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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, eine Beschichtung für ein Substrat und ein Gleitelement mit einer solchen Beschichtung.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 574 685 A1 geht ein Gleitelement mit einer DLC-Beschichtung auf einem Substrat hervor. In eine Oberfläche der DLC-Beschichtung, mit der das Gleitelement in Kontakt mit einem Gleitpartner kommen soll, gegenüber dem das Gleitelement gleiten soll, ist ein weicheres Material als DLC eingebettet. Nachteilig an solchen Schichten, die an sich eine gute Reibungsreduzierung und einen guten Verschleißschutz für Gleitelemente bieten, ist, dass diese in Kontakt mit Chemikalien, insbesondere in einer Umgebung, welche Motoröl aufweist, schnell korrodieren und/oder degradieren können. Dies verstärkt den Verschleiß solcher Beschichtungen. Dabei kann deren verstärkter Verschleiß durch eine Reaktivität von bestimmten Bestandteilen der DLC-Beschichtung, insbesondere von Wasserstoff und/oder Metallatomen, mit den Bestandteilen des Motoröls erklärt werden. Typische Angriffsorte für eine Korrosion und/oder Degradierung der Schicht sind dabei Schichtdefekte wie beispielsweise Löcher, Pinholes oder Korngrenzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, eine Beschichtung für ein Substrat und ein Gleitelement, insbesondere mit einer solchen Beschichtung, zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats geschaffen wird, bei welchem auf dem Substrat eine erste Schicht aus amorphem Kohlenstoff angeordnet wird. Auf der ersten Schicht werden Nanopartikel angeordnet. Dabei haben Nanopartikel insbesondere die Eigenschaft, sich an Defektstellen, insbesondere Korngrenzen, Löchern, Mikrorissen, Liniendefekten, Pinholes, oder dergleichen zu sammeln, was auch als Nukleation bezeichnet wird. Auf diese Weise stellen die Nanopartikel gerade dort einen Schutz für die erste Schicht bereit, wo diese in besonderer Weise Korrosions- und/oder Degradierungseffekten ausgesetzt ist. Die Nanopartikel auf der ersten Schicht können somit dazu beitragen, die erste Schicht gegenüber Korrosion und/oder Degradierung und damit auch verstärktem Verschleiß – insbesondere in einer motorölhaltigen Umgebung – zu schützen. Zugleich bleiben die günstigen Eigenschaften der ersten Schicht aus amorphem Kohlenstoff mit Bezug auf eine Reibungsreduzierung und einen Verschleißschutz erhalten.
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Unter amorphem Kohlenstoff wird insbesondere DLC (Diamond-like Carbon) verstanden. Die erste Schicht ist also insbesondere als DLC-Beschichtung ausgebildet. Dabei ist DLC eine amorphe, diamantähnliche Kohlenstoff-Modifikation, die sich durch besondere Eigenschaften wie einen hohen Widerstand gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß, Schutz gegen Oberflächenzerrüttung, chemische Stabilität, gute Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Härte und einen hohen E-Modul, auszeichnet. Hohe Härten erhält man insbesondere für DLC-Schichtsysteme mit einem hohen Anteil an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen, deren Stoffmengenanteil mehr als 60% beträgt. Dieser Stoff wird auch als tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff (ta-C) bezeichnet. Daneben werden jedoch auch DLC-Schichten verwendet, die einen geringeren Anteil an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen aufweisen und weniger hart sind als die ta-C-Schichtsysteme, beispielsweise wasserstoffhaltige und/oder metallhaltige DLC-Systeme.
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Die erste Schicht wird bevorzugt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD – Chemical Vapour Deposition), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PACVD – Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapour Deposition), oder Atomlagenabscheidung (ALD – Atomic Layer Deposition) auf das Substrat aufgebracht. Vorzugsweise wird die erste Schicht mit einer Schichtdicke von mindestens 0,2 μm bis höchstens 15 μm, vorzugsweise von mindestens 0,5 μm bis höchstens 10 μm, aufgebracht. Die erste Schicht gewährleistet insbesondere eine hohe Härte und einen niedrigen Reibungskoeffizient.
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Unter einem Nanopartikel wird insbesondere ein Atom- oder Molekülverband, insbesondere ein Cluster, ein Kristall, ein Quasikristall, oder dergleichen verstanden, welcher Abmessungen auf der Nanometerskala aufweist. Dabei ergeben sich bei Abmessungen solcher Partikel auf der Nanometerskala insbesondere Eigenschaften, die weder den einzelnen Atomen und/oder Molekülen, noch dem entsprechenden Bulkmaterial eigen sind.
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Bevorzugt werden auf der ersten Schicht Nanopartikel angeordnet, welche ein Edelmetall, insbesondere Gold, Platin, Palladium oder Ruthenium aufweisen, oder welche aus einem Edelmetall, insbesondere aus Edelmetallatomen, bevorzugt Gold, Platin, Palladium oder Ruthenium, bestehen. Die Nanopartikel können mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, sanfter Deposition (Soff landing), oder mittels nasschemischer Methoden hergestellt werden. Bevorzugt werden auf der ersten Schicht Nanopartikel mit einer Größe von mindestens 0,2 nm bis höchstens 700 nm, bevorzugt von mindestens 0,5 nm bis höchstens 500 nm, angeordnet. Die Nanopartikel dienen insbesondere dem Korrosionsschutz der ersten Schicht, insbesondere indem sie sich im Bereich von Schichtdefekten anlagern, insbesondere dort nukleieren, wobei sie einen effektiven Korrosionsschutz für die erste Schicht gerade an besonders gefährdeten Stellen bereitstellen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf die Nanopartikel eine zweite Schicht als Schutzschicht aufgebracht wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Nanopartikel in die zweite Schutzschicht eingebettet werden. Diese Schutzschicht wirkt zusammen mit den Nanopartikeln quasi versiegelnd auf die Schichtdefekte der ersten Schicht und führt somit zu einem besonders effizienten Korrosions- und/oder Degradationsschutz.
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Vorzugsweise wird eine chemikalienbeständige Schutzschicht auf die Nanopartikel aufgebracht, wobei die Schutzschicht bevorzugt gegenüber Motoröl und insbesondere gegenüber Bestandteilen von Motoröl, inert ist. In diesem Fall reagiert die Schutzschicht selbst nicht mit dem Motoröl und verhindert – gemeinsam mit den Nanopartikeln – zugleich, dass das Motoröl oder seine Bestandteile an Defektstellen der ersten Schicht gelangen und diese dort korrodieren oder degradieren.
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Bevorzugt wird auf die Nanopartikel eine Schutzschicht aufgebracht, welche CrN, TiN, Al2O3 und/oder TaOx aufweist, oder aus einem der genannten Materialien besteht. Die zweite Schicht wird vorzugsweise mit einer Dicke von mindestens 0,1 nm bis höchstens 100 nm, besonders bevorzugt mit einer Dicke von mindestens 0,2 nm bis höchstens 50 nm, aufgebracht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Substrat und der ersten Schicht eine Haftschicht angeordnet wird. Die Haftschicht vermittelt dabei zwischen dem Substrat und der ersten Schicht und verbessert insbesondere die Haftung der ersten Schicht auf dem Substrat. Bevorzugt wird eine Haftschicht verwendet, welche Chrom oder CrN aufweist, oder aus Chrom oder CrN besteht. Die Haftschicht kann mittels chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, und/oder Atomlagenabscheidung hergestellt werden.
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Alternativ ist es aber auch möglich, dass die erste Schicht unmittelbar auf das Substrat – insbesondere ohne eine dazwischen angeordnete Haftschicht – aufgebracht wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erste Schicht eine Schicht aufgebracht wird, die Wasserstoff aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die erste Schicht mit wenigstens einem Metall dotiert ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die erste Schicht mit wenigstens einem Nichtmetall dotiert ist. Insbesondere kann die als DLC-Beschichtung ausgebildete erste Schicht Wasserstoff aufweisen und dem Typ a-C:H entsprechen. Die erste Schicht kann aber auch ein Metall aufweisen und vom Typ a-C:H:Me sein, wobei Me ein Metall ist, das bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Chrom, Wolfram und Titan. Die erste Schicht kann auch Wasserstoff aufweisen und vom Typ ta-C:H sein. Die erste Schicht kann auch mit einem Nichtmetall dotiert sein und vom Typ a-C:H:X sein, wobei X ein Nichtmetall ist, welches bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Silicium, Sauerstoff, Stickstoff und Bor. Alternativ ist es auch möglich, dass die erste Schicht eine DLC-Beschichtung ist, die wasserstofffrei und vom Typ ta-C oder vom Typ a-C ist.
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Es zeigt sich also, dass die erste Schicht mit verschiedenen Wasserstoffgehalten und/oder verschiedenen Metalldotierungen hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Schicht aus einer Lage hergestellt wird. Insbesondere kann die erste Schicht aus einer einzigen Schicht bestehen und bevorzugt in einem einzigen Beschichtungszyklus hergestellt werden.
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Alternativ ist es möglich, dass die erste Schicht aus einer Mehrzahl von Lagen hergestellt wird. Insbesondere kann die erste Schicht dann eine Mehrzahl von Schichten aufweisen und/oder in einer Mehrzahl von Beschichtungszyklen hergestellt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Schicht, also die Schutzschicht, mittels Atomlagenabscheidung hergestellt wird. Mit diesem Verfahren ist es möglich, besonders defektarme, insbesondere lochfreie Schichten herzustellen, was sich gerade in Kombination mit einer als DLC-Beschichtung ausgebildeten ersten Schicht bewährt hat. Die zweite Schicht kann nämlich so sehr effektiv die erste Schicht vor Korrosion und/oder Degradation schützen, weil sie – hier insbesondere zusammen mit den Nanopartikeln – deren Defekte versiegelt und dabei selbst nahezu defektfrei oder defektfrei ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Beschichtung für ein Substrat geschaffen wird, welches eine erste, dem Substrat bestimmungsgemäß zugewandte Schicht aus amorphem Kohlenstoff und eine auf der ersten Schicht angeordnete Mehrzahl von Nanopartikeln aufweist. In Zusammenhang mit der Beschichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Vorzugsweise ist die Beschichtung durch eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens erhältlich oder hergestellt. Dass die erste Schicht aus amorphem Kohlenstoff, die bevorzugt als DLC-Beschichtung ausgebildet ist, dem Substrat bestimmungsgemäß zugewandt ist, bedeutet insbesondere, dass diese auf dem Substrat angeordnet ist, nämlich entweder unmittelbar auf einer Substratoberfläche, oder vermittelt durch wenigstens eine Haftschicht.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf den Nanopartikeln eine zweite Schicht als Schutzschicht angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Gleitelement geschaffen wird, wobei auf einer Gleitfläche des Gleitelements, mit welcher das Gleitelement bestimmungsgemäß in Kontakt mit einem Gleitpartner kommt, eine Beschichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele angeordnet ist, oder wobei die Gleitfläche mittels eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschichtet ist. In Zusammenhang mit dem Gleitelement verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Beschichten und der Beschichtung erläutert wurden.
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Bei dem Gleitelement handelt es sich insbesondere um ein Gleitelement für eine Brennkraftmaschine, wobei das Gleitelement mit seiner Gleitfläche gegenüber dem Gleitpartner gleiten soll.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines solchen Gleitelements sind ein Kolben einer Brennkraftmaschine, eine Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, ein Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei die Gleitfläche insbesondere eine Zylinderwandung ist, und insbesondere eine Zylinderlaufbuchse für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei die Gleitfläche insbesondere eine Innenwandung der Zylinderlaufbuchse ist, an welcher bestimmungsgemäß ein Kolben oder ein Kolbenring gleitet.
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Gleitelemente, insbesondere für Brennkraftmaschinen, sind im Betrieb typischerweise Schmierölen, insbesondere Motoröl, ausgesetzt, sodass sich hier in besonderer Weise die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der vorgeschlagenen Beschichtung verwirklichen.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits sowie der Beschichtung und des Gleitelements andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Beschichtung und/oder dem Gleitelement erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Beschichtung und/oder des Gleitelements, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bestimmungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beschichtung und/oder des Gleitelements. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Beschichtung und/oder des Gleitelements bedingt ist. Die Beschichtung und/oder das Gleitelement zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Beschichtung.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Beschichtung 1, die auf einem Substrat 3 angeordnet ist. Dabei weist die Beschichtung 1 eine erste, dem Substrat 3 zugewandte Schicht 5 aus amorphem Kohlenstoff auf, wobei die erste Schicht 5 insbesondere als DLC-Beschichtung ausgebildet ist. Die Schichtdicke der ersten Schicht 5 liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 μm bis 10 μm. Auf der ersten Schicht 5 sind eine Mehrzahl von Nanopartikeln 7 angeordnet, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer der Nanopartikel 7 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Nanopartikel 7 nukleieren insbesondere an Defektstellen der ersten Schicht 5, ganz besonders an Korngrenzen, Löchern, Mikrorissen, Liniendefekten, Pinholes, oder dergleichen. Dadurch bieten die Nanopartikel 7 für die erste Schicht 5 einen Korrosion- und/oder Degradationsschutz.
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Auf den Nanopartikeln 7 ist eine zweite Schicht 9 als Schutzschicht angeordnet, wobei die Nanopartikel 7 insbesondere in die zweite Schicht 9 eingebettet sind. Die zweite Schicht 9 kann insbesondere mittels Atomlagenabscheidung hergestellt sein, sodass sie sehr defektarm, vorzugsweise defektfrei ausgebildet ist. Somit versiegelt sie gemeinsam mit den Nanopartikeln 7 Defekte der ersten Schicht 5, und kann diese daher in Kombination mit den Nanopartikeln äußerst effizient vor Korrosion und/oder Degradation schützen.
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Zwischen der ersten Schicht 5 und dem Substrat 3 ist hier noch eine Haftschicht 11 angeordnet.
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Das Substrat 3 ist vorzugsweise als Gleitelement, insbesondere für eine Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei es ganz besonders als Kolben, als Kolbenring, als Zylinder oder als Zylinderlaufbuchse für eine Brennkraftmaschine ausgebildet sein kann.
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Die erste Schicht kann Wasserstoff aufweisen, insbesondere mit verschiedenen Anteilen, und/oder mit wenigstens einem Metall oder mit wenigstens einem Nichtmetall dotiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann die erste Schicht aus einer Lage oder auch aus einer Mehrzahl von Lagen hergestellt sein.
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Mögliche Herstellverfahren für die erste Schicht sind CVD, PACVD, PVD und/oder ALD. Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die erste Schicht direkt auf dem Substrat 3 angeordnet ist.
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Die Nanopartikel 7 bestehen bevorzugt aus Gold, Platin, Palladium und/oder Ruthenium. Sie können mittels PVD, CVD, sanfter Deposition, oder mit einem nasschemischen Verfahren hergestellt sein. Die Partikelgröße liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 nm bis 500 nm.
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Die Schutzschicht besteht bevorzugt aus CrN, TiN, Al2O3, und/oder TaOx. Die Dicke der zweiten Schicht 9, also der Schutzschicht, liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 nm bis 50 nm.
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Die Haftschicht 11 kann beispielsweise Chrom oder CrN aufweisen oder aus einem dieser Materialen bestehen. Sie kann insbesondere mittels CVD, PACVD, PVD und/oder ALD hergestellt sein.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels des hier beschriebenen Verfahrens, der Beschichtung und des Gleitelements eine harte und zugleich korrosionsbeständige tribologische Beschichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine, bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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