Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring mit einer Beschichtung auf zumindest einer

Lauffläche sowie ein Verfahren zur Herstellung eines

Gleitelements .

Gleitelemente, wie z.B. Kolbenringe, Kolben oder

Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren müssen über eine lange Lebensdauer sowohl bei möglichst geringer Reibung als auch mit geringem Verschleiß arbeiten. Zwar kann die Reibung, die bei Verbrennungsmotoren unmittelbar mit dem

Kraftstoffverbrauch einhergeht, durch Beschichtungen aus DLC (diamond-like carbon) gering gehalten werden. Ferner können grundsätzlich Schichtdicken bis 40 μm erreicht werden. Jedoch ergibt sich bei Schichtdicken von mehr als 5 μm das Problem, dass sich die Schichteigenschaften, beispielsweise im

Hinblick auf den Aufbau und die Zusammensetzung der Schicht, verändern, so dass die geforderte Lebensdauer nicht erreicht wird. Dies gilt in gleicher Weise für Schichtdicken von weniger als 5 μm.

Ziel dieser Erfindung ist es, ein Gleitelement mit einer metallhaltigen Haftschicht sowie einer DLC-Beschichtung des Typs ta-C mit einer geeigneten Schichtdicke darzustellen, um minimale Reibleistungsverluste während der gesamten

Lebensdauer des Bauteil zu gewährleisten. Stand der Technik

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) sind eine

metastabile Form von amorphem Kohlenstoff mit einem

signifikanten Anteil an sp ³ -hybridisiertem Kohlenstoff. Die Darstellung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten auf unterschiedlichen Subtraten zur Entwicklung von neuen

Bauteilen erfolgt heutzutage mittels unterschiedlichen

Prozessen. Die bekanntesten Prozesse, mit denen serienfähige Gleitelemente beschichtet werden können, sind der PA-CVD, das Sputtern sowie der Vakuum Lichtbogenverdampfungsprozess (DE4006456) . Die dadurch darstellbaren Schichtsysteme sind üblicherweise Wasserstoffhaltig, bei PA-CVD, sowie

Wasserstofffrei beim Sputtern oder dem Vakuum

Lichtbogenverdampfungsprozess . Eine Zusammenfassung der möglichen DLC Schichtsysteme findet sich in der VDI

Richtlinie 2840 Kohlenstoffschichten .

Tabelle 1 listet die Dokumente auf, die im Rahmen dieser Anmeldung zur Darstellung des Stands der Technik beitragen. In der Auflistung wird zwischen Prozess- und Produktrelevanten Druckschriften unterschieden.

Aus der EP 0724023 ist eine wasserstofffreie (< 0,5at%) DLC- Beschichtung mit gutem Reibungsverhalten unter nicht

geschmierten Bedingungen sowie unter reduziertem

Schmiermitteleinsatz bekannt. Diese Schicht hat eine Härte von > 40 GPa sowie ein E-Modul von > 400 GPa bei einer maximalen Dicke von wenigen μm.

Aus der DE 10 2005 063 123 B3 ist ein Gleitelement mit einer DLC-Beschichtung mit gutem Einlaufverhalten bekannt. Durch die zu geringe Lebensdauer kann eine dauerhaft niedrige

Reibung nicht über die gesamte Lebensdauer des Gleitelements gewährleistet sein.

Die DE 10 2008 016 864 betrifft ein Gleitelement mit einer mehrlagigen Beschichtung, die von innen nach außen eine

Haftschicht, eine metall- und wasserstoffhaltige DLC-Schicht und eine metallfreie wasserstoffhaltige DLC-Schicht aufweist.

Aus der DE 197 35 962 A1 geht eine Führungsbuchse und ein Verfahren zur Ausbildung eines harten Kohlenstofffilms auf der Innenfläche der Führungsbuchse hervor, bei dem auf der Innenfläche ein harter Kohlenstofffilm aus hydriertem, amorphen Kohlenstoff durch ein Plasma-CVD-Verfahren

ausgebildet wird.

Die WO 2006/125683 AI zeigt einen Kolbenring, der von innen nach außen eine Schicht mit einem Element der Gruppen IVB, VB oder VIB, eine Zwischenschicht mit einer diamantartigen

Nanokomposit-Zusammensetzung und eine DLC-Schicht aufweist.

Es ist bekannt, dass gute Verschleißwerte erreicht werden, wenn der Anteil an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen möglichst hoch, insbesondere größer als 60 At% ist. Derartige Schichten werden als ta-C-Schichten bezeichnet und können durch herkömmliche Sputtervorgänge oder sogenannte Vakuum- Arc-Prozesse realisiert werden (vgl. hierzu DE 40 40 456 Cl und DE 198 50 218 C1 aus Tabelle 1) . Wasserstofffreie ta-C-Beschichtungen können mit einer Dicke von wenigen

Mikrometern als sauerstoffhaltige (vgl. beispielsweise die Lehre der DE 10 2008 022 039 A1 aus Tabelle 1) und als

Sauerstoff- und Wasserstofffreie Schichten hergestellt werden (vgl. hierzu EP 0 724 023 A1).

Bekannt sind in diesem Zusammenhang ferner PVD-Beschichtungen auf Hartstoffbasis , die zumeist Chromnitrid aufweisen.

Derartige Schichten haben zwar die erforderliche

Verschleißbeständigkeit, nicht jedoch den notwendigen

niedrigen Reibkoeffizienten.

Darstellung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement zur Verfügung zu stellen, das im Hinblick auf die Kombination aus Reibungskoeffizienten und Verschleißeigenschaften weiter verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gleitelements geschaffen werden.

Demzufolge weist das erfindungsgemäße Gleitelement auf zumindest einer Lauffläche von innen nach außen eine

Beschichtung mit einer metallhaltigen Haftschicht und einer DLC-Schicht des Typs ta-C mit einer Dicke von mindestens 10 um auf. Die metallhaltige Haftschicht sorgt in

vorteilhafter Weise nicht nur für eine Haftung der DLC- Schicht, sondern kann auch die in dieser Schicht auftretenden Eigenspannungen ausgleichen. Die Mindestschichtdicke von 10 μm sorgt für die erforderliche Verschleißbeständigkeit und ermöglicht darüber hinaus gute Reibungswerte über die

Motorlebensdauer. Insbesondere kann das Verschleißverhalten sowohl auf dem Gleitelement, insbesondere auf dem Kolbenring selbst, als auch an dem Gegenkörper, wie z.B. der

Zylinderlaufbuchse eingestellt werden. Die Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung wird durch die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte, insbesondere die Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche durch ein

Metallionensputterverfahren, sowie die beschriebenen

Herstellungsverfahren für die Haft- und die DLC-Schicht gewährleistet. Folglich kann ein deutlich verbessertes

Gleitelement bereitgestellt werden.

Eine der zentralen Anforderungen an das Gleitelement, insbesondere den Kolbenring, besteht in der Bereitstellung einer lebensdauerfähigen Beschichtung, um während des gesamten Betriebs möglichst geringe Reibleistungsverluste zu gewährleisten. In ersten motorischen Validierungen wurde festgestellt, dass zwar für das System taC-beschichteter Kolbenring / AlSi Laufbahn ein im Vergleich zu

Wasserstoffhaltigen DLC-beschichteten Kolbenringen um 60% geringerer Verschleiß erreicht wurde, aber je nach Anwendung und Laufpartner eine Schichtdicke von mindestens 10μm

notwendig ist. Die Dicke der gesamten Beschichtung beträgt bevorzugt bis zu etwa 20 μm.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den weiteren Ansprüchen .

Um insbesondere bei ta-C Schichtdicken größer als wenige μm eine ausreichende Schichthaftung zu gewährleisten, ist es ferner notwendig, eine metallhaltige Haftschicht zwischen Substrat und DLC-Schicht darzustellen. Für die Haftschicht wird derzeit aufgrund erster Erkenntnisse bevorzugt, dass diese mindestens einer der folgenden Materialien enthält: Chrom, Titan, Chromnitrid und Wolfram.

Ferner hat sich für die Haftschicht eine Dicke von 0,1 um bis 1,0 μm als vorteilhaft erwiesen.

Besonders gute Eigenschaften wurden ferner festgestellt, wenn die DLC-Schicht im Wesentlichen Sauerstoff- und/oder Wasserstofffrei ist, d.h. einen Anteil dieser Elemente von weniger als jeweils 0,5 At% aufweist.

Ebenfalls hat die Härte und das E-Modul der DLC-Schicht einen Einfluss auf das tribologische Verhalten des Kolbenrings. Im Rahmen der Untersuchungen ergibt sich in vorteilhafter Weise für die Beschichtung eine Oberflächenhärte von maximal 55 GPa bei einem E-Modul von maximal 550 GPa.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wurde in außermotorischen sowie motorischen Validierungen ferner festgestellt, dass besonders gute VerschleiSwerte bereits erreicht werden, wenn die DLC-Schicht einen sp3-Anteil von hybridisierten

Kohlenstoffatomen von mindestens 40 At% aufweist.

Eine gezielte Reduzierung des sp ³ -Anteils in den randnahen äußeren 1 μm bis 3 um der Schicht führt zu einer weiteren Reduzierung der Reibung im Einlauf sowie der Einlaufzeit selbst. In außermotorischen Voruntersuchen wurde

festgestellt, dass eine weitere Ausführung, bei der die randnahen äußeren 1 μm bis 3 μm dotiert wurden, zu einer weiteren Verbesserung hinsichtlich thermischer Beständigkeit und des Brandspurverhaltens unter Mangelschmierbedingungen unter Grenzlasten bis zu 700N führt.

Der randnahe äußere Bereich der DLC-Schicht mit einer Dicke von 1 μm bis 3 μm kann in vorteilhafter Weise mit Elementen wie Bor, Sauerstoff und/oder Silizium dotiert sein.

Insbesondere für die Gewährleistung eines geringen Reibwerts ist eine möglichst glatte Lauffläche des Gleitelements notwendig. Die hier vorgestellte DLC-Schicht weist bevorzugt im beschichteten Zustand eine Rauhtiefe von Rz<6μm sowie im endbearbeiteten Zustand eine Rauhtiefe von Rz<2μm,

insbesondere < 1 μm, sowie eine reduzierte Spitzentiefe von Rpk < 0,3μm, insbesondere < 0,1μm auf. In diesem Zusammenhang werden die Maßnahmen aus der EP 1 829 986 A1 und

DE 198 50 218 C1 zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht .

Für das Substrat und Grundmaterial des zu beschichtenden Gleitelements wird Gusseisen oder Stahl bevorzugt, das/der für bestimmte Anwendungsfälle nitriert sein kann.

Hinsichtlich Guss als Grundmaterial sind die bevorzugten Ausführungsformen :

- Unlegiertes, unvergütetes Gusseisen mit Lamellargraphit

- Legierter, wärmebehandelter oder nicht wärmebehandelter Grauguss mit Karbiden

- Sphäroguss vergütet

- Vermiculargraphitguss unvergütet

- Stahlguss (mindestens 11 Gew% Chrom, angelassene

Martensitstruktur mit eingelagerten Sonderkarbiden, nitriert oder nicht nitriert)

Hinsichtlich Stahl als Grundmaterial sind die bevorzugten Ausführungsformen ;

- Chrom-Stahl, mindestens 11 Gew% Chrom, nitriert oder nicht nitriert

- Chrom-Silizium-Kohlenstoffstahl

Motorische Untersuchungen haben ergeben, dass eine besonders gute Ölabstreifwirkung des mit der erfindungsgemäßen DLC- Schicht des Typs ta-C beschichteten Kolbenrings durch sehr kleine, "scharfe" untere Laufkanten erreichen wird. Daher wird für die untere Laufflächenkante eines erfindungsgemäßen Kolbenrings ferner bevorzugt, dass diese einen Radius von maximal 0,2 mm, bevorzugt weniger als 0,1 mm aufweist.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 14 beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, insbesondere eines Kolbenrings, bei dem eine Beschichtung mit einer metallhaltigen Haftschicht und einer DLC-Schicht des Typs ta-C in einer Dicke von mindestens 10 μm erfolgt. Das bereits durch verschiedene Dokumente {s. Tabelle 1) beschriebene Herstellungsverfahren des Vakuum- Laser-Arc Verfahrens wurde im Rahmen dieser Erfindung für die Herstellung von ta-C Schichten >10μm insofern verbessert, dass eine optimierte Haftschicht hinsichtlich Materialauswahl und Schichtdicke verwendet wurde sowie die Prozessparameter eine Prozessstabilität über die gesamte Beschichtungsdauer gewährleisten. Bevorzugte Maßnahmen sowie die durch das

Verfahren erreichbaren Vorteile ergeben sich zum einen aus der vorangehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen

Gleitelements. Bei dieser Gelegenheit sei ferner erwähnt, dass sämtliche nachfolgend im Zusammenhang mit dem Verfahren angegebenen Merkmale auch auf das erfindungsgemäße

Gleitelement angewendet werden können.

Zum anderen sei erwähnt, dass die Haftschicht besonders zuverlässig durch ein Sputter-, ein thermisches

Verdampfungsverfahren oder ein elektrisches

Verdampfungsverfahren, wie z.B. ein Are-Verfahren ausgebildet werden kann.

Wie oben erwähnt, bietet es für die Haftung der Haftschicht auf dem Substrat des Gleitelements besondere Vorteile, wenn die zu beschichtende Oberfläche durch ein

Metallionensputterverfahren gereinigt wird.

Die Rauheit der fertig ausgebildeten Beschichtung kann in vorteilhafter Weise durch Läppen, Band- und/oder

Bürstpolieren verringert werden.