart angeordnet sind, dass die Axialrichtung der Bauteile (10) von der Einlassseite (16) zu der Auslassseite (24) verläuft und mehrere Bauteile (10) in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind.
Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtungskammer (12) eine Haltevorrichtung (30) zur Anordnung der zu beschichtenden Bauteile (10) angeordnet ist, wobei die Bauteile (10) in der Beschichtungskammer (12) mittels der Haltevorrichtung (30) gegenüber dem Gaseinleitungssystem (18) derart angeordnet sind, dass die Einleitung von Gas über mindestens je eine Gaseinlassöffnung (20) in ein der Einlassseite (16) am nächsten angeordnetes Bauteil (10) erfolgt.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinleitungssystem (18) mindestens eine stabförmige Lanze (36) mit mindestens einer Gaseinlassöffnung (20) umfasst, wobei die Lanze (36) in die zylinderförmigen Bauteile (10) hineinragend angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pumpe (28) über mindestens eine Gasaustrittsöffnung (28) fluidal mit der Auslassseite (24) der Beschichtungskammer (12) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangswand (14) der Beschichtungskammer (12) als Teil einer ersten Elektrode und die Haltevorrichtung (30) und/oder mindestens eine elektrisch gegenüber der Beschichtungskammer (12) isolierte, stabförmige Lanze (36) als Teil einer zweiten Elektrode dient.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinleitungssystem (18) mehrere über die Höhe und/oder Breite der Beschichtungskammer (12) verteilte Gaseinlassöffnungen (20) aufweist, wobei eine Steuerung zur bedarfsweisen Aktivierung und Deaktivierung bestimmter Gaseinlassöffnungen (20) vorgesehen ist.
Verfahren zur Beschichtung von Innenflächen (34) von zylinderförmigen Bauteilen (10) in einer Beschichtungskammer (12), wobei die Beschichtungskammer (12) eine nach außen abdichtende Umfangswand (14) aufweist, wobei Gas von einer Einlassseite (16) über mindestens eine Gaseinlassöffnung (20) in die Beschichtungskammer (12) eingeleitet wird und an einer Auslassseite (24) über mindestens eine Gasaustrittsöffnung (26) aus der Beschichtungskammer (12) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bauteilen (10) in der Beschichtungskammer (12) angeordnet werden und dass zur Beschichtung ein Druckgradient zwischen der Gasaustrittsöffnung (26) und der mindestens einen Gaseinlassöffnung (20) erzeugt wird, wobei der Druck im Bereich der mindestens einen Gaseinlassöffnung (20) zwischen 1,1 und 100 mal höher ist als im Bereich der Gasaustrittsöffnung (24).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Relatives Anordnen von zu beschichtenden zylinderförmigen Bauteilen (10) in der Beschichtungskammer (12); b) Evakuieren der Beschichtungskammer (12) mit mindestens einer an der Auslassseite (24) der Beschichtungskammer (12) angeordneten Pumpe (28) bis zu einem mittleren Kammerdruck p_m zwischen 20 Pa bis 1000 Pa; c) Einstellen einer Temperatur in der Beschichtungskammer (12) im Bereich zwischen 100°C und 300°C; d) Einleiten von kohlenstoffhaltigem Gas in die Beschichtungskammer (12) über ein an der Einlassseite (16) angeordnetes Gaseinleitungssystem (18); e) Erzeugung eines Gas-Plasmas mittels einer Plasmaquelle in der Beschichtungskammer (12); f) Abscheiden einer DLC-Schicht mit einer Dicke zwischen 0,1 µm und 40 µm auf der Innenfläche (34) der Bauteile (10); g) Abschalten der Plasmaquelle, Schließen des Gaseinleitungssystems (18) oder Einleitung eines Gases zur Kühlung, Einstellen einer vorgegebenen Abkühltemperatur.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) mindestens eine Zwischenschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Verfahrensschritt f) die Einleitung der Gase pulsiert erfolgt.