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Title:
ANTI-WEAR LAYER ARRANGEMENT AND COMPONENT COMPRISING AN ANTI-WEAR LAYER ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/012704
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an anti-wear layer arrangement, especially for components (B) of a fuel injection system, which are exposed to high pressures and temperatures. Said arrangement comprises a protective layer (4) formed from an amorphous tetragonally bound carbon or comprising a part of amorphous tetragonally bound carbon, and at least one first adhesive layer (2) formed from chromium or comprising a chromium part. According to the invention, at least one second adhesive layer (3) comprising a tungsten carbide part and/or consisting of a tungsten carbide layer is provided, preferably adjacent to the first adhesive layer (2). The invention also relates to a component (B).

Inventors:
BURGER KURT (DE)
NEIDHARDT RONALD (DE)
BURGHOFF KLAUS (DE)
FEUERFEIL RAINER (DE)
SCHNEIDER GUENTER (DE)
MAY ULRICH (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/059700
Publication Date:
February 04, 2010
Filing Date:
July 28, 2009
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
BURGER KURT (DE)
NEIDHARDT RONALD (DE)
BURGHOFF KLAUS (DE)
FEUERFEIL RAINER (DE)
SCHNEIDER GUENTER (DE)
MAY ULRICH (DE)
International Classes:
C23C14/02; C23C14/06; C23C28/00; C23C30/00; F02M61/00
Domestic Patent References:
WO2001061182A12001-08-23
Foreign References:
DE10038954A12002-02-28
EP2067983A12009-06-10
Other References:
TREUTLER ET AL: "Industrial use of plasma-deposited coatings for components of automotive fuel injection systems", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 200, no. 5-6, 21 November 2005 (2005-11-21), pages 1969 - 1975, XP005173251, ISSN: 0257-8972
WEBER ET AL: "Influence of different interlayers and bias voltage on the properties of a-C:H and a-C:H:Me coatings prepared by reactive d.c. magnetron sputtering", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 201, no. 3-4, 5 October 2006 (2006-10-05), pages 1576 - 1582, XP005646967, ISSN: 0257-8972
BEWILOGUA K ET AL: "STRUCTURE, PROPERTIES AND APPLICATIONS OF DIAMOND-LIKE CARBON COATINGS PREPARED BY REACTIVE MAGNETRON SPUTTERING", ZEITSCHRIFT FUR METALLKUNDE, CARL HANSER, MUNICH, DE, vol. 96, no. 9, 1 September 2005 (2005-09-01), pages 998 - 1004, XP001234905, ISSN: 0044-3093
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. 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, und mit mindestens einer aus Chrom gebildeten oder einen Chroman- teil aufweisenden ersten Haftvermittlerschicht (2)

gekennzeichnet durch,

mindestens eine, einen Wolframkarbidanteil aufweisende und/oder aus Wolframkarbidschicht bestehende, vorzugsweise an die erste Haftvermittlerschicht (2) angrenzende, zweite Haftvermittlerschicht (3) .

2. Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) als eine, einen Anteil Chrom aufweisende Mischschicht ausgebildet ist.

3. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischschicht als Gradientenschicht mit sich, vorzugsweise mit zunehmender Schichtdicke, änderndem Chrom/Wolframkrabid-Gradienten ausgebildet ist.

4. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aus Wolframkarbid gebildete dritte Haftvermittlerschicht (5) .

5. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine, einen Kohlenstoffanteil aufweisende vierte Haftvermittlerschicht (6).

6. Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftvermittlerschicht (3) als eine, einen Anteil Wolframkarbid aufweisende Mischschicht ausgebildet ist.

7. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), Schutzschicht (4).

8. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), dritte Haftvermittlerschicht (5), Schutzschicht (4).

9. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Schichtreihenfolge: erste Haftvermittlerschicht (2), zweite Haftvermittlerschicht (3), dritte Haftvermittlerschicht (5), vierte Haftvermittlerschicht (6), Schutzschicht (4) .

10. Bauelement, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsys- tems, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Verschleißschutzschichtanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (B) ein Bestandteil eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eine Düsennadel, oder ein Bestandteil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, insbesondere Flügelrad, ist.

Description:
Beschreibung

Titel

Verschleißschutzschichtanordnung sowie Bauelement mit einer Verschleißschützschichtanordnung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanord- nung, insbesondere für hohen Drücke 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 plasma- technische Verfahren auf der Bauelementoberfläche aufgetragenen Kohlenstoffschicht beträgt zwischen lμm und 3μm.

Seit September 2006 werden auf Bauelementen von Dieseleinspritzsystemen tetragonal amorphe, wasserstofffreie Kohlen- stoffschichten (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 vorgese- hen, 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 Al ist eine Verschleißschutzbe- schichtung für im Vergleich zu Einspritzsystembauelementen geringeren Drücken ausgesetzten Druckmaschinenelemente bekannt. Diese umfasst eine Schutzschicht aus tetragonal gebundenem amorphem Kohlenstoff, wobei zwischen der Oberflä- che 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 0 C geeignet.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine haftfestig- keitsoptimierte Verschleißschutzschichtanordnung vorzuschlagen. Bevorzugt sollte die Verschleißschutzschichtanordnung temperaturfest sein, insbesondere bei Temperaturen um 400 0 C. Weiter bevorzugt sollte die Verschleißschutz- Schichtanordnung zusätzlich oder alternativ unempfindlich sein gegenüber einer oxidierenden Gasatmosphäre. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein mit einer derartigen Verschleißschutzschichtanordnung beschichtetes Bauelement, vorzugsweise eines Kraftstoffeinspitzsystems, vorzuschla- gen. Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verschleißschutz- Schichtanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Bauelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte 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 chromhaltigen oder aus Chrom bestehenden ersten Haft- Vermittlerschicht eine, vorzugsweise unmittelbar auf die erste Haftvermittlerschicht aufgebrachte zweite Haftvermittlerschicht vorzusehen, die einen Wolframkarbidanteil aufweist oder die aus Wolframkarbid besteht. Durch den Einsatz der zusätzlichen zweiten Haftvermittlerschicht konnte eine gute Haftung bei Temperaturen um 400 0 C auch unter einer oxidierenden Gasatmosphäre nachgewiesen werden. Bevorzugt werden/wird die erste und/oder die zweite Haftvermittlerschicht mittels PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) im Vakuum abgeschieden. Ganz besonders bevorzugt erfolgt das Abscheiden durch Sputtern, wobei ein Chromtargetmaterial durch Ionenbeschuss, insbesondere Argonionenbeschuss zerstäubt und in die Gasphase überführt wird. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei der Schutzschicht um eine Wasserstofffreie tetragonal gebundene, amorphe Koh- lenstoffSchicht handelt. Diese wird bevorzugt mittels PVD, ganz besonders mittels Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) aufgebracht . Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Haftvermittlerschicht um eine Mischschicht aus Chrom und Wolframkarbid. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Mischschicht als sogenannte Gradientenschicht mit sich, vorzugsweise mit zunehmender Schichtdicke, änderndem Chrom/Wolframkarbid-Verhältnis ausgebildet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Wolframkarbidanteil in Richtung der, vorzugsweise als Deckschicht ausgebildeten, Schutzschicht, aus tetragonal gebundenem amorphem, vorzugs- weise Wasserstofffreiem, Kohlenstoff zunimmt. Weiter bevorzugt ist es, wenn die erste Haftvermittlerschicht durch eine geeignete Prozessführung graduell in die Chrom- Wolframkarbidmischschicht überführt wird. Bevorzugt erfolgt das Abscheiden des Wolframkarbids bzw. die Beimischung zum Chrom durch ein PVD-Verfahren, vorzugsweise durch Sputtern eines Wolframkarbidtargets .

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass, vorzugsweise unmittelbar auf der zweiten Haftvermitt- lerschicht, eine dritte Haftvermittlerschicht aus Wolframkarbid, also eine reine Wolframkarbidschicht angeordnet ist, die vorzugsweise durch eine Mischungsverhältnisänderung aus der Chrom/Wolframkarbid-Schicht (zweite Haftvermittlerschicht) übergeht.

Besonders bevorzugt ist es, wenn, vorzugsweise auf der dritten Haftschicht, eine vierte Haftvermittlerschicht vorgesehen ist, wobei die vierte Haftvermittlerschicht bevorzugt als wolframkarbidhaltige KohlenstoffSchicht ausgebil- det ist. Die wolframkarbidhaltige KohlenstoffSchicht wird vorzugsweise durch ein PVD/CVD-Mischverfahren aufgebracht (CVD = chemische Gasphasenabscheidung) . Hierzu wird vorzugsweise zusätzlich zu den Argonionen zum Sputtern des Wolframkarbidtargets Acetylengas (Ethin) zugeführt, um in der Folge eine Wolframkarbid/Kohlenstoff-Mischschicht als vierte Haftvermittlerschicht zu erzeugen.

Die zuvor erwähnten Haftvermittlerschichten (erste bis vierte Haftvermittlerschicht) können in beliebiger Reihenfolge eingesetzt werden. Es ist auch denkbar einzelne Haftvermittlerschichten (bis auf die erste und die zweite Haftvermittlerschicht) wegzulassen, also beispielsweise die vierte Haftvermittlerschicht unmittelbar auf der ersten oder zweiten Haftvermittlerschicht anzuordnen.

Ganz besonders bevorzugt ist jedoch eine Verschleißschutzschichtanordnung mit folgender Schichtreihenfolge ausgehend von einer Bauelementoberfläche: erste Haftvermittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, Schutzschicht. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Dicke der Summe aus erster und zweiter Haftvermittlerschicht vorzugsweise etwa 200nm bis etwa 700nm.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Schichtreihenfolge vorzugsweise wie folgt: erste Haftvermittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, dritte Haftvermittlerschicht, Schutzschicht, wobei in diesem Fall bevorzugt typische Schichtdicken jeweils zwischen lOOnm und 350nm betragen .

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schichtreihenfolge wie folgt ist: erste Haftver- mittlerschicht, zweite Haftvermittlerschicht, dritte Haftvermittlerschicht, vierte Haftvermittlerschicht, Schutzschicht, wobei in diesem Fall die Schichtdicken vorzugswei- se aus einem Wertebereich zwischen etwa 50nm und 300nm gewählt sind.

Die Erfindung führt auch auf ein Bauelement, insbesondere ein Bauelement eines Kraftstoffeinspritzsystems, wie beispielsweise eine Düsennadel oder ein Ventilsitz eines Kraftstoff-Inj ektors oder ein Pumpenflügel oder ein Ventilsitz einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe zum Versorgen eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Das Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass dieses auf einer Bauelementoberfläche mit einer zuvor beschriebenen Verschleißschutzschichtanordnung ausgestattet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die die Verschleißschutzschichtanordnung tragende Bauelementoberflä- che, zumindest im Beschichtungsbereich, aus Stahl ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauelementes mit einer dreischichtigen Verschleißschutzschichtanordnung,

Fig. 2: ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Bau- elementes mit einer vierschichtigen Verschleißschutzschichtanordnung und Fig. 3: ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Bauelementes mit einer fünfschichtigen Verschleißschützschichtanordnung .

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ein Bauelement B eines Kraftstoff- Einspritzsystems gezeigt. Bei dem Bauelement B handelt es sich beispielsweise um eine Düsennadel oder einen Ventilsitz eines Kraftstoff-Injektors.

Das aus Stahl ausgebildete Bauelement B weist eine Oberfläche O auf, auf der eine Verschleißschutzschichtanordnung 1 angeordnet ist. Unmittelbaren Kontakt zur Oberfläche O des Bauelementes B hat eine erste Haftvermittlerschicht 2 aus reinem Chrom. Die erste Haftvermittlerschicht wurde mittels eines PVD-Verfahrens (Sputtern) aufgebracht. Unmittelbar auf der ersten Haftvermittlerschicht 2 befindet sich eine zweite Haftvermittlerschicht 3, die als Chrom/Wolfram- karbidmischschicht ausgebildet ist. Der Anteil an Wolfram- karbid in der als Gradientenschicht ausgebildeten Mischschicht nimmt dabei ausgehend von der Grenze der ersten Haftvermittlerschicht 2 in Richtung zu einer äußeren, als Deckschicht dienenden Schutzschicht 4, zu. Die zweite Haftvermittlerschicht 3 wird durch einen Doppel-PVD- Beschichtungsprozess, bei dem sowohl Chrom als auch Wolframkarbid durch Sputtern abgeschieden werden, aufgebracht. Bei der als Deckschicht dienenden Schutzschicht 4 handelt es sich um eine Schicht aus tetragonalem amorphen, wasserstofffreien Kohlenstoff. Die Schichtdicke der zweiten Haftvermittlerschicht 3 (Gradientenschicht) ist aus einem Wer- tebereich zwischen 200nm und 700nm gewählt.

Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines beschichteten Bauelementes B. Auf einer Oberfläche O des Bauelementes B befindet sich hierzu eine Verschleißschutz- Schichtanordnung 1. Die Verschleißschutzschichtanordnung 1 umfasst eine erste Haftvermittlerschicht 2 aus reinem Chrom, an die eine zweite Haftvermittlerschicht 3 als Mischschicht, umfassend Chrom und Wolframkarbid, analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angrenzt. Unmittelbar auf der zweiten Haftvermittlerschicht 3 befindet sich eine dritte Haftvermittlerschicht 5 aus reinem Wolframkarbid. Unmittelbar auf der dritten Haftvermittlerschicht 5 befindet sich die als Deckschicht dienende Schutzschicht 4 aus tetragonal gebundenem, amorphen, Wasserstofffreien Kohlen- stoff.

In Fig. 3 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Bauelementes B gezeigt, auf dessen Oberfläche O eine Verschleißschutzschichtanordnung 1 vorgesehen ist. Diese umfasst neben der ersten Haftvermittlerschicht 2 aus Chrom, der zweiten Haftvermittlerschicht 3 aus einem Chrom/Wolframkarbidgemisch und einer dritten Haftvermittlerschicht 5 aus reinem Wolframkarbid eine wolframkarbid- haltige KohlenstoffSchicht ausgebildete vierte Haftvermitt- lerschicht 6, an die wiederum die Schutzschicht 4 aus tetragonal gebundenem, amorphen, Wasserstofffreien Kohlenstoff anschließt. Die vierte Haftvermittlerschicht 6 wird durch einen kombinierten PVD/CVD-Prozess aufgebracht, wobei während des Aufbringens an das Bauteil B eine Spannung angelegt wird, um die Ionen an die Oberfläche zu leiten.