WO2013167604A1 - Gleitkörper mit beschichtung - Google Patents

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    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers

Definitions

  • the present invention relates to a sliding body, in particular for a
  • Internal combustion engine having a base body and a coating.
  • the invention further relates to a method for producing such a slider.
  • Sliders find a variety of applications and are well known in the art.
  • a slider for an internal combustion engine is used, for example, in the combustion chamber of the internal combustion engine and can be designed in particular as a piston ring. Typical of such
  • Slip body is that they slide along another body, creating friction between these bodies. The longevity of such sliding body is under high mechanical and thermodynamic
  • such a sliding body may have a coating which is applied to a base body of the slider.
  • a coating which is applied, for example, to a piston ring.
  • the coating comprises a mixture of crystalline chromium nitride and crystalline molybdenum nitride, wherein the
  • Crystal structures of at least one of the elements oxygen and carbon in the form of a solid solution
  • the present invention is concerned with the problem for a slider of the type mentioned an improved or at least alternative
  • the present invention is based on the general idea, a
  • Main layer or its surface is in use of the body with another body, where it slides along in contact.
  • Main layer has the main components molybdenum, nitrogen and oxygen.
  • the main constituent is that the first main layer consists predominantly, preferably exclusively, of these materials or of compounds of these materials.
  • the first main layer can also have other constituents or impurities which are less or negligible than these main constituents.
  • the invention firstly makes use of the knowledge that molybdenum monoxide-like compounds,
  • molybdenum monoxide in particular molybdenum monoxide, have a self-lubricating property. Accordingly, the coating of the slider on its outer, that is facing away from the base body, molybdenum monoxide-containing surface to improve the sliding properties of the slider and thus a
  • the coating is preferably disposed on those portions of the slider which slide along this other body.
  • the slider may also have such a coating entirely.
  • the concentration of the respective main constituents of the first main layer may vary. For example, the oxygen concentration of the first main layer towards the main body
  • the first main layer is a layer with the main components molybdenum and nitrogen, which is doped with oxygen.
  • the first main layer may in particular comprise the main component molybdenum nitride and, in particular in the surface region, with
  • the first main layer preferably has a thickness of 1 ⁇ to 50 ⁇ on.
  • the thickness of the first main layer can vary.
  • the thickness of the first main layer can vary.
  • Coating the body also partially cover, so that the thickness of the first main layer or the coating in the uncoated areas can also be zero.
  • the layer hardness of the coating is preferably between 1,500 and 2,200 HV at 0.05 N test load.
  • the main body of the slider is usually made of a metallic one
  • Recyclable material produced This can be realized for example by a casting process, whereby the main body is designed as a cast body and can be made of iron and / or steel. In addition, the main body can be nitrided. If the base body is made of steel, this is usually produced in a rolling process. To ensure adhesion of the coating to the
  • the coating can optionally be a second
  • Main layer which is advantageously arranged between the main body and the first main layer.
  • the second main layer may also be partially arranged between the first main layer and the main body.
  • the second main layer expediently has a main constituent, which has sufficient adhesion of the coating to the main body guaranteed.
  • metallic materials which has sufficient adhesion of the coating to the main body guaranteed.
  • the base body produced, the second coating may thus have a major metallic portion.
  • the main metallic portion of the second main layer is thus in particular molybdenum and / or chromium and / or titanium and / or a chromium-aluminum alloy and the like.
  • the thickness of the second main layer is preferably small compared to the thickness of the first main layer.
  • the thickness of the second main layer in preferred embodiments between 0.5 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the second main layer comprises nitrogen.
  • the second main layer can be doped with nitrogen, so that the second main layer can be metal nitride-containing at least in some areas.
  • the concentration of nitrogen within the second increases
  • Main layer towards the first main layer This serves in particular for the purpose of improving adhesion of the first main layer to the second main layer and thus adhesion between these main layers.
  • the main metallic constituent of the second main layer is chromium. Accordingly, the coating between the second main layer and the first main layer has a transition from
  • Chromium nitride to molybdenum nitride in order to achieve a particularly advantageous adhesion.
  • the second main layer may comprise a first sub-layer, which is metal nitride-containing, in particular chromium nitride-containing, and adjacent to the first main layer.
  • a second, the base body adjacent lower layer of the second main layer may also be low in nitrogen or nitrogen. While the second
  • a further possibility for increasing the adhesion between the first main layer and the second main layer is to reduce the concentration of molybdenum in the first main layer towards the main body or to the second main layer. Accordingly, the concentration of the main metallic portion of the second main layer toward the first main layer may also decrease. Preferably, the concentration of molybdenum in the first main layer decreases toward the second main layer while the concentration of the main metallic component of the second main layer increases toward the first
  • Main layer decreases.
  • a smooth transition between the second main layer and the first main layer is achieved so as to provide a stable coating.
  • Main layers in particular, a lattice mismatch between the second main layer and the first main layer is avoided or at least reduced. If the main metallic portion of the second main layer is molybdenum, such a transition is not necessary.
  • Main layer along its thickness at least two different
  • the oxygen concentration within the first main layer decreases and decreases several times.
  • embodiments in which the oxygen concentration oscillates at least in regions along the thickness of the first main layer are preferred.
  • the Oxygen concentration changes periodically between a maximum value and zero.
  • the first main layer has individual layers along its thickness, which are doped with oxygen, which alternate with other individual layers, which are not doped with oxygen.
  • a multilayer layer is thus provided which is preferably arranged within a first sub-layer of the first main layer, which is arranged in a region of the first main layer facing away from the main body or in the region of the surface of the first main layer.
  • the periodicity of this multilayer coating is preferably between 50 nm and 300 nm.
  • the periodicity is
  • the respective individual layer thicknesses can vary and in particular between the oxygen-doped individual layers and the individual layers with less
  • Oxygen content in particular the oxygen-free individual layers, be different.
  • the knowledge is used that molybdenum nitride has a greater hardness than
  • molybdenum monoxide-containing has a better lubricating property.
  • oxygen-poor individual layers both sufficient hardness and a sufficient self-lubricating property of the first main layer achieved.
  • the surface of the first main layer of the coating has a roughness, which is incorporated into this surface, for example by fine grinding and / or lapping and / or honing and / or polishing.
  • An average surface roughness Rz is preferred less than 1 ⁇ .
  • the definition and determination of the material content Rmr is to be taken in particular from the standard DIN EN ISO 4287.
  • the slider may basically be any object sliding on another body.
  • the sliding body can be configured as a piston ring for a piston of an internal combustion engine, wherein the coating is applied in particular to an outer circumference of the piston ring facing the associated body on which the piston ring slides, in particular an associated cylinder.
  • the coating improves this
  • the coating of the slider can basically be applied to the body in any manner. Examples are gaseous, liquid, dissolved and solid coating processes.
  • the coating can in particular by means of a chemical
  • Gas phase deposition or a flame coating done can also be applied to the base body as part of a spraying process.
  • the coating is carried out by means of a physical
  • Vapor deposition process (physical vapor deposition: PVD).
  • the main body which is typically referred to as a substrate, introduced into a corresponding chamber.
  • the physical vapor deposition process (physical vapor deposition: PVD).
  • Gas phase deposition process is usually carried out under
  • Main layer are applied to the base by the evaporation of a corresponding metallic target in the chamber.
  • the evaporation of the respective target by means of an arc, so for example by the so-called Arc-PVD method.
  • vapor deposition of the second main layer takes place first, followed by vapor deposition of the first main layer.
  • the vapor deposition of the second main layer preferably takes place initially under an argon atmosphere and then in a nitrogen atmosphere, the argon atmosphere and / or nitrogen atmosphere typically being understood to mean the presence of argon and / or nitrogen at low pressures.
  • a metal nitride layer is formed on the base body during the vapor deposition in a nitrogen atmosphere, while the vapor deposition in the argon atmosphere, a metallic, especially nitride-free layer is vapor-deposited.
  • the vapor deposition of the second main layer preferably proceeds directly into the vapor deposition of the first main layer.
  • the first main layer is first in nitrogen atmosphere and then additionally in
  • the nitrogen pressure is adjusted so that the nitrogen content in the deposited layer is between 20 at% and 60 at%.
  • the nitrogen content in the deposited layer is between 20 at% and 60 at%.
  • Nitrogen pressure is chosen so that the nitrogen content is between 25 at% and 40 at%, more preferably between 30 at% and 35 at%. If an oxygen doping is carried out during vapor deposition of the first main layer, that is to say in particular during vapor deposition of the uppermost layers of the coating, then oxygen is additionally admitted into the coating chamber at preferably constant nitrogen partial pressure. The oxygen partial pressure is adjusted so that the molybdenum nitride layer is additionally doped with an oxygen content of between 0.5 atom% and 5 atom%, but preferably between 0.5 atom% and 2 atom%. This ensures the formation of molybdenum monoxide and prevents the formation of higher molybdenum oxide compounds which have unfavorable tribological properties.
  • Main layer can be the oxygen content, in particular in an oscillating manner, changed.
  • the proportion of molybdenum as the last main constituent of the first main layer results as a residual proportion from the nitrogen content and the oxygen content.
  • the molybdenum content of the first main layer is between 35 atomic% and 79.5 atomic%, preferably between 58 atomic% and 75.5 atomic%, and more preferably between 63 atomic% and 69, 5 atomic%. If the first main layer has such a multilayer layer with oscillating oxygen concentration, then the aforementioned applies
  • a molybdenum target is used, which is evaporated in particular by means of said arc evaporation.
  • the evaporation of the metallic target of the second is preferred Main layer reduces, while the evaporation of the molybdenum target is activated and amplified.
  • a smooth transition between the second main layer and the first main layer is achieved, wherein the respective decrease or increase of the evaporation rate of the respective target is preferably linear.
  • the transition is preferably carried out in a nitrogen atmosphere.
  • the coating of the base body according to the invention and the associated advantages can not be limited to sliding bodies and can be applied to any desired components or objects in order to achieve these advantages. So the coating can also work on non-sliding
  • a sliding body 1 which can be designed in particular as a piston ring 1 'for an internal combustion engine, has a
  • Base body 2 which is designed for example as a cast body and made of iron or steel, wherein the base body 1 can also be nitrided.
  • the slider 1 also has a coating 3, which is vapor-deposited on the base body 2.
  • the coating 3 on the base body 2 preferably takes place by means of a physical vapor deposition, in which corresponding targets are vaporized by means of an arc evaporation and settle on the base body 2 in order to form the coating 3.
  • the coating 3 has a first main layer 4 and a second main layer 5, the second main layer 5 being arranged between the main body 2 and the first main layer 4.
  • the second main layer 5 comprises two sub-layers 6, 7, of which the first sub-layer 7 is adjacent to the first main layer 4, while the second sub-layer 7 is adjacent to the first sub-layer 7
  • Base body 2 is adjacent.
  • the second main layer 5 has a main metallic part, in particular chromium.
  • the second underlayer 7 of the second main layer 5 is
  • the second sub-layer 7 of the second main layer 5 serves for the adhesion of the coating 3 to the base body 2, while the first sub-layer 6 of the second main layer 5 is intended to improve in particular an adhesion between the second main layer 5 and the first main layer 4.
  • the first main layer 4 has the main components molybdenum, nitrogen and oxygen.
  • the oxygen is in the region of the first main layer 4 facing away from the base body 2, and thus in particular in the region of a surface 8 of the first main layer 4 and thus of the surface 8 of FIG
  • the oxygen concentration is low as compared with the molybdenum concentration and nitrogen concentration of the first main layer 4, so that the first main layer 4 is doped with oxygen. It is important that the first main layer 4 is oxygen-containing, in particular on the surface 8 or directly on the surface 8, the first upper layer 4 preferably having molybdenum monoxide-like compounds in this region in order to ensure friction of the sliding body 1 against an associated object, in particular a cylinder of an internal combustion engine, to reduce.
  • FIG. 2 shows a section of the region designated by 9 in FIG. 1 in a further embodiment, which otherwise equals that shown in FIG.
  • a multilayer layer 10 can be seen, which is arranged in the region of the surface 8 of the first main layer 4.
  • the multilayer coating 10 consists of oxygen-free or oxygen-poor first individual layers 12 and 12 arranged alternately along a thickness 1 1 of the first main layer 4
  • the second single layer 13 arranged directly on the surface 8 is oxygen-containing in order to ensure said reduction in friction by a self-lubricating property.
  • the periodicity of the multilayer coating that is the sum of the individual layer thickness 14 of such a single layer 12 and the individual layer thickness 14 of such an adjacent single layer 13 is between 50 nm and 300 nm.
  • the individual layers 12 and 13 may have different individual layer thicknesses 14.
  • the proportion of the individual layer thickness 14 of such a single layer 13 at the periodicity is preferably between 20% and 60%.
  • the nitrogen content of the first main layer 4 is 20 at.% And 60 at.%, Preferably between 25 at.% And 40 at.%, More preferably between 30 at.% And 35 at.%. In addition, the amount is
  • the molybdenum content of the first main layer 4 is between 35 at% and 79.5 at%.
  • a thickness 16 of the second sub-layer 7 of the second main layer 5 is smaller than a thickness 17 of the first sub-layer 6 of the second main layer 5.
  • the surface 8 of the first main layer 4 has a roughness 18, which has a mean surface roughness Rz, which is less than 1 ⁇ .
  • the material content in 0.2 ⁇ depth is greater than 60%, while and the material content in 0.3 ⁇ depth is greater than 80%.

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Description

Gleitkörper mit Beschichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitkörper, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine, der einen Grundkörper und eine Beschichtung aufweist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitkörpers.
Gleitkörper finden vielfältige Anwendungen und sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein solcher Gleitkörper für eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise im Brennraum der Brennkraftmaschine eingesetzt und kann insbesondere als ein Kolbenring ausgebildet sein. Typisch für derartige
Gleitkörper ist, dass sie entlang eines anderen Körpers gleiten, wodurch zwischen diesen Körpern Reibung entsteht. Dabei ist die Langlebigkeit derartiger Gleitkörper unter hohen mechanischen und thermodynamischen
Beanspruchungen erwünscht. Zu diesem Zweck kann ein derartiger Gleitkörper eine Beschichtung aufweisen, die auf einem Grundkörper des Gleitkörpers aufgebracht ist.
Aus der EP 0 884 400 B1 ist eine Beschichtung bekannt, die beispielsweise auf einen Kolbenring aufgetragen ist. Die Beschichtung weist eine Mischung von kristallinem Chromnitrid und kristallinem Molybdännitrid auf, wobei die
Kristallstrukturen mindestens eines der Elemente Sauerstoff und Kohlenstoff in Form einer festen Lösung enthalten.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem für einen Gleitkörper der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest alternative
Ausführungsform anzugeben, die sich dadurch auszeichnet, dass der Gleitkörper eine verlängerte Lebensdauer und/oder eine bessere Gleiteigenschaft aufweist. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen
Grundkörper eines Gleitkörpers mit einer Beschichtung zu versehen, welche eine erste Hauptschicht aufweist, deren Hauptkomponenten einerseits eine
ausreichende Festigkeit bzw. Härte und andererseits eine verbesserte
Gleiteigenschaft der Beschichtung, insbesondere der ersten Hauptschicht, und somit des Gleitkörpers an einem anderen Körper gewährleisten. Die erste
Hauptschicht bzw. ihre Oberfläche steht beim Gebrauch des Grundkörpers mit einem anderen Körper, an dem dieser entlanggleitet in Kontakt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die erste
Hauptschicht die Hauptbestandteile Molybdän, Stickstoff sowie Sauerstoff aufweist. Dabei heißt Hauptbestandteil, dass die erste Hauptschicht vorwiegend, vorzugsweise ausschließlich, aus diesen Materialien bzw. aus Verbindungen aus diesen Materialien besteht. Jedoch kann die erste Hauptschicht auch andere, vergleichbar zu diesen Hauptbestandteilen geringere oder vernachlässigbare Bestandteile bzw. Verunreinigungen aufweisen. Die Erfindung nutzt dabei zunächst die Kenntnis, dass molybdänmonoxidartige Verbindungen,
insbesondere Molybdänmonoxid, eine selbstschmierende Eigenschaft aufweisen. Dementsprechend soll die Beschichtung des Gleitkörpers an seiner äußeren, das heißt vom Grundkörper abgewandten, Oberfläche molybdänmonoxidhaltig sein, um die Gleiteigenschaften des Gleitkörpers zu verbessern und somit eine
Reibung des Gleitkörpers an einem zugehörigen anderen Körper zu verringern. Dementsprechend ist die Beschichtung vorzugsweise an denjenigen Bereichen des Gleitkörpers angeordnet, die entlang dieses anderen Körpers gleiten. Der Gleitkörper kann jedoch auch gänzlich eine solche Beschichtung aufweisen. Entlang der Dicke der ersten Hauptschicht kann die Konzentration der jeweiligen Hauptbestandteile der ersten Hauptschicht variieren. Beispielsweise kann die Sauerstoffkonzentration der ersten Hauptschicht hin zum Grundkörper
stufenweise oder stufenlos abnehmen und insbesondere Null sein. In diesem Sinne handelt es sich bei der ersten Hauptschicht um eine Schicht mit den Hauptbestandteilen Molybdän und Stickstoff, welche mit Sauerstoff dotiert ist. Mit anderen Worten, die erste Hauptschicht kann insbesondere den Hauptbestandteil Molybdännitrid aufweisen und, insbesondere im Oberflächenbereich, mit
Sauerstoff dotiert sein.
Die erste Hauptschicht weist bevorzugt eine Dicke von 1 μιτι bis 50 μιτι auf.
Hierbei kann die Dicke der ersten Hauptschicht variieren. Zudem kann die
Beschichtung den Grundkörper auch teilweise bedecken, so dass die Dicke der ersten Hauptschicht bzw. der Beschichtung in den nicht beschichteten Bereichen auch Null betragen kann. Zudem beträgt die Schichthärte der Beschichtung vorzugsweise zwischen 1 .500 und 2.200 HV bei 0,05 N Prüflast.
Der Grundkörper des Gleitkörpers ist gewöhnlich aus einem metallischen
Wertstoff hergestellt. Dies kann beispielsweise durch ein Gießverfahren realisiert sein, wodurch der Grundkörper als Gusskörper ausgestaltet ist und aus Eisen und/oder Stahl hergestellt sein kann. Zudem kann der Grundkörper nitriert sein. Sofern der Grundkörper aus Stahl besteht, wird dieser üblicherweise in einem Walzverfahren hergestellt. Um eine Haftung der Beschichtung an den
Grundkörper zu verbessern, kann die Beschichtung optional eine zweite
Hauptschicht aufweisen, die zweckmäßig zwischen dem Grundkörper und der ersten Hauptschicht angeordnet ist. Dabei kann die zweite Hauptschicht auch teilweise zwischen der ersten Hauptschicht und dem Grundkörper angeordnet sein. Die zweite Hauptschicht weist zweckmäßig einen Hauptbestandteil auf, welcher eine ausreichende Haftung der Beschichtung an den Grundkörper gewährleistet. Insbesondere bei einem aus metallischen Werkstoffen
hergestellten Grundkörper kann die zweite Beschichtung also einen metallischen Hauptanteil aufweisen. Der metallische Hauptanteil der zweiten Hauptschicht ist also insbesondere Molybdän und/oder Chrom und/oder Titan und/oder eine Chrom-Aluminium-Legierung und dergleichen.
Die Dicke der zweiten Hauptschicht ist vorzugsweise im Vergleich zur Dicke der ersten Hauptschicht klein. So beträgt die Dicke der zweiten Hauptschicht bei bevorzugten Ausbildungsformen zwischen 0,5 μιτι und 10 μιτι.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die zweite Hauptschicht Stickstoff auf. Das heißt, dass die zweite Hauptschicht mit Stickstoff dotiert sein kann, so dass die zweite Hauptschicht zumindest bereichsweise metallnitridhaltig sein kann. Bevorzugt nimmt die Konzentration von Stickstoff innerhalb der zweiten
Hauptschicht hin zur ersten Hauptschicht zu. Dies dient insbesondere dem Zweck, eine Haftung der ersten Hauptschicht an der zweiten Hauptschicht und somit eine Adhäsion zwischen diesen Hauptschichten zu verbessern.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem metallischen Hauptbestandteil der zweiten Hauptschicht um Chrom. Dementsprechend weist die Beschichtung zwischen der zweiten Hauptschicht und der ersten Hauptschicht einen Übergang vom
Chromnitrid zu Molybdän-Nitrid auf, um eine besonders vorteilhafte Adhäsion zu erreichen.
Die Zunahme der Stickstoffkonzentration der zweiten Hauptschicht hin zur ersten Hauptschicht kann gestuft oder stufenlos erfolgen. Dementsprechend kann die zweite Hauptschicht eine erste Unterschicht aufweisen, die metallnitridhaltig, insbesondere chromnitridhaltig, und der ersten Hauptschicht benachbart ist. Eine zweite, dem Grundkörper benachbarte, Unterschicht der zweiten Hauptschicht kann zudem stickstoffarm oder stickstofffrei sein. Während die zweite
Unterschicht der zweiten Hauptschicht also die Haftung zum Grundkörper gewährleistet, dient die erste Unterschicht der zweiten Hauptschicht dem Zweck, eine möglichst hohe Adhäsion zwischen der zweiten Hauptschicht und der ersten Hauptschicht zu schaffen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Adhäsion zwischen der ersten Hauptschicht und der zweiten Hauptschicht besteht darin, die Konzentration von Molybdän in der ersten Hauptschicht hin zum Grundkörper bzw. zur zweiten Hauptschicht zu reduzieren. Dementsprechend kann auch die Konzentration des metallischen Hauptanteils der zweiten Hauptschicht hin zur ersten Hauptschicht abnehmen. Bevorzugt nimmt die Konzentration von Molybdän in der ersten Hauptschicht hin zur zweiten Hauptschicht ab, während die Konzentration des metallischen Hauptbestandteils der zweiten Hauptschicht hin zu ersten
Hauptschicht abnimmt. Somit wird also ein fließender Übergang zwischen der zweiten Hauptschicht und der ersten Hauptschicht erreicht, um eine stabile Beschichtung zu schaffen. Durch die Anpassung der Konzentrationen von Molybdän in der ersten Hauptschicht und des metallischen Hauptanteils in der zweiten Hauptschicht in einem Übergangsbereich zwischen diesen
Hauptschichten ist insbesondere eine Gitterfehlanpassung zwischen der zweiten Hauptschicht und der ersten Hauptschicht vermieden oder zumindest reduziert. Handelt es sich beim metallischen Hauptanteil der zweiten Hauptschicht um Molybdän, so ist ein derartiger Übergang nicht notwendig.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste
Hauptschicht entlang ihrer Dicke zumindest zwei unterschiedliche
Sauerstoffkonzentrationen auf. Das heißt, dass Ausführungsformen vorstellbar sind, bei denen die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Hauptschicht mehrmals zu und wieder abnimmt. Bevorzugt sind hierbei Ausführungsformen, bei denen die Sauerstoffkonzentration entlang der Dicke der ersten Hauptschicht zumindest bereichsweise oszilliert. Das heißt insbesondere, dass sich die Sauerstoffkonzentration periodisch zwischen einem Maximalwert und Null ändert. Mit anderen Worten, die erste Hauptschicht weist entlang ihrer Dicke Einzellagen auf, die mit Sauerstoff dotiert sind, die sich mit anderen Einzellagen abwechseln, welche nicht mit Sauerstoff dotiert sind. Somit wird also eine Multilagenschicht geschaffen, welche vorzugsweise innerhalb einer ersten Unterschicht der ersten Hauptschicht angeordnet ist, welche in einem vom Grundkörper abgewandten Bereich der ersten Hauptschicht bzw. im Bereich der Oberfläche der ersten Hauptschicht angeordnet ist. Die Periodizität dieser Multilagenschicht beträgt vorzugsweise zwischen 50 nm und 300 nm. Hierbei ist die Periodizität
insbesondere durch die Summe einer Einzellagendicke einer sauerstoffdotierten Einzellage und der Einzellagendicke der benachbarten Einzellage mit geringerem Sauerstoffgehalt, insbesondere der sauerstofffreien Einzellage, gegeben. Die jeweiligen Einzellagendicken können dabei variieren und insbesondere zwischen den sauerstoffdotierten Einzellagen und den Einzellagen mit geringerem
Sauerstoffgehalt, insbesondere den sauerstofffreien Einzellagen, unterschiedlich sein. Bei dieser periodischen Ausgestaltung der ersten Hauptschicht wird die Kenntnis genutzt, dass Molybdännitrid eine größere Härte aufweist als
Molybdänmonoxid bzw. als die jeweilige mit Sauerstoff dotierte Einzellage, während die mit Sauerstoff dotierte Einzellage, welche bevorzugt
molybdänmonoxidhaltig ist, eine bessere Schmiereigenschaft aufweist.
Dementsprechend wird durch die abwechselnde Anordnung von
molybdänmonoxidhaltigen Einzellagen und sauerstofffreien bzw.
sauerstoffärmeren Einzellagen sowohl eine ausreichende Härte als auch eine ausreichende selbstschmierende Eigenschaft der ersten Hauptschicht erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche der ersten Hauptschicht der Beschichtung eine Rauigkeit auf, welche beispielsweise durch Feinschleifen und/oder Läppen und/oder Honen und/oder Polieren in diese Oberfläche eingearbeitet ist. Eine mittlere Rautiefe Rz beträgt dabei bevorzugt weniger als 1 μηη. Zudem ist der Materialanteil Rmr in einer Tiefe von 0,2 μιτι, also ein Rmr 02-Wert, größer als 60% und in einer Tiefe von 0,3 μιτι, also ein Rmr 03-Wert größer als 80%. Die Definition und Bestimmung des Materialanteils Rmr ist dabei insbesondere der Norm DIN EN ISO 4287 zu entnehmen.
Der Gleitkörper kann grundsätzlich jeder an einem anderen Körper gleitende Gegenstand sein. Insbesondere kann der Gleitkörper als ein Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine ausgestaltet sein, wobei die Beschichtung insbesondere an einem dem zugehörigen Körper, an dem der Kolbenring gleitet, insbesondere einem zugehörigen Zylinder, zugewandten Außenumfang des Kolbenrings aufgebracht ist. Die Beschichtung verbessert hierbei die
Verschleißbeständigkeit des Kolbenrings und verringert die Reibung zwischen dem Kolbenring und dem zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine.
Die Beschichtung des Gleitkörpers kann grundsätzlich auf beliebige Art auf den Grundkörper aufgebracht werden. Als Beispiele seien hier auf gasförmige, flüssige sowie gelöste und feste Beschichtungsverfahren hingewiesen. Die Beschichtung kann insbesondere mittels eines chemischen
Gasphasenabscheidens bzw. einer Flammenbeschichtung erfolgen. Auch kann die Beschichtung im Rahmen eines Spritzverfahrens auf den Grundkörper aufgebracht werden.
Bevorzugt erfolgt die Beschichtung mit Hilfe eines physikalischen
Gasphasenabscheidungsverfahrens (physical vapor deposition: PVD). Hierbei wird der Grundkörper, der typischerweise als Substrat bezeichnet wird, in eine entsprechende Kammer eingebracht. Das physikalische
Gasphasenabscheidungsverfahren erfolgt dabei üblicherweise unter
vakuumähnlichen Bedingung, wobei der Grundkörper vor dem Aufdampfen der Beschichtung präpariert, das heißt gereinigt und/oder aufgeheizt werden kann. Die jeweiligen metallischen Anteile der Beschichtung, das heißt der metallische Hauptbestandteil der zweiten Hauptschicht und Molybdän der ersten
Hauptschicht, werden durch das Verdampfen eines entsprechenden metallischen Targets in der Kammer auf den Grundkörper aufgebracht. Bevorzugt erfolgt das Verdampfen des jeweiligen Targets mittels eines Lichtbogens, also etwa durch das sogenannte Arc-PVD-Verfahren. Weist die Beschichtung sowohl die erste Hauptschicht als auch die zweite Hauptschicht auf, so erfolgt zunächst das Aufdampfen der zweiten Hauptschicht, gefolgt vom Aufdampfen der ersten Hauptschicht. Bevorzugt erfolgt das Aufdampfen der zweiten Hauptschicht zunächst unter Argon-Atmosphäre und anschließend in Stickstoffatmosphäre, wobei unter Argon-Atmosphäre und/oder Stickstoffatmosphäre typischerweise das Vorhandensein von Argon und/oder Stickstoff unter niedrigen Drücken zu verstehen ist. Dabei bildet sich auf den Grundkörper während des Aufdampfens in Stickstoffatmosphäre eine Metallnitridschicht, während beim Aufdampfen in der Argonatmosphäre eine metallische, insbesondere nitridfreie Schicht aufgedampft wird.
Bevorzugt geht das Aufdampfen der zweiten Hauptschicht unmittelbar in das Aufdampfen der ersten Hauptschicht über. Hierbei wird die erste Hauptschicht zunächst in Stickstoffatmosphäre und anschließend zusätzlich in
Sauerstoffatmosphäre aufgedampft.
Beim Aufdampfen der ersten Hauptschicht in der Stickstoffatmosphäre wird der Stickstoffdruck so eingestellt, dass der Stickstoffgehalt in der abgeschiedenen Schicht zwischen 20 Atom% und 60 Atom-% beträgt. Bevorzugt wird der
Stickstoffdruck so gewählt, dass der Stickstoffgehalt zwischen 25 Atom-% und 40 Atom-%, ganz besonders zwischen 30 Atom-% und 35 Atom-% eingestellt ist. Wird beim Aufdampfen der ersten Hauptschicht eine Sauerstoffdotierung vorgenommen, also insbesondere beim Aufdampfen der obersten Lagen der Beschichtung, so wird bei bevorzugt gleichbleibendem Stickstoffpartialdruck zusätzlich etwas Sauerstoff in die Beschichtungskammer eingelassen. Der Sauerstoffpartialdruck wird dabei so eingestellt, dass die Molybdännitridschicht zusätzlich mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 Atom-% und 5 Atom-%, vorzugsweise jedoch zwischen 0,5 Atom-% und 2 Atom-%, dotiert wird. So wird die Bildung von Molybdänmonooxid gewährleistet und die Bildung von höheren Molybdänoxid-Verbindungen, welche ungünstige tribologische Eigenschaften aufweisen, verhindert.
Zur Veränderung der Sauerstoffdotierung in der ersten Hauptschicht bzw. zur Änderung der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Dicke der ersten
Hauptschicht kann dabei der Sauerstoffgehalt, insbesondere in oszillierender Weise, geändert werden.
Der Anteil an Molybdän als letzter Hauptbestandteil der ersten Hauptschicht ergibt sich als Restanteil aus dem Stickstoffgehalt und dem Sauerstoffgehalt. Der Molybdängehalt der ersten Hauptschicht beträgt also im Fall einer homogenen Schicht zwischen 35 Atom-% und 79,5 Atom-%, bevorzugt zwischen 58 Atom-% und 75,5 Atom-%, und besonders bevorzugt zwischen 63 Atom-% und 69,5 Atom-%. Weist die erste Hauptschicht eine solche Multilagenschicht mit oszillierender Sauerstoffkonzentration auf, so gilt der vorgenannte
Molybdängehalt für die sauerstoffdotierten Einzellagen.
Zum Aufdampfen der ersten Hauptschicht wird ein Molybdäntarget benutzt, das insbesondere mittels des besagten Lichtbogenverdampfens verdampft wird. Bevorzugt wird beim Übergang zwischen der zweiten Hauptschicht zur ersten Hauptschicht das Verdampfen des metallischen Targets der zweiten Hauptschicht reduziert, während das Verdampfen des Molybdäntargets aktiviert und verstärkt wird. Somit wird ein fließender Übergang zwischen der zweiten Hauptschicht und der ersten Hauptschicht erreicht, wobei die jeweilige Abnahme bzw. Zunahme der Verdampfungsrate des jeweiligen Targets bevorzugt linear erfolgt. Zudem erfolgt der Übergang bevorzugt in Stickstoffatmosphäre.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Beschichtung des Grundkörpers und die damit verbundenen Vorteile sich nicht auf Gleitkörper begrenzt und auf beliebige Bauelemente bzw. Gegenstände aufgebracht werden kann, um diese Vorteile zu erzielen. So kann die Beschichtung auch auf nicht gleitende
Bauelemente aufgebracht, insbesondere aufgedampft, werden, um
beispielsweise eine erwünschte Härte zu erzielen oder die Beschichtung als Schutzschicht zu verwenden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch, Fig. 1 einen Schnitt durch einen Gleitkörper gemäß einer ersten
Ausführungsform,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Gleitkörper gemäß einer zweiten
Ausführungsform.
Entsprechend der Fig. 1 , weist ein Gleitkörper 1 , der insbesondere als ein Kolbenring 1 ' für eine Brennkraftmaschine ausgestaltet sein kann, einen
Grundkörper 2 auf, der beispielsweise als Gusskörper ausgestaltet und aus Eisen bzw. Stahl hergestellt ist, wobei der Grundkörper 1 auch nitriert sein kann. Der Gleitkörper 1 weist zudem eine Beschichtung 3 auf, die auf den Grundkörper 2 aufgedampft ist. Die Beschichtung 3 auf dem Grundkörper 2 erfolgt bevorzugt mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidens, bei dem entsprechende Targets mittels eines Lichtbogenverdampfens verdampft werden und sich auf den Grundkörper 2 absetzen, um die Beschichtung 3 zu bilden.
Die Beschichtung 3 weist dabei eine erste Hauptschicht 4 und eine zweite Hauptschicht 5 auf, wobei die zweite Hauptschicht 5 zwischen dem Grundkörper 2 und der ersten Hauptschicht 4 angeordnet ist. Die zweite Hauptschicht 5 umfasst zwei Unterschichten 6, 7, von denen die erste Unterschicht 7 der ersten Hauptschicht 4 benachbart ist, während die zweite Unterschicht 7 dem
Grundkörper 2 benachbart ist.
Die zweite Hauptschicht 5 weist einen metallischen Hauptanteil, insbesondere Chrom, auf. Die zweite Unterschicht 7 der zweiten Hauptschicht 5 ist
hauptsächlich bzw. ausschließlich metallisch und besteht insbesondere aus Chrom, während die erste Unterschicht 6 der zweiten Hauptschicht 5
stickstoffhaltig ist und dementsprechend insbesondere aus einem Metallnitrid, vorzugsweise Chromnitrid, besteht. Hierbei dient die zweite Unterschicht 7 der zweiten Hauptschicht 5 der Haftung der Beschichtung 3 an den Grundkörper 2, während die erste Unterschicht 6 der zweiten Hauptschicht 5 insbesondere eine Adhäsion zwischen der zweiten Hauptschicht 5 und der ersten Hauptschicht 4 verbessern soll.
Die erste Hauptschicht 4 weist die Hauptbestandteile Molybdän, Stickstoff und Sauerstoff auf. Hierbei ist der Sauerstoff in vom Grundkörper 2 abgewandten Bereich der ersten Hauptschicht 4 und somit insbesondere im Bereich einer Oberfläche 8 der ersten Hauptschicht 4 und somit der Oberfläche 8 des
Gleitkörpers 1 angeordnet. Zudem ist die Sauerstoffkonzentration im Vergleich zur Molybdän-Konzentration und Stickstoffkonzentration der ersten Hauptschicht 4 gering, so dass die erste Hauptschicht 4 mit Sauerstoff dotiert ist. Wichtig ist, dass die erste Hauptschicht 4 vor allem an der Oberfläche 8 bzw. unmittelbar an der Oberfläche 8 sauerstoffhaltig ist, wobei die erste Oberschicht 4 in diesem Bereich vorzugsweise molybdänmonoxidartige Verbindungen aufweist, um eine Reibung des Gleitkörpers 1 an einem zugehörigen Gegenstand, insbesondere an einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, zu verringern.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des mit 9 bezeichneten Bereichs in Fig. 1 bei einer weiteren Ausführungsform, die im Übrigen der in Fig. 1 gezeigten gleicht. Hierbei ist eine Multilagenschicht 10 zu sehen, welche im Bereich der Oberfläche 8 der ersten Hauptschicht 4 angeordnet ist. Die Multilagenschicht 10 besteht aus abwechselnd entlang einer Dicke 1 1 der ersten Hauptschicht 4 angeordneten sauerstofffreien bzw. sauerstoffarmen ersten Einzellagen 12 und
sauerstoffhaltigen bzw. sauerstoffdotierten zweiten Einzellagen 13. Dabei ist die direkt an der Oberfläche 8 angeordnete zweite Einzellage 13 sauerstoffhaltig, um besagte Reibungsminderung durch eine selbstschmierende Eigenschaft zu gewährleisten. Die Periodizität der Multilagenschicht, das heißt die Summe aus der Einzellagendicke 14 einer solchen Einzellage 12 und der Einzellagendicke 14 einer solchen benachbarten Einzellage 13 beträgt zwischen 50 nm und 300 nm. Die Einzellagen 12 und 13 können unterschiedliche Einzellagendicken 14 aufweisen. Dabei beträgt der Anteil der Einzellagendicke 14 einer solchen Einzellage 13 an der Periodizität bevorzugt zwischen 20% und 60%.
Der Stickstoffgehalt der ersten Hauptschicht 4 ist 20 Atom-% und 60 Atom-% beträgt, vorzugsweise zwischen 25 Atom-% und 40 Atom-%, besonders bevorzugt zwischen 30 Atom-% und 35 Atom-%. Zudem beträgt der
Sauerstoffgehalt in der ersten Hauptschicht 4, insbesondere in den
sauerstoffdotierten Einzellagen 13, zwischen 0,5 Atom-% und 5 Atom-%, vorzugsweise zwischen 0,5 Atom-% und 2 Atom-%. Der Molybdängehalt der ersten Hauptschicht 4 beträgt zwischen 35 Atom-% und 79,5 Atom-%.
Wie in Fig. 1 weiter zu sehen ist, ist eine Dicke 15 der zweiten Hauptschicht 5, die zwischen 0,5 μιτι und 10 μιτι beträgt, kleiner als die Dicke 1 1 der ersten Hauptschicht 4, welche zwischen 1 μιτι und 50 μιτι ist. Zudem ist eine Dicke 16 der zweiten Unterschicht 7 der zweiten Hauptschicht 5 kleiner als eine Dicke 17 der ersten Unterschicht 6 der zweiten Hauptschicht 5.
Die Oberfläche 8 der ersten Hauptschicht 4 weist eine Rauigkeit 18 auf, welche eine mittlere Rautiefe Rz aufweist, die kleiner als 1 μιτι ist. Darüber hinaus ist der Materialanteil in 0,2 μιτι Tiefe größer als 60%, während und der Materialanteil in 0,3 μιτι Tiefe größer als 80% ist.

Claims

Ansprüche
1 . Gleitkörper (1 ), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem
Grundkörper (2) und einer Beschichtung (3), die den Grundkörper (2) zumindest teilweise bedeckt, wobei die Beschichtung (3) eine erste
Hauptschicht (4) aufweist, deren Hauptbestandteile ausschließlich Molybdän, Stickstoff und Sauerstoff sind.
2. Gleitkörper nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hauptschicht (4) eine Dicke (1 1 ) von 1 μιτι bis 50 μιτι aufweist.
3. Gleitkörper nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hauptschicht (4) zumindest im vom Grundkörper (2) abgewandten Bereich, insbesondere an einer Oberfläche (8),
molybdänmonooxid-artige Verbindungen aufweist.
4. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (3) zumindest teilweise zwischen der ersten
Hauptschicht (4) und dem Grundkörper (2) eine zweite Hauptschicht (5) aufweist, die einen metallischen Hauptanteil, insbesondere Molybdän und/oder Chrom und/oder Titan und/oder eine Chrom-Aluminium-Legierung, aufweist.
5. Gleitkörper nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hauptschicht (5) eine Dicke (15) zwischen 0,5 μηη und 10 μηη aufweist.
6. Gleitkörper nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hauptschicht (5) Stickstoff aufweist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Stickstoffkonzentration hin zur ersten Hauptschicht (4) zunimmt.
7. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sauerstoffkonzentration der ersten Hauptschicht (4) hin zum
Grundkörper (2) abnimmt.
8. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Konzentration vom Molybdän in der ersten Hauptschicht (4) hin zum Grundkörper (2) abnimmt und/oder die Konzentration des metallischen Hauptanteils der zweiten Hauptschicht (5) hin zur ersten Hauptschicht (4) abnimmt.
9. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hauptschicht (4) einen Stickstoffgehalt zwischen 20 Atom-% und 60 Atom-%, insbesondere zwischen 25 Atom-% und 40 Atom-%, ganz insbesondere zwischen 30 Atom-% und 35 Atom-%, aufweist.
10. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hauptschicht (4) entlang ihrer Dicke (1 1 ) zumindest zwei unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen aufweist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Sauerstoffkonzentration entlang der Dicke (1 1 ) zumindest bereichsweise oszilliert.
1 1 . Gleitkörper nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine durch die Oszillation der Sauerstoffkonzentration ausgebildete Multilagenschicht (10) eine Periodizität zwischen 50 nm und 300 nm aufweist.
12. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sauerstoffkonzentration der ersten Hauptschicht (4) zwischen 0,5 Atom-% und 5 Atom-%, insbesondere zwischen 0,5 Atom-% und 2 Atom-% beträgt.
13. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche (8) der ersten Hauptschicht (4) eine Rauigkeit (18) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die mittlere Rautiefe Rz kleiner als 1 μιτι ist und/oder der Materialanteil Rmr in 0,2 μιτι Tiefe größer als 60% ist und/oder der Materialanteil Rmr in 0,3 μιτι Tiefe größer als 80% ist (nach DIN EN ISO 4287).
14. Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) ein Kolbenring (1 ') für eine Brennkraftmaschine ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkörpers (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die erste Hauptschicht (4) und/oder die zweite Hauptschicht (5) mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogenverdampfens, auf den Grundkörper (2) des Gleitkörpers (1 ) aufgedampft werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Hauptschicht (4) in Stickstoff-Atmosphäre und zusätzlich in Sauerstoff-Atmosphäre aufgedampft wird.
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