DE102008040766A1

DE102008040766A1 - Verschleißschutzschichtanordnung sowie Bauelement mit Verschleißschutzschichtanordnung

Info

Publication number: DE102008040766A1
Application number: DE200810040766
Authority: DE
Inventors: Kurt Burger; Ronald Neidhardt; Klaus Burghoff; Rainer Feuerfeil; Guenter Schneider; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2010012701A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung (1), insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzten Bauelemente (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einer aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildeten oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisenden Schutzschicht (4), und mit einer aus Chrom gebildeten oder einen Chrom-Anteil aufweisenden ersten Haftvermittlerschicht (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine an die erste Haftvermittlerschicht (2) angrenzende, einen Kohlenstoff-Anteil aufweisende zweite Haftvermittlerschicht (3) vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauelement (B).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzte Bauelemente eines Kraftstoffeinspritzsystems, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Bauelement gemäß Anspruch 9.
Bei Bauelementen in der Dieseleinspritztechnik wird serienmäßig von der Anmelderin seit etwa 1997 eine metallfreie, amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht (a–C:H-Schicht) als Verschleißschutzschicht zur Minderung von Reibung und Verschleiß eingesetzt. Die Dicke der durch plasmatechnische Verfahren auf der Bauelementoberfläche aufgetragenen Kohlenstoffschicht beträgt zwischen 1 μm und 3 μm.
Seit September 2006 werden auf Bauelementen von Dieseleinspritzsystemen tetragonal amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschichten (ta-C-Schicht) eingesetzt, die sich gegenüber den a-C:H-Schichten durch verbesserte Eigenschaften auszeichnen. Um die ta-C-Schicht haftfest auf das Bauelement aufbringen zu können, wird die ta-C-Schicht als Bestandteil einer Verschleißschutzschichtanordnung vorgesehen, die zusätzlich zu der ta-C-Schicht eine Haftvermittlerschicht aus Plasma unterstützt abgeschiedenem Titan aufweist. Die bekannte Verschleißschutzschichtanordnung hat sich bewährt. Es bestehen jedoch, insbesondere im Hinblick auf die in der Einspritztechnologie immer weiter steigenden Drücke, Bestrebungen die Haftfestigkeit von ta-C-Schichten auf Bauelementoberflächen zu verbessern.
Aus der DE 10 2005 062 204 A1 ist eine Verschleißschutzbeschichtung für im Vergleich zu Einspritzsystembauelementen geringen Drücken ausgesetzten Druckmaschinenelemente bekannt. Diese umfasst eine Schutzschicht aus tetragonal gebundenem amorphem Kohlenstoff, wobei zwischen der Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates und der Kohlenstoff-Schutzschicht eine Chromschicht als Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Die bekannte Schutzschichtanordnung ist nicht für die rauen, in Kraftstoffeinspritzsystemen auftretenden Umgebungsparametern von Drücken über 2000 bar und Temperaturen um 400°C geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders haltbare Schutzschichtanordnung vorzuschlagen. Diese sollte bevorzugt Prüfbedingungen unter einer inerten Gasatmosphäre bei 400°C über einen Zeitraum von 150 Stunden, zumindest weitgehend, beschädigungsfrei überstehen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein mit einer entsprechenden Schutzschichtanordnung beschichtetes Bauelement, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzsystems vorzuschlagen.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Schutzschichtanordnung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Bauelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zusätzlich zu einer ersten Haftvermittlerschicht aus reinem Chrom oder zumindest mit einem Chromanteil eine zweite Haftvermittlerschicht vorzusehen, die einen Kohlenstoffanteil enthält. Durch diese Maßnahme kann die Haftfestigkeit der Verschleißschutzschichtanordnung auf einem zu beschichtenden Bauteil, insbesondere für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, wesentlich verbessert werden. Bevorzugt ist die Schutzschicht mit tetragonal gebundenem, amorphem Kohlenstoff wasserstofffrei. Insbesondere kann eine verbesserte Temperaturbeständigkeit bei Prüftests unter einer inerten Gasatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 400°C über einen Zeitraum von 150 Stunden erreicht werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die zweite Haftvermittlerschicht zusätzlich zu dem Kohlenstoffanteil einen Chromanteil aufweist. Anders ausgedrückt ist die zweite Haftvermittlerschicht bevorzugt als Mischschicht, umfassend Kohlenstoffanteile und Chromanteile, ausgeführt. Durch diese Maßnahme wird eine besonders haftfeste Schutzschichtanordnung erhalten.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die zweite Haftvermittlerschicht als sogenannte Gradientenschicht mit an mindestens zwei Stellen unterschiedlichem Chrom-/Kohlenstoffverhältnis ausgebildet ist. Zur weiteren Verbesserung der Haftfestigkeit der Verschleißschutz schichtanordnung ist es dabei bevorzugt, wenn der Kohlenstoffanteil mit zunehmender Schichtdicke in Richtung Schutzschicht, bevorzugt linear, zunimmt.
Von ganz besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Verschleißschutzschichtanordnung, bei der die Schutzschicht aus tetragonal gebundenem, amorphem Kohlenstoff unmittelbar auf die zweite Haftvermittlerschicht aufgebracht ist. Besonders bevorzugt bildet die Schutzschicht dabei eine äußere Schicht der Verschleißschutzschichtanordnung, also eine Deckschicht, die in unmittelbarem Kontakt mit Betriebsmedien, beispielsweise Kraftstoff, gelangt.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf eine optimierte Haftfestigkeit der Verschleißschutzschichtanordnung werden erreicht, wenn die erste Haftvermittlerschicht und/oder die zweite Haftvermittlerschicht eine Schichtdicke aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und etwa 300 nm aufweisen/aufweist. Besonders bevorzugt ist die Gesamtdicke der Verschleißschichtanordnung aus einem Wertebereich zwischen etwa 1 μm und 10 μm gewählt.
Besonders bevorzugt ist es, die erste Haftvermittlerschicht mittels eines PVD-Verfahrens (physikalische Gasphasenabscheidung) unmittelbar auf die Oberfläche des zu beschichtenden, vorzugsweise zumindest im zu beschichtenden Bereich aus Stahl bestehenden, ersten Bauteils aufzubringen. Mit Vorteil wird hierzu ein Chrom-Target gesputtert, in dem dieses mit inerten Argonionen beschossen wird. Idealerweise wird auch die Schutzschicht mittels eines PVD-Verfahrens, vorzugsweise unter Vakuum, ganz bevorzugt durch Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) aufgebracht. Für den Fall, dass die zweite Haftvermittlerschicht als Mischschicht umfassend o der bestehend aus Chrom und Kohlenstoff ausgebildet wird, ist es bevorzugt, diese zweite Haftvermittlerschicht durch ein kombiniertes PVD/CVD-Verfahren (CVD = chemische Gasphasenabscheidung) aufzubringen, wobei das Chrom-Target weiterhin durch Ionenbeschuß zerstäubt und damit in die Gasphase überführt wird und zusätzlich Acetylengas (Ethin) eingeleitet wird, was zur Aufkonzentration von Kohlenstoff in der zweiten Haftvermittlerschicht führt. Durch eine geeignete Prozessführung kann der Anteil an Kohlenstoff mit zunehmender Schichtdicke erhöht werden.
Die Erfindung führt auch auf ein Bauelement, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzsystems. Ganz besonders bevorzugt besteht das Bauelement, zumindest in dem zu beschichtenden Bereich, aus Stahl. Das Bauelement zeichnet sich durch eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete, zuvor beschriebene Verschleißschutzschichtanordnung aus. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauelement um ein Bestandteil eines Kraftstoffinjektors, insbesondere um eine Düsennadel, die vorzugsweise zumindest im Sitzbereich mit einer Verschleißschutzschichtanordnung versehen ist. Ebenso kann es sich bei dem Bauelement um ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, vorzugsweise um einen starken Beanspruchungen ausgesetzten Pumpenflügel, handeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen
1 ein mit einer dreischichtigen Verschleißschutzschichtanordnung beschichtetes Bauelement aus Stahl eines Kraftstoff-Einspritzsystems.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein mit einer Verschleißschutzschichtanordnung 1 beschichtetes Bauelement B aus Stahl gezeigt. Bei dem Bauelement B handelt es sich um ein Bauelement eines Einspritzsystems, vorzugsweise um eine Düsennadelspitze eines Kraftstoff-Injektors oder einen Pumpenflügel, einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe zur Versorgung eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers (Rail).
Wie sich aus 1 ergibt, ist die Verschleißschutzschichtanordnung 1 unmittelbar auf eine äußere Oberfläche O des Bauelementes B aufgebracht. Die Verschleißschutzschichtanordnung 1 umfasst eine erste Haftvermittlerschicht 2 aus reinem Chrom. Die Schichtdicke dieser ersten Haftvermittlerschicht 2 ist aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und etwa 300 nm gewählt. Die erste Haftvermittlerschicht 2 ist mittels eines PVD-Verfahrens, umfassend das Beschießen eines Chrom-Targets mit Argonionen auf die Oberfläche O aufgebracht.
Unmittelbar an die erste Haftvermittlerschicht 2 grenzt eine zweite Haftvermittlerschicht 3 an. Diese ist als Mischschicht, umfassend die Bestandteile Chrom und Kohlenstoff, ausgebildet. Dabei nimmt der Kohlenstoffanteil der als Gradientenschicht ausgebildeten zweiten Haftvermittlerschicht 3 ausgehend von der ersten Haftvermittlerschicht 2 in Richtung in der Zeichnungsebene nach oben, also mit zunehmender Schichtdicke zu. Die zweite Haftvermittlerschicht 3 weist ebenfalls eine Schichtdicke aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und etwa 300 nm auf. Zum Aufbringen der zweiten Haftvermittlerschicht 3 wird ein kombiniertes PVD/CVD-Verfahren angewendet, wobei zu den Argonionen zum Sputtern eines Chrom-Targets Acetylengas zugeleitet wird.
Unmittelbar auf der zweiten Haftvermittlerschicht 3 befindet sich die als Deckschicht dienende Schutzschicht 4. Diese besteht aus tetragonal gebundenem, amorphen, wasserstofffreien Kohlenstoff. Die Schutzschicht 4 wird mittels eines PVD-Verfahrens, bei dem Kohlenstoff mittels eines Vakuum-Lichbogens verdampft, auf die zweite Haftvermittlerschicht 3 aufgebracht.
Die in 1 gezeigte, auf das Bauelement B aufgebrachte Verschleißschutzschichtanordnung 1 weist eine besonders gute Haftfestigkeit und Temperaturbeständigkeit auf. Insbesondere ist die Verschleißschutzschichtanordnung 1 temperaturbeständig bei einem Prüfverfahren, bei dem das beschichtete Bauelement B unter inerter Gasatmosphäre für 150 Stunden mit einer Temperatur von etwa 400°C beaufschlagt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005062204 A1 [0004]

Claims

Verschleißschutzschichtanordnung, insbesondere für hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzten Bauelemente (B) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einer aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildeten oder einen Anteil an tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisenden Schutzschicht (4), und mit einer aus Chrom gebildeten oder einen Chrom-Anteil aufweisenden ersten Haftvermittlerschicht (2), gekennzeichnet durch, mindestens eine an die erste Haftvermittlerschicht (2) angrenzende, einen Kohlenstoff-Anteil aufweisende zweite Haftvermittlerschicht (3).
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) einen Anteil Chrom aufweist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) als Gradientenschicht mit unterschiedlichen Chrom/Kohlenstoffgradienten ausgebildet ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff-Anteil in der zweiten Haftvermittlerschicht (3) ausgehend von der ersten Haftver mittlerschicht (2) mit zunehmender Schichtdicke zunimmt.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) unmittelbar auf die zweite Haftvermittlerschicht (3) aufgebracht ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haftvermittlerschicht (2) und/oder die zweite Haftvermittlerschicht (3) eine Schichtdicke aus einem Wertebereich zwischen etwa 50 nm und 300 nm aufweisen/aufweist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Verschleißschutzschichtanordnung (1) aus einem Wertebereich zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm gewählt ist.
Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haftvermittlerschicht (2) und/oder die Schutzschicht (4) mittels PVD aufgebracht sind/ist und/oder dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) durch ein kombiniertes PVD/CVD-Verfahren aufgebracht ist.
Bauelement, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Verschleißschutzschichtanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (B) ein Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eine Düsennadel, oder ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, insbesondere ein Pumpenflügel, ist.