DE10259174B4

DE10259174B4 - Verwendung eines tribologisch beanspruchten Bauelements

Info

Publication number: DE10259174B4
Application number: DE10259174A
Authority: DE
Inventors: Stefan Grosse; Sascha Henke; Rainer Feuerfeil; Andreas Gross
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: GB2397826A; DE10259174A1; US20040144335A1; FR2849062B1; GB0329126D0; US7455906B2; GB2397826B; FR2849062A1

Abstract

Verwendung eines tribologisch beanspruchten Bauelements mit einem sich relativ zu einem Gegenkörper (6) bewegenden und dabei tribologisch beanspruchten Oberflächenbereich (20), wobei bei Betrieb zwischen diesem Oberflächenbereich (20) und dem Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) ein insbesondere nicht geschmierter Festkörperkontakt vorliegt, in einem Gasmotor oder einem mit einem trockenen Gas wie Ergas oder Wasserstoff als Brennstoff oder unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebenen Verbrennungsmotor, wobei der Oberflächenbereich (20) des Baumelementes mit einer Beschichtung (21) aus Haftschicht und einer ersten Schicht (22) aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom-% und einer Dicke von 0,5 μm bis 20 μm versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines tribologisch beanspruchten Bauelements mit einem sich relativ zu einem Gegenkörper bewegenden und dabei tribologisch beanspruchten Oberflächenbereich.
Stand der Technik
In Gasmotoren werden bisher vielfach Ventile auf Basis von Benzin-Einspritzventilen eingesetzt. Da das bislang zum Einsatz kommende Erdgas aufgrund ölgedichteter Kompressoren einen geringen Anteil von Öl enthält, besitzen diese Ventile eine ausreichend lange Funktionsdauer, da schon geringste Mengen von Öl für einen zuverlässigen Betrieb ausreichen.
Bei zukünftigen Anwendungen ist jedoch damit zu rechnen, dass Gasmotoren zunehmend mit ölfrei verdichteten und gleichzeitig mit nahezu vollständig, insbesondere mit Hilfe eines Kältetrockners, getrockneten Gasen betrieben werden. Versuche mit solchen ölfreien, trockenen Gasen bei Motoren mit Benzineinspritzventilen nach dem Stand der Technik haben gezeigt, dass dadurch die Funktionsdauer der Ventile von bisher einigen tausend Stunden auf wenige Stunden zurückgeht. Insbesondere wurde festgestellt, dass Ventilnadeln bereits nach 10 Stunden bis 100 Stunden Betriebs- oder Versuchsdauer mit trockenem Stickstoff fressen. Diese Problematik betrifft auch weitere trockene Gase wie beispielsweise Wasserstoff.
Um einen Verschleißschutz von tribologisch hoch belasteten Bauteilen, beispielsweise in Komponenten von Einspritzsystemen oder Einspritzventilen, bereit zu stellen, können andererseits auch kohlenstoffhaltige Schichten in Form von sogenannten DLC-Schichten (diamond-like-carbon) oder iC-WC-Schichten eingesetzt werden. Auch diese versagen jedoch bei einem Einsatz in absolut trockener Umgebung, was im Fall von Einspritzventilen in einem Modellverschleißtest (Schwingverschleiß) im Zeitraffer sehr gut nachemp funden werden kann. Dabei wird ein Prüfkörper mit einer oszillierenden Kugel aus Stahl (100Cr6) belastet, wobei ein Maß für die Beständigkeit des mit einer derartigen Beschichtung versehenen Prüfkörpers die Zeit bis zu dem Versagen der Beschichtung auf dem Prüfkörper ist.

Bekannt ist weiterhin, dass durch die Erhöhung des Anteils an Wasserstoff in diamantähnlichen Kohlenstoffschichten bzw. DLC-Schichten der Reibwert in trockener Umgebung erniedrigt werden kann. So wird in A. Erdemir et al., "Effect of source gas and deposition method on friction and wear performance of diamond-like carbon films", Surf. and Coatings Technology, 94–95, (1997), Seiten 525ff. beschrieben, dass diamantähnliche Kohlenstoffschichten einen Reibwert von 0,02 in trockener Umgebung besitzen, sofern sie einen erhöhten Wasserstoffanteil aufweisen. Eine derartige Erhöhung des Wasserstoffanteiles wird dort durch Verwendung von Methan bzw. eines Methan/Wasserstoff-Gemisches anstelle von Acetylen bei der Abscheidung der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff erreicht.

Daneben ist aus WO 97/04142 eine Beschichtung und ein Verfahren zu deren Erzeugung bekannt, die auch unter trockenen Bedingungen einen niedrigen Reibwert, jedoch nur eine geringe Verschleißbeständigkeit aufweist. Die dort erzeugte Beschichtung besteht aus Molybdändisilizid und wird über ein Sputter-Verfahren auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht.

Tribologisch beanspruchte Bauelemente, die Beschichtungen aus diamantähnlichen Kohlenstoff mit Wasserstoffanteil aufweisen, sind allgemein bekannt. So wird beispielsweise in US 6,194,047 B1 ein magnetisches Aufzeichnungsmedium, in US 5,223,765 ein Display-Bauteil und in DE 38 32 453 A1 ein photoempfindliches Element mit solch einer Schicht beschrieben.

Schließlich sind aus DE 100 38 954 A1 Ventile wie Einspritzventile mit verschleißhemmenden, diamantähnlichen Kohlenstoffschichten mit Wasserstoffanteil sowie aus DE 35 38 261 C3 die Herstellung einer diamantartigen, Wasserstoff enthaltenden Kohlenstoffschicht auf die Beschichtung einer Abdichtfläche eines Ventilelementes bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines tribologisch beanspruchten Bauelementes, das geeignet ist zur Verwendung in einem Gasmotor oder einem mit einem trockenen Gas wie Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff oder unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebenen Verbrennungsmotor. Es wird vorgeschlagen, ein Bauelement zu verwenden, das mit einer Beschichtung aus Haftschicht und einer Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom-% und einer Dicke von 0,5 μm bis 20 μm versehen ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verwendung des tribologisch beanspruchten Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es in trockener Umgebung und/oder ölfreier Umgebung eine deutlich höhere Beständigkeit gegenüber Verschleiß aufweist.

Die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom% weist gegenüber Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem typischen Wasserstoffanteil von ca. 25 Atom% in einem Modellverschleißtest (Schwingverschleiß) deutlich verbesserte Standzeiten unter trockenen und ölfreien Bedingungen auf.

Daher eignet sich das tribologisch beanspruchte Bauelement zum Einsatz in einem Gasmotor oder in einem mit einem trockenen Gas mit Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff oder einem unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebenen Verbrennungsmotor.

So ist auch vorteilhaft, dass sich das tribologisch beanspruchte Bauelement auch für Betriebszustände eignet, bei dem zwischen dem Oberflächenbereich des Gegenkörpers und dem Oberflächenbereich des Bauelementes ein nicht geschmierter Festkörperkontakt vorliegt.

In geschmierten Kontakten trennt normalerweise ein Schmierfilm die beiden Reibpartner. Unter Mischreibungsbedingungen oder unter extremen Betriebsparametern kann es aber zum Schmierfilmabriss und damit zu einem direkten Festkörperkontakt der beiden Reibpartner kommen. Bei trockenen Betriebszuständen, wie sie typischerweise in einem mit einem trockenen Gas wie Erdgas oder Wasserstoff betriebenen Gasmotor vorkommen, und bei dem ein solcher Festkörperkontakt unvermeidbar über die gesamte Betriebsdauer des Systems vorliegt, ist daher das tribologisch beanspruchte Bauelement so auszulegen, dass es nicht zu einem sogenannten "Fressen" kommt.

Das tribologisch beanspruchte Bauteil hat in diesem Fall den Vorteil, dass die Schicht mit dem diamantähnlichen Kohlenstoff zumindest teilweise die Funktion eines ansonsten vorhandenen Schmierfilms zwischen dem Bauelement und dem Gegenkörper übernehmen kann. Insbesondere wird durch diese Schicht der direkte Kontakt von zwei Oberflächen aus Stahl und damit die Adhäsionsneigung derartiger metallischer Oberflächen vermieden, und es wird durch den gleichzeitig niedrigen Reibwert der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff neben ihrer hohen Verschleißbeständigkeit bzw. Abriebbeständigkeit eine Art Festkörperschmierung erzielt. Schließlich wird durch die vorgesehene Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff auch die chemische Reaktivität der Oberfläche des Gegenkörpers bzw. der Oberfläche des beschichteten Bauelementes reduziert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Besonders vorteilhaft ist das tribologisch beanspruchte Bauelement dabei eine Einspritznadel, ein Einspritzventil oder ein Bauteil eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors wie ein Dichtsitz, ein Führungsbereich einer Einspritznadel oder ein Sitzbereich einer Einspritznadel.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Prinzipskizze eines Ausschnittes des Bauelementes und des diesem zugeordneten Gegenkörpers im Schnitt, und 2 eine Messung des Reibungskoeffizienten des tribologisch beanspruchten Bauelementes als Funktion der Zeit sowie eine Messung der Abriebkurve als Funktion der Zeit.

Die Erfindung wird am Beispiel einer Beschichtung des Führungsbereiches einer üblichen Einspritznadel in einem Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahr zeuges erläutert, der als Gasmotor oder als unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebener Verbrennungsmotor ausgeführt ist.
Alternativ kann auch der Sitzbereich der Einspritznadel, das Einlassventil oder andere Komponenten der Einspritztechnik in Bereichen einer hohen tribologischen Beanspruchung mit einer dünnen, reibarmen und gleichzeitig verschleißbeständigen Beschichtung versehen werden.
Als Beschichtung werden diamantähnliche Kohlenstoffschichten aufgebracht, die mit Hilfe einer Plasmastrahlquelle aus einem Plasmastrahl gemäß DE 101 046 14 A1 abgeschieden worden sind.
Dabei ist es wesentlich, dass die erzeugte Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf dem tribologisch beanspruchten Bauelement einen Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom% aufweist.
Durch den hohen Wasserstoffanteil in der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff von mindestens 30 Atom%, vorzugsweise mindestens 32 Atom%, besonders bevorzugt zwischen 32 Atom% und 40 Atom%, wird neben einer Reduktion des Reibungskoeffizienten auch eine besonders verschleißbeständige bzw. abriebbeständige Schicht erreicht.
Die Plasmastrahlquelle gemäß DE 101 046 14 A1 erlaubt es weiter, besonders einfach derartig hohe Wasserstoffanteile bzw. hohe Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisse einzustellen. Prinzipiell sind jedoch auch andere Techniken zur Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen geeignet, den Wasserstoffanteil in den erhaltenen Schichten auf mindestens 30 Atom% zu steigern. Beispielsweise kann dies durch Beimischung eines erhöhten Wasserstoff-Flusses oder durch Wahl von Methan als Kohlenstoffspender bei der Abscheidung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht an Stelle des üblichen C₂H₂ geschehen.
Im Einzelnen zeigt 1 einen Ausschnitt aus einem tribologisch beanspruchten Bauelement 5, beispielsweise eine Einspritznadel eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem Oberflächenbereich 20, auf dem sich eine erste Beschichtung 21 mit einer ersten Schicht 22 befindet. Im erläuterten Beispiel besteht die erste Beschich tung 21 aus der ersten Schicht 22 und einer Haftschicht zwischen der ersten Schicht 22 und dem Bauelement 5. Das Bauelement 5 besteht beispielsweise aus Stahl.
Gegenüber dem Bauelement 5 befindet sich weiter ein sich bei Betrieb relativ zu diesem bewegender Gegenkörper 6 wie ein Führungskörper für die Einspritznadel 5, der beispielsweise ebenfalls aus Stahl besteht.
In einem Oberflächenbereich 25 des Gegenkörpers 6, der gegenüber dem Oberflächenbereich 20 des Bauelementes 5 angeordnet ist, ist eine zweite Beschichtung 23 mit einer zweiten Schicht 24 vorgesehen. Im erläuterten Beispiel besteht die zweite Beschichtung 23 aus der zweiten Schicht 24. Analog zu dem Gegenkörper 5 ist zwischen der zweiten Schicht 24 und dem Gegenkörper 6 auch noch eine Haftschicht vorgesehen.
Bevorzugt ist die zweite Beschichtung 23 hinsichtlich Struktur und Zusammensetzung analog zu der ersten Beschichtung 21 des tribologisch beanspruchten Bauelementes 5 aufgebaut.
Die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 bestehen aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom%, beispielsweise 33 Atom%.
Sie wurden mittels eines PECVD-Verfahrens ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition") gemäß DE 101 046 14 A1 auf der Oberfläche des Bauelementes 5 und der Oberfläche des Gegenkörpers 6 aufgebracht. Dazu wurde bei der Abscheidung die Trägergaskonzentration durch Zusatz von Wasserstoff gegenüber bisher übliche Abscheideparametern verändert.
Die Dicke der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 liegt bevorzugt zwischen 0,5 μm und 20 μm, insbesondere zwischen 1 μm bis 10 μm.
Um die verbesserten Eigenschaften der ersten Schicht 22 aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit erhöhtem Wasserstoffanteil bzw. der zweiten Schicht 24 gegenüber einer Beschichtung gemäß WO 97/04142 hinsichtlich Reibeigenschaften und Verschleißeigenschaften nachzuweisen, wurde eine Vergleichsuntersuchung in Form eines Schwingverschleißtests mit einer oszillierenden Kugel aus Stahl (1000r6-Stahl, Kugel mit 4 mm Durchmesser) als Prüfkörper und dem tribologisch beanspruchten Bauelement mit der Beschichtung 21 als Gegenkörper vorgenommen.
Die Last bzw. Normalkraft betrug dabei 10 Newton, die Schwingweite 200 μm, die Schwingfrequenz 20 Hz, die Umgebungstemperatur 50°C, die Prüfzeit 16 Stunden und die Dicke der ersten Schicht ca. 5,5 μm. Weiter wurde als Umgebungsmedium trockener Stickstoff mit einer Restfeuchtigkeit kleiner 1% eingesetzt.
Einerseits wurde bei dieser Vergleichsuntersuchung auf dem Bauelement 5 die erste Schicht 22 aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von ca. 33% abgeschieden, und andererseits auf der Oberfläche des Bauelementes 5 eine aufgesputterte Molybdändisilizid-Beschichtung gemäß WO 97/04142 erzeugt.
Die 2 zeigt das Ergebnis dieses Schwingverschleißtests im Fall des tribologisch beanspruchten Bauelementes 5 mit der Beschichtung. Dabei ist auf der x-Achse zunächst die Zeit in Minuten und auf der linken y-Achse der Reibungskoeffizient und auf der rechten y-Achse der Abrieb aufgetragen.
Als erste Messkurve 10 zeigt 2 den Verlauf des Abriebs (rechte y-Achse) in μm als Funktion der Zeit in Minuten (x-Achse) und als zweite Messkurve 11 den Verlauf des Reibungskoeffizienten μ (linke y-Achse) als Funktion der Zeit (in Minuten).
Man erkennt, dass der Reibwert zunächst mit einem Wert von ca. 0,05 startet und bis zu einer Lebensdauer von ca. 840 Minuten einen Wert von ca. 0,1 erreicht.
Der Verschleiß bzw. Abrieb steigt gleichzeitig ab einer Lebensdauer von ca. 550 Minuten kontinuierlich an, während zuvor nahezu kein Abrieb bzw. Verschleiß festzustellen ist.
Die zum Vergleich erzeugten Molybdändisilizid-Schichten mit einer Schichtdicke von ca. 1 μm fallen bei gleichen Testbedingungen bereits bei einer Lebensdauer von 30 bis 90 Minuten aus. Das Versagen ist dabei auf Grund von Haftungsproblemen in den meisten Fällen spontan und nicht kontinuierlich.
Aufgesputterte Molybdändisilizidschichten mit Schichtdicken von mehr als 1 μm sind auf Grund mangelnder Haftung derzeit kaum herstellbar.
Aus 2 ist insgesamt zu entnehmen, dass sich die Beschichtung sehr gut zur Verminderung sowohl von Verschleiß, als auch Erreichung eines niedrigen Reibwertes eignet, so dass diese insbesondere für tribologisch hochbelastete Bauteile in der Einspritztechnik auch unter absolut trockenen Bedingungen eingesetzt werden kann.

Claims

Verwendung eines tribologisch beanspruchten Bauelements mit einem sich relativ zu einem Gegenkörper (6) bewegenden und dabei tribologisch beanspruchten Oberflächenbereich (20), wobei bei Betrieb zwischen diesem Oberflächenbereich (20) und dem Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) ein insbesondere nicht geschmierter Festkörperkontakt vorliegt, in einem Gasmotor oder einem mit einem trockenen Gas wie Ergas oder Wasserstoff als Brennstoff oder unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebenen Verbrennungsmotor, wobei der Oberflächenbereich (20) des Baumelementes mit einer Beschichtung (21) aus Haftschicht und einer ersten Schicht (22) aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom-% und einer Dicke von 0,5 μm bis 20 μm versehen ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (22) eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 10 μm aufweist.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (22) einen Wasserstoffanteil im Bereich von 32–40 Atom-% aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) mit einer zweiten Beschichtung (23) mit einer zweiten Schicht (24) aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom-% versehen ist, wobei die zweite Beschichtung (23) eine Haftschicht aufweist, die sich zwischen der zweiten Schicht (24) und dem Gegenkörper (6) befindet.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (24) einen Wasserstoffanteil im Bereich von 32–40 Atom-% aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Einlassventil, ein Dichtsitz, ein Führungsbereich einer Einspritznadel oder ein Sitzbereich einer Einspritznadel eines Einspritzsystems oder eines Einspritzventils ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schicht (22, 24) mit einer Plasmastrahlquelle aus einem Plasmastrahl abgeschieden worden ist.