WO2015155275A1

WO2015155275A1 - Tribologisches system mit reduziertem gegenkörperverschleiss

Info

Publication number: WO2015155275A1
Application number: PCT/EP2015/057684
Authority: WO
Inventors: Juergen Ramm; Florian Seibert; Benno Widrig
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions Ag, Trübbach
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2015-10-15
Also published as: CN106460158A; US20170211174A1; KR20160145084A; JP2017514017A; EP3129519A1

Abstract

Tribologisches System mit erheblich verbessertem tribologischen Verhalten, welches einen Körper mit einer ersten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer ersten Beschichtung, einen Gegenkörper mit einer zweiten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer zweiten Beschichtung und Schmierstoff als Zwischenmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beschichtung jeweils eine Schicht als äusserste Schicht aufweisen, wobei die Zusammensetzung der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und die Zusammensetzung der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung so ausgewählt sind, dass • beide äussersten Schichten Stahl-Oberflächen einschmieren, wenn sie unter tribologischem Kontakt mit Stahl ausgesetzt werden, und • beide äussersten Schichten materialverwandte Schichten sind, so dass die Elementzusammensetzung der ersten äussersten Schicht mit der Elementzusammensetzung der zweiten äussersten Schicht zumindest in 60 Atomprozent übereinstimmt.

Description

Tribologisches System mit reduziertem Gegenkörperverschleiss

Die vorliegende Erfindung betrifft ein tribologisches System mit erheblich verbessertem tribologischen Verhalten und reduziertem Gegenkörperverschleiss gemäss dem Anspruch 1.

Die Optimierung des tribologischen Verhaltens ist ein wesentliches Ziel beim Design von Werkzeugen und Bauteilen, die in Maschinen, Verbrennungsmotoren und Getrieben Verwendung finden. In vielen Fällen wird der eine Partner (im Weiteren als„tribologischer Körper" oder einfach als„Körper" bezeichnet) des tribologischen Systems mit einer Schicht versehen. Mit dieser Beschichtung verfolgt man verschiedene Ziele, Vor allem soll damit der Verschleiss des Körpers, beispielsweise bei einem Schneidwerkzeug, reduziert werden. Das trifft besonders für Werkzeuganwendungen zu, ist aber auch für Bauteile wichtig. Oft soll bei tribologischen Systemen, in welchen zwei Bauteile im tribologischen Kontakt sind, nicht nur der Verschleiss des eines Partners d.h. des Körpers, sondern zusätzlich noch der Verschleiss des anderen Partners im tribologischen Kontakt (im Weiteren als„Gegenkörper" bezeichnet) verringert werden. Bei vielen Bauteileanwendungen, z.B. im. Motorenbereich, soll schliesslich noch der Reibungskoeffizient im tribologischen System reduziert werden, was meist eine Voraussetzung dafür ist, dass der Verschleiss im Tribokontakt (Tribokontakt = tribologischer Kontakt) verringert wird. Die Nutzung von Beschichtungen für solche Anwendungen ist seit Jahrzehnten erprobt und sowohl Werkzeugbeschichtungen wie auch Bauteilebeschichtungen werden grosstechnisch angewendet.

Die Beschichtungen der Werkzeuge und Bauteile wird in vielen Fällen mittels der Physical Vapour Deposition (PVD) oder der Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) Technologie vorgenommen. Zum Stand der Technik gehören Beschichtungsverfahren wie Sputtern, kathodische Fun kenverdampf ung und plasmaunterstütztes CVD bzw. Kombinationen aus diesen Verfahren. Das Verfahren der kathodischen Funkenverdampfung findet vor allem auf dem Gebiet der Werkzeugbeschichtung bei Schneid-, Stanz- und Formwerkzeugen Anwendung. Es wird auch in eingeschränkterem Masse zur Bauteilebeschichtung verwendet, beispielsweise zur Beschichtung von Kolbenringen mit Chrom nitrid (CrN). Dieses beschichtungsverfahren ist robust und zuverlässig und man kann ein breites Spektrum von Schichtmaterialien damit synthetisieren. Der Nachteil dieses Verfahrens sind Spritzer, die beim Verdampfungsprozess des Kathodenmaterials entstehen und teilweise in die Beschichtungen als sogenannte Droplets eingebaut werden. Das erhöht deren Oberflächenrauhigkeit und macht es notwendig, dass diese Schichten für Anwendungen, bei denen niedrige Reibungskoeffizienten notwendig sind, nachbehandelt werden müssen. Bei den Anwendungen von CrN-Schichten auf Kolbenringen beträgt die übliche Schichtdicke zwischen 30 μm und 50 μm. Etwa 3 bis 5um werden durch die Nachbehandlung wieder entfernt, damit für die Schichtoberfläche die notwendige Oberflächenrauhigkeit erreicht wird. Falls man diese Nachbehandlung nicht durchführt, besteht zum einen die Gefahr, dass durch die Spitzenrauhigkeit der CrN-Schicht (charakterisiert durch die Rpk und Rpkx Werte) der Gegenkörper sehr stark verschlissen wird und es zudem zum Ausbruch von Spritzern oder Schichtpartikeln kommen kann, die, weil sie eine grössere Härte als der Gegenkörper haben, diesen durch„Schmirgelwirkung" zusätzlich schneller verschteissen. Die erwähnten Nachbehandlungsschritte zur Glättung der aufgebrachten Schichten sind allerdings Standardprozeduren und seit langem in die Massenproduktion eingeführt. Hier soll auch nicht auf eine spezifische Art der Nachbehandlung eingegangen werden, sondern der Begriff soll alle Arten der Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit umfassen wie beispielsweise polieren, läppen, bürsten, schleifen etc.

Problematik

Natürlich wäre es vorteilhaft, auf eine Nachbehandlung verzichten zu können, was aber beim gegenwärtigen Stand der Technik nur für ausgewählte Beschichtungsmethoden und nur einige wenige kohlenstoffbasierende Materialien möglich ist. Mit der Nachbehandlung und Verbesserung der Schichtoberfläche sind allerdings nicht alle Probleme gelöst. In vielen Fällen werden die beschichteten Körper, wie es beispielsweise auch bei den Kolbenringen der Fall ist, gelegentlich kurzzeitig in Mangelschmierung betrieben. Eine wichtige Anforderung an solche tribologischen Systeme ist es deshalb, dass sie auch bei Mangelschmierung nicht vollständig versagen, d.h. dass es weder zu einer Zerstörung der Schicht noch zu einer Zerstörung des Gegenkörpers kommt. Da das Schichtmaterial meist in seinen mechanischen Eigenschaften härter gewählt wird als das Gegenkörpermaterial, besteht die Gefahr, dass Gegenkörpermaterial bei Mangelschmierung auf das Schichtmaterial übertragen oder aufgeschmiert wird. Zur Untersuchung solcher tribologischen Systeme, bei denen das Verhalten von Körper und Gegenkörper untersucht wird, wurde der Schwingung s-Reib-Verschleisstest (SRV Test, engl, "reciprocating wear test") entwickelt. Anhand dieses Tests soll im Folgenden nun die Problematik des Aufschmierens verdeutlicht werden und die erfinderischen Resultate erläutert werden. Alle Messungen im SRV Test wurden mit den gleichen Parametern bezüglich Frequenz, Gleitweg, Prüfkraft und Prüftemperatur durchgeführt, d.h. dass sämtliche Testresultate vergleichbar sind.

Für die Tests wurden Körper mittels des Verfahrens der reaktiven kathodischen Funkenverdampfung mit unterschiedlichen Materialien beschichtet. Als Körper wurden polierte Scheiben (022mm x 5.6mm) aus Stahl (90MnCrV8, 1.2842) verwendet, die eine Rockwellhärte >62HRC aufwiesen und eine Oberflächenrauhigkeit Ra≤ 0.05pm besessen. Als Gegenkörper wurden polierte Stahlkugeln aus 100Cr6 benutzt (gehärteter Stahl, 60 - 68 HRC, 0 10mm). Die mechanischen Eigenschaften der zu vergleichenden Schichtmaterialien wurden über das Verfahren der Nanoindentation ermittelt und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Für den Fachmann ist es verständlich, dass diese Werte durch Änderungen im Beschichtungsprozess ebenfalls verändert werden können und sie werden hier lediglich genannt, um typische Grössenverhältnisse anzudeuten und um die Ergebnisse der SRV-Tests besser verstehen zu können. Die SRV Tests wurden an CrN, Molybdännitrid (MoN) und Molybdän-Kupfer-Nitrid (MoCuN) für unterschiedliche Bedingungen durchgeführt:

A. Trocken [A1] (d.h. ohne Schmiermittel wie öl) oder geschmiert [A2] (in den hier durchgeführten Versuchen immer mit einem Dieselöl als Schmiermittel)

B. Beschichteter Körper + unbeschichteter Gegenkörper [B1] oder beschichteter Körper + beschichteter Gegenkörper [B2]

C. Mit Nachbehandlung der Beschichtung [C1] oder ohne Nachbehandlung der Beschichtung [C2]

Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften der für die SRV Tests verwendeten Schichten

1. SRV-Test: trocken, beschichteter Körper und unbeschichteter Gegenkörper, ohne Nachbehandlung der Schicht

In Abbildung 1 sind die im SRV Test erhaltenen zeitlichen Verläufe des Reibungskoeffizienten für die mit CrN, MoN und MoCuN beschichteten Körper abgebildet, welche im Kontakt mit der polierten Stahlkugel erhalten wurden, ohne ein Schmiermittel zu benutzen und ohne die Schicht nachzubehandeln. Der Reibungskoeffizient von CrN (1) liegt im Bereich zwischen 0.7 und 0.8 und ist damit am grössten unter den untersuchten Schichten. MoCuN (3) zeigt anfangs auch einen Reibungskoeffizienten von 0.7, der aber nach kurzer Zeit auf 0.6 und darunter abfällt. Diese Kurve ist charakterisiert durch hohes Rauschen. MoN (2) beginnt mit dem kleinsten Reibungskoeffizient von 0.5, welcher sich am Ende des Tests dem des MoCuN, der im Bereich zwischen 0.5 und 0.6 liegt, nähert. Im Kurvenverlauf gibt es einige „Ausbrüche", die mit kurzzeitigen Aufschmierungen des Gegenkörpermaterials erklärt werden können. Jedes Mal scheint sich aber diese Aufschmierung wieder zu lösen. Das grössere„Rauschen" in der Kurve des MoCuN, das nach etwa 10 min auftritt, wird dem Umstand zugeschrieben, dass diese Schicht eine höhere Anzahl von vor allem grösseren Spritzern aufweist. Das liegt daran, dass die MoCu-Targets, die als Kathode für die Funkenverdampfung verwendet werden, im Vergleich zu den reinen Mo-Targets üblicherweise eine grössere Neigung zur Spritzergenerierung zeigen. Diese Spritzer finden sich teilweise in der abgeschiedenen Schicht wieder.

Die Abbildung 2 zeigt die nach dem SRV Test mit dem Lichtmikroskop angefertigten Aufnahmen, die die Verschleissspuren auf den Schichten (a-c) und den dazugehörigen Verschleiss der Gegenkörper (d-f) charakterisiert. Die obere Zeile der Tabelle illustriert den Verschleiss der Schichten in der Reibspur. Dabei zeigt es sich, dass es beim CrN (a) (auch nachgewiesen durch eine EDX Analyse) zum Aufschmieren des Gegenkörpermaterials (100Cr6) auf die Schichtoberfläche kommt, während ein solches Aufschmieren bei MoN (b) und MoCuN (c) Schichten nicht feststellbar ist. Der Verschleiss des Gegenkörpers wird in der unteren Zeile der Abbildung 2 dargestellt. Der Durchmesser der Verschleisskappe, der Teil des unbeschichteten Gegenkörpers, der im SRV Test abgetragen wurde, ist am grössten im Falle des mit CrN beschichteten Körpers (d). Für MoN (e) findet man den geringsten Verschleiss. In diesem Fall kommt es zu einem teilweisen Übertrag vom Mo-haltigen Schichtmaterial auf den Gegenkörper (dunkles Einfärben der Verschleisskappe). MoCuN (f) nimmt eine mittlere Position bezüglich des Verschleisses ein, zeigt aber auch den Mo- und Cu-haltigen Übertrag auf den Gegenkörper. Dieses Einschmieren des Gegenkörpers scheint ein wesentlicher Grund dafür zu sein, dass es zu keinem Materialübertrag auf die Schicht kommt.

Zusammenfassend kann man sagen, dass es, im Gegensatz zu den CrN Beschichtungen, bei den MoN-Schichten zu keinen Aufschmierungen des Gegenkörpermaterials auf der Schicht kommt, obwohl die Schichten nicht nachbehandelt wurden und kein Schmiermittel verwendet wurde. Der Grund dafür ist der, dass der Gegenkörper zumindest teilweise durch eine Mo-haltige Schicht etngeschmiert wird. Vergleicht man mit dem CrN, kann man folgern, dass das Einschmieren des Gegenkörpers für dessen Verschleissreduktion von grösserer Bedeutung ist, als eine Anpassung an dessen Härte. Eine Anpassung der Schichthärte wird beispielsweise im Falle des CrN beschritten, indem diese für Stahlgegenkörper reduziert wird, was sich durch Änderungen der Beschichtungsparameter realisieren lässt. Die geringere Schichthärte führt zu weniger verschleiss des Gegenkörpers bei Mangelschmierung, birgt natürlich andererseits die Gefahr des höheren Schichtversch leisses.

Es sei noch angemerkt, dass auch einige kohlenstoffhaltige Schichten unter Opferung eines Teils ihres eigenen Schichtmaterials den Gegenkörper mit graphitischem Kohlenstoff einschmieren können. Bei hohen Flächenpressungen versagen diese Schichtsysteme jedoch, was wohl daran liegt, dass die Einschmierung des Gegenkörpers keine gute Haftung aufweist und zudem das„Opfern" der Schicht bei höheren Temperaturen nicht gesteuert werden kann und zu schnell vor sich geht. Zudem hängt die Zuverlässigkeit dieser Kohlenstoffaufschmierung im geschmierten Kontakt stark vom Schmiermittel ab.

Der Vollständigkeit halber und ohne dass dazu hier Ergebnisse im Detail angegeben werden, sei angemerkt, dass auch das Nachbehandeln der Schicht unter diesen trockenen Testbedingungen keine wesentliche Verbesserung bringt, weder für die Reduzierung des Schichtverschleisses noch für die des Gegenkörperverschleisses. Ein Polieren der Schicht etwa entschärft diese Problematik etwas, indem das Einlaufverhalten bei kleineren Reibungskoeffizienten stattfindet, löst sie aber nicht, weil meist schon nach kurzem Reibkontakt das Aufschmieren des Gegenkörpermaterials auf die Schicht wieder beginnt, vor allem dann, wenn das Schichtmaterial den Gegenkörper nicht einschmiert.

2. SRV-Test: Geschmiert, beschichteter Körper und unbeschichteter Gegenkörper, ohne Nachbehandlung der Schicht

In weiteren Versuchen wurden für den obigen Fall geschmierte Bedingungen untersucht. Die Tests wurden mit beschichtetem Körper ohne Nachbehandlung und unbeschichtetem polierten Gegenkörper durchgeführt. Als Schmiermittel wurde ein Standard-Dieselöl verwendet. Es wurden auch Versuche mit anderen Ölen durchgeführt, die qualitativ die gleichen Resultate lieferten, auch wenn beispielsweise die Reibungskoeffizienten bei einem 0W20 Mo-DTC-Öl deutlich kleiner als beim Dieselöl waren. Die mit dem Dieselöl ermittelten Reibungskoeffizienten sind in Abbildung 3 dargestellt. Sie sind unter geschmierten Bedingungen wesentlich kleiner und finden sich allesamt in einem schmalen Band zwischen etwa 0.15 und 0.2. Während der Reibungskoeffizient von CrN nach dem Einlaufen mehr oder weniger stabil ist, kann man eine leicht stetige Abnahme der Reibungskoeffizienten für MoN und MoCuN feststellen. Die dazugehörigen Verschleissbilder sind in Abbildung 4 zusammengefasst. Verschleiss an den Schichten kann kaum festgestellt werden. Es kommt im Wesentlichen zu einer Glättung der Schicht. Vermutlich führen einzelne Spritzer, die unter diesen vereinfachten Testbedingungen nicht durch einen erzwungenen Schmiermitteltransport weggetragen werden, zu minimen Kratzspuren in der Schicht. Deutlich sichtbar ist hingegen der Verschleiss des unbeschichteten Gegenkörpers, Für MoN ist der Verschleisskappendurchmesser in diesem Test am grössten, was daran liegen mag, dass dieses Material auch die grösste Härte aufweist. Zwischen CrN und MoCuN besteht kein wesentlicher Unterschied. Zusammenfassend kann man sagen, dass das zusätzliche Schmiermittel im Vergleich zu trockenen Testbedingungen zu einer starken Reduktion des Reibungskoeffizienten und des Schichtverschleisses beiträgt und dass es in allen Fällen zu keinem Materialübertrag des Gegenkörpers auf die Schicht kommt, wie es für CrN unter trockenen Bedingungen beobachtet wurde. Der Gegenkörperverschleiss wird zwar gegenüber den trockenen Bedingungen geringer, bleibt aber markant und ist am grössten für die härteste der Schichten, nämlich MoN.

3. SRV-Test: Vergleichende Untersuchungen an MoN Beschichtungen

Zuerst sollen die Ergebnisse für die MoN-Beschichtung gezeigt werden, die sich für den geschmierten Fall, den beschichteten Körper mit Nachbehandlung der Beschichtung, und den unbeschichteten polierten Gegenkörper ergeben. Das sind Bedingungen wie sie heute beim Stand der Technik für tribologische Systeme verwendet werden und zu guten Ergebnissen führen. Sie sollen deshalb als Messlatte dienen, um damit auch die später folgende erfinderische Tätigkeit besser beurteilen zu können. Für diese Bedingungen erhält man unter Benutzung des Dieselöls als Schmiermittel die in Abbildung 5 angegebene Kurve für den Reibungskoeffizienten (1), die sich schliesslich bei Werten um 0.2 stabilisiert. Es sei hier nochmals erwähnt, dass der Reibungskoeffizient sehr deutlich vom jeweiligen Schmiermittel abhängt und beispielsweise, für ansonsten gleiche Testbedingungen, bei einem 0W20 Mo-DTC-ÖI unter gleichen Bedingungen bei 0.07 liegt. Zusätzlich wurden noch zwei weitere zeitliche Verläufe des Reibungskoeffizienten in Abbildung 5 dargestellt. Die Kurve (2) zeigt den Verlauf für trockene Bedingungen, für den beschichteten Körper mit Nachbehandlung und den unbeschichteten polierten Gegenkörper. Der Reibungskoeffizient am Ende des Tests liegt in weiten Bereichen der Kurve zwischen 0.5 und 0.6, ist also nicht sehr verschieden von demjenigen, der sich ohne Nachbehandlung der Schicht ergibt (vergleiche Abbildung 1 ). Gegen Ende der Kurve steigt er allerdings plötzlich an und fällt dann wieder ab. Kurzzeitiges Aufschmieren des Gegenkörpermaterials könnte dafür die Ursache sein. Zusätzlich wurde in die Abbildung noch der Verlauf des Reibungskoeffizienten eingetragen, der sich für trockene Bedingungen, beschichtetem Körper und beschichtetem Gegenkörper, aber beiderseits nicht nach behandelter Schicht, ergab (3). Erstaunlicherweise verläuft diese Kurve meist unterhalb von (2) und endet auch deutlich unter dieser Kurve. Der Verschleiss an den MoN Schichten und den jeweiligen Gegenkörpern ist in Abbildung 6 zusammengestellt. Für (1) lässt sich kein Verschleiss der Schicht nachweisen. Auch beim Gegenkörper kommt es zu keinem Verschleiss. Die Markierungen von Schicht und Gegenkörper entstehen durch die Dekoration des Schmiermittels und der Durchmesser in der Dekoration des Gegenkörpers entsteht lediglich durch dessen elastische Deformation im Hertzschen Kontakt Dieses Ergebnis ist typisch für einen tribologischen Kontakt wie er angestrebt wird und ist das Ziel der Optimierung eines tribologischen Kontaktes mittels Beschichtungen, Kurve (2) zeigt kaum Verschleiss der Schicht (Färbung ist wieder eine Dekoration durch das öl). Der Gegenkörper hat jedoch einen deutlichen Verschleiss, der sich kaum, vom Fall A1/B1/C2 in Abbildung 1 unterscheidet. Für die Kurve (3) zeigt der zeitliche Verlauf des Reibungskoeffizienten ein interessantes Verhalten. Vergleicht man (1) mit (3) in Abbildung 5, sieht man beim Verlauf des letzteren nach einer gewissen Zeit eine stetige Abnahme des Reibungskoeffizienten aus dem Bereich zwischen 0.5 und 0.8 auf einen Wert von etwa 0.4. Dieser Effekt könnte sich als eine Art von Selbstglättung erklären lassen. Der Reibungskoeffizient von 0.4 ist immer noch zu gross für die meisten Anwendungen. Aber der Hinweis auf einen Selbstglättung seffekt bei gleichartigen, nicht nachbehandelten Beschichtungen von Körper und Gegenkörper war doch überraschend.

Aus diesem Grund wurden Versuche durchgeführt, bei denen sowohl der Körper wie der Gegenkörper beschichtet wurden und zwar mit dem gleichen Schichtmaterial. Nach der Beschichtung wurde weder der beschichtete Körper noch der beschichtete Gegenkörper nachbehandelt. In Abbildung 7 sind die gemessenen Reibungskoeffizienten als Funktion der Zeit dargestellt. Das CrN System läuft mit dem tiefsten Reibungskoeffizient von 0.4 ein und steigt während des Tests auf Werte zwischen 0.4 und 0.5. MoCuN startet bei einem Reibungskoeffizient um 0.5 und fällt nach wenigen Minuten etwa auf den Wert des CrN. Der Reibungskoeffizient von MoN (diese Kurve wurde schon in Abbildung 5 gezeigt) als härteste Schicht weist anfangs Werte zwischen 0.5 und 0.6 auf und fällt dann zum Schluss des Tests ebenfalls auf Werte zwischen 0,4 und 0,5. In Tabelle 5 sind die entsprechenden Verschleissbilder angegeben. Verglichen mit einem unbeschichteten und polierten Gegenkörper (Abbildung 2), führt die Beschichtung des Gegenkörpers in allen Fällen zu einem deutlich geringeren Durchmesser der Verschleisskappe, demzufolge also zu einem geringeren Gegenkörperverschleiss. Zwischen CrN und MoN ist diesbezüglich kaum ein Unterschied auszumachen. Selbst bei MoCuN ist der Verschleisskappendurchmesser nur unwesentlich grösser. Auffällig sind hier aber die vermehrten Ablagerungen an den Rändern der Verschleissspur, die durch die grössere Spritzerdichte bedingt ist, welche bei der kathodischen Funkenverdampfen von MoCu auftritt. Zum Schluss des Tests liegen die Reibungskoeffizienten dicht beieinander. Aufschmieren findet unter diesen Bedingungen nicht statt.

Die bisherigen Ergebnisse lassen sich folgendermassen zusammenfassen:

• Bei Trockenlauf (trifft sinngemäss, wenn auch weniger stark auch auf Mangelschmierung zu) wird sowohl mit oder ohne Nachbehandlung der Schicht, der un beschichtete 100Cr6 Gegenkörper verschlissen. Bei vielen Schichtsystemen (hier nur CrN als Beispiel gezeigt, aber gültig für fast alle Al-haltigen Schichten wie AICrN, AlCrO, TiAIN aber auch für viele harte Nitridschichten wie TiN, ZrN, NbN) kommt es im Falle eines weicheren Gegenkörpers zu einem Materialtransfer vom Gegenkörper auf die härtere Schicht,

• Die MoN-basierenden Schichten verschleissen unter diesen Bedingungen zwar auch den Gegenkörper, aber es kommt zu keinem Materialtransfer vom Gegenkörper auf die Schicht. Die Ursache dafür ist, dass die MoN-basierenden Schichten den Gegenkörper mit einer Mo-haltigen Schicht einschmieren,

• Ohne eine Nachbehandlung der Schicht, wird der unbeschichtete Gegenkörper auch unter geschmierten Bedingungen verschlissen, obwohl der Reibungskoeffizient klein ist,

• Eine Beschichtung nicht nur des Körpers sondern zusätzlich auch des Gegenkörpers, reduziert für trockene Bedingungen sowohl den Reibungskoeffizienten des tribologischen Systems wie auch den Verschleiss des Gegenkörpers deutlich. Der Effekt des Aufschmierens unterbleibt.

Aus dem Beschriebenen lassen sich folgende zu lösende Probleme ableiten:

• Viele tribologische Systeme, bei dem nur der Körper beschichtet ist (z.B. CrN), versagen, falls sie auch nur kurzzeitig in den Bereich der Mangelschmierung oder Trockenreibung kommen. Mögliche Ursachen kann eine ungenügende oder kurzzeitig unterbrochene Schmiermittelzufuhr sein oder ein kurzzeitig hoher Kontaktdruck der Reibpartner, der das Schmiermittel aus der Kontaktfläche mehr als erwartet weggedrückt. Als Folge davon, und weil das Schichtmaterial meist die besseren mechanischen und thermischen Eigenschaften aufweist, beobachtet man ein Aufschmieren des Gegenkörpers auf dem beschichteten Körper. Das Aufschmieren des Gegenkörpermaterials kann zum Fressen im tribologischen System führen und zu teilweiser oder gänzlichen Blockade. Deshalb muss das Fressen muss verhindert werden. Das wichtigste Ziel der Erfindung ist es deshalb, den Verschleiss des Gegenkörpers im Kontakt mit einem beschichteten Körper zu vermeiden oder zu reduzieren, falls das tribologische System in eine Mangelschmierung hineinläuft.

• Schichten, die mittels kathodischer Funkenverdampfung hergestellt werden (i.a. aber auch andere PVD Schichten wie beispielsweise jene durch Sputtern hergestellte) und welche den Anforderungen für tribologische Anwendungen genügen müssen, müssen i.a. nachbehandelt werden, um deren Oberflächenrauhigkeit und damit den Gegenkörperverschleiss zu reduzieren. Die Nachbehandlung erfordert je nach Substratgeometrie grossen Aufwand und zudem sollte eine optimale Nachbehandlung auch auf den Gegenkörper abgestimmt sein (z.B. Oberflächengüte). Deshalb ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, dass eine Nachbehandlung der beschichteten Teile, die für den Einsatz unter geschmierten Bedingungen vorgesehen sind, nicht mehr notwendig ist.

• Eine freie Auswahl eines an die Schicht mechanisch angepassten Gegenkörpermaterials zur Optimierung eines tribologischen Systems besteht meist nicht. Gründe dafür sind hohe Materialkosten, Verfügbarkeit eines solchen Materials oder weil die Bearbeitung eines solchen Materials zu schwierig und teuer ist. Diese Limitierung soll behoben werden.

Beschreibung der erfinderischen Lösung

Die beschriebene Problematik wird durch eine Beschichtung nicht nur des Körpers, sondern zusätzlich auch des Gegenkörpers gelöst, wobei die Beschichtungen des Körpers und des Gegenkörpers im Wesentlichen an ihrer Oberfläche die gleichen materialverwandten Schichten aufweisen.

Die Schichten werden so ausgewählt, dass sich die im Wesentlichen artverwandten Beschichtungen von Körper und Gegenkörper unter Beigabe eines Schmiermittels selbst glätten, ohne dass es auch nur für eine der Schichten einer Nachbehandlung bedarf.

Materialverwandte Schichten im Kontext der vorliegenden Erfindung sind Schichten, welche eine Elementzusammensetzung aufweisen, die nicht unbedingt gleich ist aber zumindest in 80 Atomprozent übereinstimmt.

Das bedeutet, dass eine erste Schicht oder eine erste Beschichtung und eine zweite Schicht oder eine zweite Beschichtung material verwandte Schichten oder materialverwandte Beschichtungen sind, wenn die Elementzusammensetzung der ersten Schicht oder Beschichtung mit der Elementzusammensetzung der zweiten Schicht oder Beschichtung zumindest in 60 Atomprozent übereinstimmt.

Eine weitere Bedingung zur Lösung der Problematik ist die Eigenschaft des Schichtmaterials, den Gegenkörper zumindest teilweise einzuschmieren.

Eine weitere Bedingung zur Lösung der Problematik ist die Eigenschaft des Schichtmaterials, dass die in der Schicht oder deren Oberfläche vorhandenen Spritzer (auch Droplets genannt) nicht innig mit der Schicht verbunden sind, d.h. sich leicht entfernen lassen, demonstrierbar etwa durch eine Nachbehandlung und Bestimmung der Oberflächengüte, wobei nach der Nachbehandlung Rpk und Rpkx kleiner als Rvk und Rvkx sind.

Die Lösung basiert auf einer Beschichtung, die Mo oder MoN enthält bestehend aus einem MoN-basierenden Schichtmaterial, das zusätzliche Dotierungen anderer Elemente enthalten kann.

Die Beschichtung von Körper und Gegenkörper erfolgt mittels eines PVD Verfahrens oder eines PECVD Verfahrens oder einer Kombination aus diesen Verfahren. Bevorzugtes Verfahren für die Beschichtung ist die reaktive kathodische Funkenverdampfung, In diesem Verfahren wird die Kathode (= Target) aus Mo oder einer Legierung aus Mo und einem (oder mehreren) entsprechenden Dotierungselement(en) mittels kathodischem Funken im Vakuum verdampft und das entsprechende Reaktivgas dem Prozess über einen Gasflussregler zugegeben. Entweder wird die Reaktivgaszugabe über den Gasfluss oder über den Totaldruck geregelt. Das Verfahren ist dem Fachmann bestens bekannt und wird seit vielen Jahren für Beschichtungen im industriellen Rahmen verwendet. Die Dotierungen lassen sich selbstverständlich auch über ein weiteres Target aus dem Dotierungsmaterial oder aber zur Zugabe von Gasen in die Beschichtung einbringen. In letzteren Fall wird über einen regelbaren Gaseinlass das entsprechende Gas der Funkenentladung oder einer anderen Gasentladung zugeführt und entsprechend ganz oder teilweise im Plasma der Funkenentladung oder einem anderen Hilfsplasma zerlegt oder angeregt. Auf diese Art können beispielsweise MoN oder MoCuN (also MoN Schichten mit Cu Dotierung) hergestellt werden. Charakteristisch für Schichten, die mittels Funkenverdampfung hergestellt werden, ist die Rauhigkeit der Schichtoberfläche, die vor allem auf Makropartikel {oder Spritzer) zurückzuführen ist, welche bei der Funken Verdampfung entstehen, die aber auch bei einer Verdampfung durch beispielsweise Sputtern entstehen können. Die Rauhigkeitszunahme in/auf der Schicht durch diese Spritzer ist jedoch besonders bei der kathodischen Funkenverdampfung markant. Eine Nachbehandlung beispielsweise durch Polieren oder

Bürsten oder Mikrostrahlen, zeitigt nicht bei allen Schichten, die mit der kathodischen Funkenverdampfung hergestellt werden, eine deutliche Erniedrigung in der Rauhigkeit. Das liegt daran, dass der Einbau der Spritzer in die Schicht unterschiedlich stabil erfolgt und dass sich aus diesem Grunde die Schichten mehr oder weniger gut nachbehandeln lassen. Für den Fall der MoN-basierenden Schicht funktioniert das Nachbehandeln allerdings gut, sowohl für die reinen MoN Schichten wie auch für die Schichten mit Dotierungen. Das ist in Abbildung 9 dargestellt, in der die Rauhigkeit etwa gleich dicker MoN Schichten mit der von MoCuN vor und nach der Nachbehandlung (hier beispielsweise durch Bürsten, aber das soll nicht als Beschränkung auf dieses Verfahren verstanden werden) verglichen wird. Die ursprüngliche Rauhigkeit des polierten Stahlsubstrates betrug bei den versuchen Rz=0.2 μm und Ra=0.02 μm. Das bedeutet, dass durch die Beschichtung die ursprüngliche Rauhigkeit des unbeschichteten polierten Substrates deutlich erhöht wird. Je nach Art der Beschichtung kann diese Vergrösserung der Rauhigkeit unterschiedlich sein, wie es die Werte in der Abbildung für eine MoN (schwarz) und eine MoCuN (grau) Schicht belegen. In der Abbildung sind zwei Schichten verglichen, die etwa die gleiche Schichtdicke von 2 pm aufweisen. Die Erfahrung zeigt aber auch, dass die Schichtrauhigkeit bei der Funkenbeschichtung nicht nur vom Beschichtungsmaterial abhängt, sondern sich auch mit der schichtdicke erhöht, da die Zahl der Spritzer, die auf die Substratoberfläche auftreffen, kumulieren. Eine Nachbehandlung der Schichten, sollte also entweder die Spritzer von der Schichtoberfläche entfernen oder diese sollten sieh leicht glätten lassen. Die Daten in Abbildung 9 belegen, dass das für die MoN und MoCuN Schichten zutrifft. In der Abbildung sind im linken Quadranten die Rauhigkeitsparameter der Schichten vor der Nachbehandlung angegeben und im rechten diejenigen der nachbehandelten. Aus dem Vergleich sieht man zum einen, dass die Nachbehandlung einen deutlichen Effekt aufweist. Das kann man neben der deutlichen Verkleinerung der Rz und Ra Werte vor allem an den Spitzenrauhigkeiten Rpk und Rpkx erkennen. Erstaunlich ist auch, dass sich die nachbehandelten MoN und MoCuN Schichten kaum noch in den Rauhigkeitswerten unterscheiden. Das war deutlich anders vor der Nachbehandlung. Die Rz und Ra Werte für MoN und MoCuN unterschieden sich deutlich voneinander, wobei MoCuN etwa doppelt so grosse Werte wie MoN aufwies. Noch deutlicher waren die Unterschiede in den Rpk und Rpkx Werten vor der Nachbehandlung, verschwindend gering wieder nach der Nachbehandlung. Bei den Rvk und Rvkx Werten sieht man ebenfalls eine deutliche Verkleinerung nach der Nachbehandlung, allerdings bleibt der Unterschied zwischen den beiden Schichten deutlicher erhalten als es bei den anderen Rauhigkeitskenngrössen der Fall ist.

Die Untersuchungen in Abbildung 9 wurden an Substraten durchgeführt, die vor der Beschichtung eine gut polierte Substratoberfläche aufwiesen. Es ist naheliegend, dass bei vielen Anwendungen keine solch gut polierte Oberflächen vorliegen und diese oft auch gar nicht oder nur mit hohem wirtschaftlichen Aufwand hergestellt werden können. Deshalb wurden auch .technische Oberflächen" untersucht, deren Rauheitswerte im Bereich der Schichtrauigkeit oder sogar darüber liegen. In Tabelle 6 wurden typische Oberflächen von Ventilschäften vor und nach der Beschichtung gemessen. Als Rpkx Wert auf dem Schaft der Ventile wurde 1.33 pm ermittelt. Die Nachbehandlung des Ventilschaftes erfolgte durch Bürsten und danach wurde wieder eine Rauhigkeitsmessung durchgeführt. Dadurch verringerte sich der Rpkx Wert auf etwa 25% des ursprünglichen Wertes, was bedeutet, dass durch die Kombination von Beschichtung und Nachbehandlung die ursprüngliche Rauhigkeit der Oberfläche des Ventilschaftes deutlich verringert wurde. Das ist erstaunlich auch unter dem Aspekt, da die mechanischen Eigenschaften beispielsweise der MoN Schicht sehr deutlich höhere Werte bezüglich Härte und Elastizitätsmodul aufweisen (vergleiche Tabelle 1), als das sowohl für Kaltarbeitsstahl als auch für Schnellarbeitsstahl der Fall ist. Eine Erklärung kann dafür nicht gegeben werden.

Tabelle 2: Vergleich von Oberflächenkenngrössen vor und nach der MoN-Beschichtung (mit Nachbehandlung) von Ventilschäften

Zusammenfassend kann man sagen, dass die MoN-basierenden Schichten sich problemlos nachbehandeln lassen und es zu einer deutlichen Reduktion der für die Spitzenrauhigkeiten charakteristischen werte Rpk und Rpkx kommt. Darüber hinaus ist es möglich, die ursprüngliche Substratrauhigkeit durch eine Kombination von Beschichtung und Nachbehandlung zu verkleinern.

Nachdem nun die Herstellung und die Eigenschaften der MoN-basierenden Schichten bezüglich ihrer Nachbehandlungsfähigkeit beschrieben wurden, soll eingehender auf die Erfindung eingegangen werden, die in bisher nicht geklärter Weise mit diesen Eigenschaften zusammenhängen könnte. Mit Bezug auf Abbildung 7 und Abbildung 8 wurde bereits festgestellt, dass der SRV Test für den Fall dass sowohl der Körper wie der Gegenkörper beschichtet ist und unter trockenen Bedingungen im SRV Test einigermassen erstaunliche Ergebnisse liefert:

• Der Reibungskoeffizient war für MoN deutlich niedriger (0.4 bis 0.5) verglichen mit dem Fall des beschichteten Körpers mit Nachbehandlung und des unbeschichteten polierten Gegenkörpers (0.5 bis 0.6) • Der Gegenkörperverschieiss war deutlich niedriger verglichen mit dem Fall des beschichteten Körpers ohne Nachbehandlung und dem polierten unbeschichteten Gegenkörper für geschmierte Bedingungen.

Vor allem letzteres zeigt das komplexe Verhalten des Gegenkörperverschteisses bezüglich Reibungskoeffizienten, Oberflächenrauhigkeit der Partner im tribologischen Kontakt und der Härten der beiden Reibpartner, Es zeigt auch, dass ein niedriger Reibungskoeffizient keine hinreichende Bedingung ist für einen geringen Gegenkörperverschieiss, Reibungskoeffizient und Gegenkörperverschieiss müssen notwendigerweise für ein tribologisches System optimiert werden.

4. SRV-Test: Geschmiert, beschichteter Körper und beschichteter Gegenkörper, ohne Nachbehandlung der Schichten

Basierend auf den oben diskutierten Ergebnissen, war es nun von grossem Interesse, den SRV-Test mit beschichtetem Körper und beschichtetem Gegenkörper unter geschmierten Bedingungen durchzuführen. Die Verläufe des Reibungskoeffizienten für diese Versuche sind in Abbildung 10 dargestellt. Alle Kurven zeigen sehr geringes Rauschen, das sich nur mit dem der Kurve 1 in Abbildung 3 vergleichen lässt. Den grössten Reibungskoeffizienten mit etwa 0.2 weist die mit CrN beschichtete Paarung auf. MoN und MoCuN können kaum voneinander unterschieden werden. Das trifft sogar auf das Einlaufverhalten zu. Zu Testende zeigt der Reibungskoeffizient Werte zwischen 0.16 und 0.17. Diese Reibungskoeffizienten sind also nicht grösser als derjenige der Kurve 2 in Abbildung 3, der 0.17 beträgt. Aus den obigen Untersuchungen konnte man aber lernen, dass ein niedriger Reibungskoeffizient noch keine Garantie für einen niedrigen Verschleiss bietet, vor allem nicht was den Gegenkörperverschieiss betrifft. Die Verschleissuntersuchungen sind in Tabelle 2 angegeben. Für die Schichten gibt es praktisch keinen Verschleiss. lediglich im Falle des CrN kann man Streifen erkennen, die sowohl auf eine Dekoration durch das Schmieröl wie auch auf Kratzer durch die aus der Schicht herausgearbeiteten Spritzer hinweisen. Der Gegenkörper weist beim CrN auch solche Streifen auf. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass trotz der grösseren Oberflächenrauhigkeit beim MoCuN beim entsprechenden Gegenkörper keine solchen Streifen auftreten. Sowohl beim MoN wie beim MoCuN kann man keinen Verschleiss messen, weder an den Schichten noch am Gegenkörper. Man beobachtet lediglich eine beidseitige Glättung deren Bereich über die Deformation durch die Hertz'sche Pressung festgelegt ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei einer Beschichtung von Körper und Gegenkörper und unter geschmierten Bedingungen in MoN-basierendem Material eine Selbstglättung auftritt, d.h. dass keine der beiden Beschichtungen nach behandelt werden muss, um solche idealen Bedingungen wie sie in der Kurve 1 von Abbildung 5 dargestellt sind, zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung ist eine hervorrangende Lösung für die Verbesserung des tribologischen Verhaltens und Reduzierung des Verschleisses von:

Teilen von Schneckengetrieben, Planetengetrieben, Differentialgetrieben, Kurbelgetrieben, Rollengetrieben, Rädergetrieben, Schraubengetrieben, Kurbelgetriebe, Sperrgetriebe wie Zahnräder, Stirnräder. Kugelräder sowie deren Achsen und Lager

Teilen von Kompressoren wie Kolben, Flügel, Schaufeln, Drehschieber

Teilen von Kugellagern wie Kugeln, Käfige, Rollen, Walzen

Teilen von Pumpen wie Druckbolzen, Stössel, Kolben

Werkzeugen wie Spritzgusswerkzeuge, Form- und Stanzwerkzeuge, Gewindeschneidwerkzeuge, Schneidwerkzeuge

Teilen von Maschinenwerkzeugen wie Einspannsysteme, Anschlussstücke, Führungsschienen

Teilen von Textilmaschinen wie Fadenführungen, Spindeln, Spinnringe, Garnhalter

Teilen von Verbrennungsmotoren und deren Antriebssystemen wie Zylinder, Kolben, Kolbenbolzen, Stössel, Tastenstössel, Topfstössel, Flachstössel, Pilzstössel, Rollenstössel, Kolben, Kolbenringe, Kolbenpumpe, Pleuel, Pleuellager, Radialwellendichtringe, Lager, Buchsen, Schäfte Kurbelwellen, Kurbelwellenlager, Nockenwellen, Nockenwellenlager, Rädertrieb, Kurbelstange, Oelpumpe, Wasserpumpe Einspritzsystem, Kipphebel, Schwinghebel, Schlepphebe], Gehäuse, Turboladerteile, Flügel, Bolzen, Ventilsteuerung, Ventiltrieb, Ein- und Auslassventile, Lager von Kühlmittelpumpen, Teile von Einspritzpumpen

Uhrwerken und deren Komponenten

Teilen von Vakuumpumpen wie Vorpumpen, Rootspumpen und

Turbomolekularpumpen, insbesondere Lager

Dichtungen und Ventilen

Teilen von Turbinen wie Lager und Stangen

Teilen von Windgeneratoren wie Lager Beschriftungen der Abbildungen:

• Abbildung 1 : Zeitlicher Verlauf der Reibungskoeffizienten unter den SRV- Testbedingungen A1/B1/C2 für die BeSchichtungen des Körpers mit CrN (1), MoN (2) und MoCuN (3).

• Abbildung 2: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleissspur auf der CrN (a), MoN (b) und MoCuN (c) Schicht (obere Zeile) mit den entsprechenden Verschleiss des unbeschichteten Gegenkörpers (d-f, untere Zeile) für die Testbedingungen A1/B1/C2.

• Abbildung 3; Zeitlicher Verlauf der Reibungskoeffizienten unter den SRV- Testbedingungen A2/B1/C2 für die Beschichtungen des Körpers mit CrN (1), MoN (2) und MoCuN (3).

• Abbildung 4; Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleissspur auf der CrN (a), MoN (b) und MoCuN (c) Schicht (obere Zeile) mit den entsprechenden Verschleiss des unbeschichteten Gegenkörpers (d-f, untere Zeile) für die Testbedingungen A2/B1/C2.

• Abbildung 5: Zeitlicher Verlauf der Reibungskoeffizienten im Falle der MoN- Beschichtungen für die Testbedingungen A2/B1/C1 (1), A1/B1/C1 (2) und A1/B2/C2.

• Abbildung 6: Vergleich des Verschleiss für MoN Schichten für unterschiedlichen Bedingungen im SRV-Test, Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleissspur (obere Zeile) und des entsprechenden Verschleisses des Gegenkörpers (untere Zeile) für die Bedingungen A2/B1/C1 (a vs d), A1/B1/C1 (b vs e) und A1/B2/C2 (c vs f),

• Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der Reibungskoeffizienten unter den SRV- Testbedingungen A1/B2/C2 für die Beschichtungen des Körpers mit CrN (1), MoN (2) und MoCuN (3),

• Abbildung 8: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleissspur auf der CrN (a), MoN (b) und MoCuN (c) Schicht (obere Zeile) mit den entsprechenden Verschleiss des mit derselben Schicht beschichteten Gegenkörpers (d-f, untere Zeile) für die Testbedingungen A1/B2/C2.

• Abbildung 9: Vergleich von MoN und MoCuN Schichten vor (links) und nach (rechts) der Nachbehandlung, Man sieht, dass die Nachbehandlung zu einer deutlichen Verkleinerung der Rpk und Rpkx Werte führt. Auch für die Rvk und Rvkx Werte trifft das zu. Aber die Verkleinerung dieser Werte ist weniger ausgeprägt als bei den Rpk und Rpkx Werten (zur Definition der Werte siehe [2]).

• Abbildung 10: Zeitlicher Verlauf der Reibungskoeffizienten unter den SRV- Testbedingungen A2/B2/C2 für die Beschichtungen des Körpers mit CrN (1), MoN (2) und MoCuN (3). Abbildung 11 : Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleissspur auf der CrN (a), MoN (b) und MoCuN (c) Schicht (obere Zeile) mit den entsprechenden Verschleiss des unbeschichteten Gegenkörpers (d-f, untere Zeile) für die Testbedingungen A2/B2/C2.

Konkret betrifft die Erfindung ein triboiogisches System, welches einen Körper mit einer ersten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer ersten Beschichtung, einen Gegenkörper mit einer zweiten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer zweiten Beschichtung und Schmierstoff als Zwischenmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beschichtung jeweils eine Schicht als äusserste Schicht aufweisen, wobei die Zusammensetzung der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und die Zusammensetzung der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung so ausgewählt sind, wobei

• beide äussersten Schichten Stahl-Oberflächen einschmieren, wenn sie unter tribologischem Kontakt mit Stahl ausgesetzt werden, und

• beide äussersten Schichten materialverwandte Schichten sind, so dass die Elementzusammensetzung der ersten äussersten Schicht mit der Elementzusammensetzung der zweiten äussersten Schicht zumindest in 60 Atomprozent übereinstimmt.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Oberfläche der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und/oder die Oberfläche der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung nicht nachbehandelt, so dass die Oberfläche der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und/oder die Oberfläche der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung beim Beginn des tribologischen Kontakts (zwischen der Kontaktflächen des Körpers und Gegenkörpers) Droplets aufweisen, welche sich durch die relative Bewegung der beschichteten Kontaktflächen glätten und/oder entfernen lassen. Solche äusserste Schichten mit Droplets können beispielweise mittels Are-Verdampfung abgeschieden werden. Are-Schichten weisen in der Regel eine exzellente Schichtqualität auf, aber gleichzeitig haben den Nachteil, dass sie Droplets aufweisen. Deshalb müssen solche Schichten vor einer tribologischen Anwendung derart nachbehandelt werden, dass die Droplets geglättet oder entfernt werden. Jedoch sind die Droplets gemäss dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig, sondern im Gegenteil sehr vorteilhaft, da diese Droplets zur gegenseitigen Glättung beitragen, ohne dass Schichtbeschädigungen oder Schichtabplatzungen produziert werden. In tribologischen Systemen gemäss der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder insbesondere ein sehr gutes tribologisches Verhalten beobachtet, wenn die Droplets nicht innig mit der Schichten verbunden waren. Die Erfinder haben weiter festgestellt, dass in diesen Fällen die Rauhigkeitswerte Rpk und Rpkx der untersuchten äusserten Schichten, nach einer mechanischen Nachbehandlung oder nach dem tribologischen Kontakt während eines Betriebs des tribologischen Systems, kleiner als die Rauhigkeitswerte Rvk und Rvkx waren.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die äusserste Schicht der ersten Beschichtung und/oder die äusserste Schicht der zweiten Beschichtung Molybdän. Noch bevorzugt enthält die äusserste Schicht der ersten Beschichtung und/oder die äusserste Schicht der zweiten Beschichtung Molybdännitrid.

Als sehr vorteilhaft haben auch die Erfinder gefunden, dass zumindest eine der Molybdännitrid-enthaltenden Schichten ein Dotierelement oder eine Kombination von Dotierelementen aus den Elementen Cu, Cr, Ti, Zr. Si, O, C, Zr, Nb, Ag, Hf, Ta, W, B, Y, Pt, Au, Pd und V enthält. Vorzugsweise, zumindest in einer der Molybdännitrid-enthaltenden Schichten ist das Dotierelement Cu oder die Kombination von Dotierelementen enthält grösstenteils Cu.

Gemäss noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, weist die erste und/oder die zweite Beschichtung zumindest eine weitere Schicht unter der äusserte Schicht auf, wobei die untere Schicht ein Oxidschicht. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn das tribologische System zuerst bei einer niedrigen Temperatur, beispielweise Raumtemperatur im Betrieb gesetzt wird, und nachträglich bei höheren Temperaturen betrieben wird. In diesem Fällen kann es auch sein, dass die Oxidschichten mittels Are-Verdampfung abgeschieden werden. Die äusserten Schichten können dann als Opferschichten funktionieren, so dass sie die Gtättung der beschichteten Kontaktoberflächen initiieren. Auf diese Weise werden auch die Droples der Oxidschichten sanft geglättet oder entfernt werden, ohne dass die Droplets in den Oxidschichten zu Beschädigungen oder Abplatzungen der Beschichtungen führen. Vorzugsweise die erste und die zweite Beschichtung weisen jeweils eine Oxidschicht unter der äussersten Schicht auf, wobei die Zusammensebung der beiden Oxidschichten so ausgewählt wird, dass die Oxidschichten materialverwandte Schichten sind, so dass die Zusammensetzung der Oxidschicht in der ersten Beschichtung mit der Zusammensetzung der Oxidschicht in der zweiten Beschichtung zumindest in 60 Atomprozent übereinstimmt.

Vorzugsweise werden zumindest die äussersten Schichten der Beschichtungen mittels Arc- Verdampfung abgeschieden. Auf diese Weise sind zumindest die in den äussersten Schichten vorhandenen Droplets„charakteristische mittels Arc-Verdampfung produzierten Droplets" und die Schichten weisen eine exzellente Schichtqualität hinsichtlich weiteren Schichteigenschaften auf.

Vorzugsweise werden auch die Oxidschichten mittels Are-Verdampfung abgeschieden und weisen daher„charakteristische Droplets" und exzellente Schichtqualität auf.

Die erste und die zweite Beschichtung können aber auch weitere untere Schichten aufweisen, die beispielweise eine oder mehrere Stützschichten, oder eine oder mehrere Haftschichten zur Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat sein können.

Claims

Ansprüche

1. Tribologisches System, welches einen Körper mit einer ersten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer ersten Beschichtung, einen Gegenkörper mit einer zweiten Kontaktfläche zumindest teilweise beschichtet mit einer zweiten Beschichtung und Schmierstoff als Zwischenmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beschichtung jeweils eine Schicht als äusserste Schicht aufweisen, wobei die Zusammensetzung der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und die Zusammensetzung der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung so ausgewählt sind, dass

2, Tribologisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der äussersten Schicht der ersten Beschichtung und/oder die Oberfläche der äussersten Schicht der zweiten Beschichtung beim Beginn des tribologischen Kontakts zwischen der Kontaktflächen des Körpers und Gegenkörpers Droplets aufweisen, welche sich durch die relative Bewegung der beschichteten Kontaktflächen glätten und/oder entfernen lassen.

3. Tribologisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Droplets nicht innig mit der Schichten verbunden sind, so dass die Rauhigkeitswerte Rpk und Rpkx nach einer mechanischen Nachbehandlung oder nach dem tribologischen Kontakt während eines Betriebs des tribologischen Systems kleiner als die Rauhigkeitswerte Rvk und Rvkx sind.

4. Tribologisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Schicht der ersten Beschichtung und/oder die äusserste Schicht der zweiten Beschichtung Molybdän enthält.

5. Tribologisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Schicht der ersten Beschichtung und/oder die äusserste Schicht der zweiten Beschichtung Molybdännitrid enthält,

6. Tribologisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Molybdännitrid-enthaltenden Schichten ein Dotierelement oder eine Kombination von Dotierelementen aus den Elementen Cu, Cr, Ti, Zr, Si, O, C, Zr, Nb, Ag, Hf, Ta, W, B, Y, Pt, Au, Pd und V enthält.

7. Tribologisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer der Molybdännitrid-enthaltenden Schichten das Dotierelement Cu ist oder die Kombination von Dotierelementen grösstenteils Cu enthält.

8. Tribologisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Beschichtung zumindest eine weitere Schicht unter der äusserte Schicht aufweist, wobei die untere Schicht ein Oxidschicht.

9. Tribologisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Beschichtung eine Oxidschicht unter der äussersten Schicht aufweisen, wobei die Zusammensetzung der beiden Oxidschichten so ausgewählt wird, dass die Oxidschichten materialverwandte Schichten sind, so dass die Zusammensetzung der Oxidschicht in der ersten Beschichtung mit der Zusammensetzung der Oxidschicht in der zweiten Beschichtung zumindest in 60 Atomprozent übereinstimmt.

10. Tribologisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äussersten Schichten der Beschichtungen mittels Are-Verdampfung abgeschieden wurden und daher die vorhandene Droplets charakteristische Droplets sind, welche während der Durchführung des Are- Verdampfungsverfahren produziert wurden.

11. Tribologisches System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschichten mittels Arc-Verdampfung abgeschieden wurden und daher charakteristische Droplets aufweisen.