Maschinenelement

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein einer Wälz- oder Gleitbelastung ausgesetztes Maschinenelement, insbesondere ein Ventiltriebselement einer Brennkraftmaschine oder eine Wälzlagerkomponente, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Hintergrund der Erfindung

Aus der DE 10 2007 054 181 A1 ist ein mit einer korrosionsfesten Beschichtung versehener Tassenstößel bekannt. Die Beschichtung ist in diesem Fall mehrlagig aufgebaut und umfasst amorphen Kohlenstoff mit Wasserstoff.

Ein Verfahren zur Bearbeitung einer Beschichtung aus hartem Kohlenstoff ist zum Beispiel aus der DE 10 2006 010 916 A1 bekannt. Hierbei werden zur Glättung der Oberfläche borsten- oder plattenförmige Elemente verwendet.

Zur Beschichtung von Oberflächen geeignete Are-Prozesse sind beispielsweise in der DE 10 2007 058 356 A1 offenbart. Verschiedene verschlei ßfeste Beschichtungen, welche CrN _x -Phasen oder kohlenstoffhaltige Funktionsschichten (Me-C:H, a-C:H, a-C:H:a, ta-C) umfassen, sind zum Beispiel aus der DE 10 2004 043 550 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung eines Maschinenelements, insbesondere eines Nockenfolgers und/oder Wälzlagerteils, gegen- über dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Verschleiß- und Reibungseigenschaften weiterzuentwickeln.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Maschinenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein zur Herstellung eines solchen Maschinenelements geeignetes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Beschichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.

Das Maschinenelement weist zumindest in demjenigen Bereich, der im bestimmungsgemäßen Betrieb des Maschinenelements einem Wälz- oder Gleitkontakt ausgesetzt ist, eine Beschichtung mit einer isotropen, das heißt richtungsunabhängigen Struktur auf. Insbesondere weist die Beschichtung keine in irgendeiner definierten Weise gerichteten Schleifspuren auf. Vorzugsweise ist die Beschichtung als DLC-Beschichtung ausgebildet. Die Beschichtung wird vorzugsweise im PVD-Verfahren aufgebracht. Dies gilt insbesondere für Wasserstoff freie Kohlenstoffschichten und kristalline Hartstoffschichten wie CrN. Amorphe Kohlenwasserstoffschichten werden dagegen bevorzugt im PACVD-Verfahren aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Beschichtung kann eine mechanische Nachbearbeitung erfolgen, die in geometrisch nicht definierter Weise Späne von der Beschichtung abhebt. Jegliche mechanisch von der Oberfläche entfernten Partikel, egal welcher Größe, werden in diesem Zusammenhang als Späne bezeichnet. Insbesondere werden Schleif-, Polier- und Läppprozesse unter spanabhebende Verfahren subsumiert. Die isotrope Struktur der Oberfläche sorgt in allen Fällen dafür, dass Verschleiß- und Reibungswiderstand richtungsunabhängig sind. Eine eventuell vor dem Beschichtungsvorgang vorhandene anisotrope Oberflä- chenstruktur verschwindet spätestens durch die mechanische Nachbearbeitung der Beschichtung. In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird bereits vor dem Aufbringen der Beschichtung eine vollständig isotrope Oberflächenstruktur des Werkstücks hergestellt und die Oberfläche nach der Beschichtung nochmals spanabhebend bearbeitet.

Die noch unbeschichtete, isotrope Oberfläche des Maschinenelements weist vorzugsweise eine Rauigkeit von 0,003 bis 0,01 μιη Ra auf. Durch das Aufbringen der Beschichtung erfolgt ein Rauhigkeitsaufbau auf typischerweise 0,05 bis 0,08 μιη Ra. Schließlich wird durch die mechanische Nachbearbeitung der Be- Schichtung des Maschinenelements in vorteilhafter Ausgestaltung eine Rauigkeit von 0,01 bis 0,025 μιη Ra erzielt. Die niedrige Oberflächenrauigkeit des Maschinenelements korrespondiert mit einem hohen Traganteil der mechanisch belasteten Oberfläche sowohl im Fall eines Wälzkontakts als auch im Fall eines Gleitkontakts.

Sofern durch den Beschichtungsprozess Droplets in der Beschichtung entstehen, werden diese durch die mechanische Nachbearbeitung bevorzugt teilweise, jedoch nicht vollständig abgetragen. In geringer Anzahl und Ausprägung können Droplets den Einlauf des beschichteten Maschinenelements, insbeson- dere Ventiltriebselements, zum Gegenkörper, etwa zu einem Nocken oder zu einem Wälzkörper, unterstützen. Als Werkzeug zur mechanische Nachbearbeitung der Beschichtung wird vorzugsweise ein Bürstwerkzeug mit Diamantbesatz verwendet. Bei nicht zu hoher Härte der Beschichtung sind auch Bürstwerkzeuge mit CBN (kubisches Bornitrid), Korund oder Carbid verwendbar. Besonders im Fall von kohlenstoffhalti- gen Beschichtungen wird auf die Verwendung von Stahlbürsten zur Nachbearbeitung vorzugsweise verzichtet, um zu vermeiden, dass Stahl mit dem Kohlenstoff der Beschichtung chemisch reagiert und diese somit schwächt. Vielmehr ist das Werkzeug zur mechanische Nachbearbeitung vorzugsweise als partikelbesetztes Filament, welches ein gleichmäßiges Bürsten der beschichteten O- berfläche ermöglicht, ausgebildet. Durch eine ausreichende Zufuhr von Kühlschmiermittel beim Bürsten wird dabei sichergestellt, dass ein Abtrag von Material, insbesodere ein teilweiser Abtrag von Droplets, ausschließlich mechanisch erfolgt und aufgrund der niedrigen Temperatur keine chemische Reaktion zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück stattfindet.

Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Beschichtung sind beispielsweise Tassenstößel und Schlepp- oder Kipphebel in Kolbenmaschinen, aber auch Pumpenstößel, Zahnräder oder Wälzlagerkomponenten, insbesondere Lagerringe und Wälzkörper, zum Beispiel Kugeln, Nadeln, Zylinderrollen oder Kegelrollen. Als Grundwerkstoff des zu beschichtenden Maschinenelements wird vorzugsweise Stahl verwendet; die Beschichtung kann jedoch zum Beispiel auch auf ein Werkstück aus Leichtmetall aufgebracht werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Hierin zeigt:

Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 einen Tassenstößel in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 den Tassenstößel nach Fig. 1 in einer Schnittdarstellung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Ein in den Figuren 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Ma- schinenelement, nämlich ein Tassenstößel, weist eine zylindrische Mantelfläche 2 sowie eine kreisscheibenförmige Oberfläche 3 auf, welche eine zur Zusammenwirkung mit einem nicht dargestellten Nocken vorgesehene Gleitfläche bildet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Tassenstößels 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Die Oberfläche 3 ist durch eine im PVD-Verfahren aufgebrachte Beschichtung 4 gebildet, welche eine isotrope Struktur aufweist. Die Beschichtung 4 entspricht hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihres Schichtaufbaus beispielsweise einer aus den Dokumenten DE 10 2007 054 181 A1 , DE 10 2006 010 916 A1 , DE 10 2007 058 356 A1 oder DE 10 2004 043 550 A1 bekannten Beschichtung. In übertriebener Weise sind in Fig. 2 mehrere Droplets 5 in Form in der Beschichtung 4 hervorstehender Partikel angedeutet.

Die gesamte Beschichtung 4 einschließlich der eventuell verfahrensbedingt entstehenden Droplets 5 ist im PVD (Physical Vapour Deposition)-Verfahren hergestellt und wird als DLC (Diamond-Like-Carbon)-Beschichtung bezeichnet. Beispielsweise handelt es sich bei der Beschichtung 4 um eine Wasserstoff freie Kohlenstoffschicht. Ebenso kann die Beschichtung 4 als amorphe Kohlenwasserstoffschicht ausgebildet sein, welche ein- oder mehrlagig aufgebaut und mit Metallen oder Nichtmetallen dotiert sein kann, wobei die Herstellung der Schicht in diesem Fall bevorzugt im PACVD (Physical Assisted Chemical Vapour Depo- sition)-Verfahren erfolgt. Auch nitridische Hartstoffshichten wie Chromnitrid oder Kupfer-Molybdännitrid kommen als Beschichtung 4 oder Komponenten der Beschichtung 4, insbesondere im Fall eines mehrlagigen Aufbaus, in Betracht.

Bereits vor dem Aufbringen der Beschichtung 4 wird die zu beschichtende O- berfläche 3 des Tassenstößels 1 durch Polier- und/oder Läppverfahren derart für den Beschichtungsprozess vorbereitet, dass keinerlei mechanische Bearbei- tungsspuren, etwa Schleifspuren, mehr erkennbar sind. Die beschichtete Oberfläche 3 schließlich wird mittels eines beispielsweise planetengetriebenen, in Fig. 2 nur ausschnittsweise dargestellten Bürstwerkzeugs 6, welches mit Diamantpartikeln besetzt ist, nachbearbeitet. Grundsätzlich kann bei der mechani- sehe Nachbearbeitung, das heißt beim Bürsten, der Tassenstößel 1 und/oder das Bürstwerkzeug 6 angetrieben sein. Das Bürstwerkzeug 6 ist vorzugsweise bis mindestens 350 °C temperaturstabil.

Der Bürstvorgang ist in jedem Fall derart gestaltet, dass jeder Abschnitt der zu bearbeitenden Oberfläche 3 sowohl hinsichtlich der Bearbeitungsintensität als auch der Relativbewegung zwischen Werkstück, das heißt Tassenstößel 1 , und Bürstwerkzeug 6 gleichmäßig, insbesondere ohne Bevorzugung irgendeiner bestimmten Richtung, bearbeitet wird, so dass letztlich eine isotrope, verschleiß- und reibungsoptimierte Oberflächenstruktur entsteht. Die Droplets 5 werden hierbei gleichmäßig und ungerichtet, in der Summe jedoch reproduzierbar entfernt. Im Fall eines Beschichtungsverfahrens, welches keine Droplets in der Beschichtung 4 erzeugt, kann es - ohne die Notwendigkeit einer mechanische Nachbearbeitung - ausreichend sein, wenn bei der noch unbeschichteten Oberfläche 3 des Tassenstößels 1 eine isotrope Struktur vorliegt.

Bezugszeichenliste Maschinenelement, Tassenstößel Mantelfläche

Oberfläche, Gleitfläche

Beschichtung

Droplet

Bürstwerkzeug