Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils mit einer

Verschleißschutzschicht, metallisches Bauteil sowie Kraftstoffeinspritzsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils mit einer harten Verschleißschutzschicht, welche durch ein Plasmaverfahren zumindest einschichtig über zumindest einen Teil der

Oberfläche es Bauteils aufgetragen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein damit beschichtetes metallisches Bauteil sowie ein Kraftstoffe! nspritzsystem eines Kraftfahrzeuges mit solchen metallischen Bauteilen als

Systemkomponenten.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die

Kraftfahrzeugtechnik insbesondere auf Kraftstoffeinspritzsysteme. Deren metallische Bauteile, wie beispielsweise Ventilsitze von Kraftstoff! njektoren, Gleitlagerstellen bei Hochdruckpumpen und dergleichen sind im Betrieb starken Drücken und Reibbeanspruchungen ausgesetzt, so dass derartig tribologisch hoch beanspruchte Oberflächen hier interessierender metallischer Bauteile mit einer Verschleißschutzschicht versehen sind, welche insbesondere die

Reibwerte in tribologischen Kontakten deutlichen senken. Derartige

Verschleißschutzschichten enthalten beispielsweise Chromnitrit, Titannitrit oder DLC (diamond-like carbon). Derartige Verschleißschutzschichten kommen neben der Einspritztechnik auch in der Werkzeugtechnik zum Einsatz, also als

Werkzeugbeschichtungen. Stand der Technik

Ein im Stand der Technik allgemein bekanntes Verfahren, um derartige

Verschleißschutzschichten abzuscheiden ist die Vakuumbogenverdampfung oder PVD-Verfahren (PVD= physical vapor deposition).

Die DE 10 2009 003 192 AI offenbart eine Verschleißschutzschichtanordnung, die im PVD-Verfahren, vorzugsweise unter Vakuum, auf die zu schützende Oberfläche eines Bauteils aufgebracht ist. Die

Verschleißschutzschichtanordnung weist eine aus tetraedrisch gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildete oder einen Anteil an tetraedrisch gebundenem amorphen Kohlenstoff aufweisende Verschleißschutzschicht sowie eine Titan aufweisende Haftschicht zwischen dem Bauelement und der

Verschleißschutzschicht auf. Die Haftschicht weist zusätzlich neben Titan wenigstens ein oxidationsbeständiges Element auf. Hierdurch wird die hohe chemische Reaktivität von Titan vermindert und die Oxidationsbeständigkeit in der Haftschicht erhöht, was der Beständigkeit der gesamten

Verschleißschutzanordnung zu Gute kommt. Auch die Haftschicht wird im PVD- Verfahren aufgebracht.

Prozessbedingt entstehen bei diesem Verfahren sogenannte Droplets, also grobkörnige Materialausscheidungen, die von der Oberfläche der Beschichtung hervorstehen, mit einer Korngröße von einigen μηι. Hierdurch erhöht sich nachteilhaft die Oberflächenrauhheit der so beschichteten metallischen Bauteile, was wiederum einen negativen Einfluss auf das Reib- und Verschleißverhalten des Bauteils ausübt.

Zwar können derartige Droplets durch eine elektromagnetische Filterung des Beschichtungsteilchenstroms vermindert werden; dieses Verfahren ist jedoch recht aufwendig, insbesondere durch einen energieintensiven Filteraufbau.

Zudem ist eine Großserienanwendung systembedingt hiermit nicht realisierbar, was nachteilhaft im Hinblick auf den vorstehend angegebenen

Anwendungsbereich in der Kraftfahrzeugtechnik ist. Ein Glätten der Oberfläche der Verschleißschutzschicht zum Entfernen der Droplets hinterlässt wiederum Löcher in der Schichtoberfläche, welche ebenfalls eine hohe Rauheit erzeugen, aber auch teilweise die Bauteiloberfläche freilegen. Derartige Löcher wären Angriffspunkte für chemische Zersetzungsprozesse oder Korrosion.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht der hier interessierenden Art sowie ein damit beschichtetes metallisches Bauteil dahingehend weiter zu verbessern, dass glatte dropletfreie Oberflächen machbar sind, die sich mittels eines Plasmaverfahrens in Großserie herstellen lassen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines metallischen Bauteils wird auf Anspruch 7 verwiesen. Der Anspruch 10 gibt ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einem derartigen Bauteil an.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass nach dem Auftragen einer harten Verschleißschutzschicht per Plasmaverfahren auf die Oberfläche eines Bauteils in einem Folgeschritt die hierbei abgeschiedenen Droplets zunächst mechanisch entfernt werden, und dass anschließend auf die Oberfläche der aufgetragenen und mechanisch bearbeiteten

Verschleißschutzschicht eine demgegenüber weichere Einlaufschicht

aufgetragen wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die harte Verschleißschutzschicht als eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (ta-C) ausgebildet, wogegen die demgegenüber weichere Einlaufschicht als eine Wasserstoff haltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C:H) ausgebildet ist.

Insbesondere diese spezielle Materialkombination erweist sich sowohl als reibarm als auch hochbeständig an den hier interessierenden tribologisch hochbelasteten metallischen Bauteilen. Es wird vorgeschlagen, dass die Einlaufschicht ebenfalls durch ein

Plasmaverfahren aufgetragen wird, wobei vorteilhafterweise ein

Plasmareinigungs- oder Plasmaaktivierungsverfahren dem Schritt vorausgehen soll, um die Schichthaftung zu maximieren. Ferner verankert sich die

Einlaufschicht auch in den in Folge des vorausgegangenen mechanischen Bearbeitungsschritts in die Verschleißschutzschichtoberfläche eingebrachten Mikrod eilen, was die Hafteigenschaft weiter verbessert.

Die durch den Verfahrenszwischenschritt durchgeführte mechanische Entfernung der Droplets der harten Verschleißschutzschicht kann beispielsweise mittels Schleifen oder Bürsten durchgeführt werden. Besonders geeignet ist ein Band-, Schlepp-, oder Strömungsfinishen.

Zur Erzielung eines höchst möglichen Automatisierungsgrads für die

Beschichtung wird vorgeschlagen, dass die per Plasmaverfahren auf die

Oberfläche des Bauteils aufgetragene harte Verschleißschutzschicht durch gepulste oder ungepulste Vakuumbogenverdampfung aufgetragen wird. Für die weichere Einlaufschicht kann das PVD-Verfahren oder das PECVD-Verfahren (PECVD= plasma enhanced chemical vapor deposition) angewendet werden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird

vorgeschlagen, dass vor dem Auftragen der harten Verschleißschutzschicht mindestens eine metallische Haftschicht auf die Oberfläche des Bauteils aufgetragen wird. Die Haftschicht erhöht die Beständigkeit der harten

Verschleißschutzschicht und kann ebenfalls per Plasmabeschichtung

automatisiert in einer Vakuumbeschichtungsanlage durchgeführt werden, welcher zu diesem Zweck Titan abscheidet. Der aus Titan bestehenden

Haftschicht kann außerdem ein oxidationsbeständiges Element zugemengt werden, um die hohe chemische Reaktivität von Titan zu vermindern. Ferner kann die Haftschicht auch mehrschichtig ausgebildet sein und beispielsweise aus einer einen Chrom-Anteil aufweisenden ersten Haftschicht und einer einen Kohlenstoff-Anteil aufweisenden zweiten Haftschicht bestehen. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß mehrschrittig bearbeiteten metallischen Bauteils in Bearbeitungsschritten I bis III, und

Figur 2 einen Ablaufplan einer vollständigen Bearbeitungsschrittfolge zum

Beschichten des Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht.

Gemäß Figur 1 ist ein hier nur schematisch dargestelltes metallisches Bauteil 1 seitens einer tribologisch beanspruchten Oberfläche 2 mit einer

Verschleißschutzschicht 3 überzogen, welche als eine tetraedrische

wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (ta-C) ausgebildet ist. Diese harte Verschleißschutzschicht 3 wird vermittels einer metallischen Haftschicht 4 per Plasmaverfahren auf die Oberfläche des Bauteils 1 aufgetragen. Die bei diesem ersten Verfahrensschritt I aufgebrachte harte Verschleißschutzschicht 3 weist von der Oberfläche hervorstehende Droplets 5 auf, welche durch das verwendete Plasmaverfahren anstehen und die Oberflächenrauigkeit stark erhöhen.

Im nachfolgenden Verfahrensschritt II werden diese Droplets 5 mechanisch durch Schleifen entfernt. Hierdurch entstehen Mikrodellen 6 in der mit der Verschleißschutzschicht 3 versehenen Oberfläche des Bauteils 1.

Im nachfolgenden Verfahrensschritt III wird auf die Oberfläche der aufgetragenen und mechanisch bearbeiteten Verschleißschutzschicht 3 eine demgegenüber weichere Einlaufschicht 7 per Plasmaverfahren aufgetragen. Die gegenüber der Verschleißschutzschicht 3 hinsichtlich der Material härte weichere Einlaufschicht 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ein wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C:H) ausgebildet. Hierdurch verflachen sich auch die Mikrodellen 6, so dass sich eine insgesamt glattere und damit reibarmere Verschleißschutzschicht ergibt.

Gemäß Figur 2 erfolgt die Beschichtung des - hier nicht dargestellten - metallischen Bauteils, indem in einer Vakuumbeschichtungsanlage 8 zunächst per PVD-Verfahren eine metallische Haftschicht 4 auf die Oberfläche des unbeschichteten metallischen Bauteils 1 aufgetragen wird. Anschließend wird in dem Verfahrensschritt I mittels PVD-Verfahren die harte Verschleißschutzschicht 3 auf die Haftschicht 4 aufgetragen. Nach der mechanischen Bearbeitung erfolgt ein Plasmareinigungs-Verfahrenszwischenschritt Nachfolgend erfolgt ein mechanisches entfernen von auf der harten Verschleißschutzschicht 3 abgeschiedenen Droplets 5 durch Schleifen im Verfahrensschritt II. Nachfolgend wird im PVD- oder PECVD- Verfahren innerhalb derselben

Vakuumbeschichtungsanlage 8 die gegenüber der harten

Verschleißschutzschicht 3 weichere Einlaufschicht 7 im Verfahrensschritt III aufgetragen. Es ergibt sich im Ergebnis dessen die erfindungsgemäße

Beschichtung des metallischen Bauteils 1.