Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Beschichtung auf vorbestimmten Flächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Ma- schinenteilen und auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen ver¬ schleißfesten Beschichtung, insbesondere für Maschinenteile in Verbren¬ nungskraftmaschinen.

Obwohl auf beliebige Maschinenteile anwendbar, werden die vorliegende Er- findung sowie die ihr zugrunde liegende Aufgabe in Bezug auf Maschinenteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Bezug auf Ventiltriebkompo¬ nenten, wie beispielsweise Tassenstößel, näher erläutert.

Es sind Nockenstößelvorrichtungen bekannt, welche in beispielsweise Kraft- fahrzeugmotoren mit hin- und hergehenden Kolben eingebaut sind, welche Lufteinlass- und Luftauslassventile aufweisen, die sich in Phase mit der Dre¬ hung der Kurbelwelle oder synchron hierzu öffnen und schließen. Ein Ventilan¬ triebsmechanismus wird zur Übertragung der Bewegung des an der Nocken¬ welle angebrachten Nockens auf die Ventile verwendet, wenn sich die No- ckenwelle zusammen mit der Kurbelwelle des Motors dreht. Dabei gelangt der Nocken der Nockenwelle in Reibkontakt mit einer Lauffläche des zugeordneten Tassenstößels.

Allgemein unterliegen moderne Ventiltriebkomponenten, wie beispielsweise derartige Tassen- und Pumpenstößel steigenden Anforderungen bezüglich des Verschleißwiderstandes und der Ressourcenschonung. Die Ursachen für die Notwendigkeit eines erhöhten Verschleißwiderstandes liegen in den immer höher werdenden Belastungen und Beanspruchungen des tribologischen Sys¬ tems, bestehend aus Steuernocken und -Stößel. Die Ursachen hierfür liegen in neuen Motorkonzepten, wie beispielsweise Benzin- und Dieseldirekteinspritz- Systemen, mit stetig steigenden Einspritzdrücken, einem zunehmenden Anteil an abrasiven Partikeln im Schmierstoff, mangelnder Ölversorgung der Reib¬ partner, was einen erhöhten Anteil an Mischreibung zur Folge hat, und der zunehmenden Verwendung von tribologisch ungünstigen Stahlnocken zur Kos¬ ten- und Massereduzierung. Ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung ist die Reduzierung der Reibungsverluste im Ventiltrieb, mit daraus folgender Kraftstoffeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer des gesam¬ ten Ventiltriebes. Um die Reibungsverluste effektiv zu reduzieren, ist es not¬ wendig, das Reibmoment im gesamten Drehzahlbereich zu senken, d.h. die Stribeckkurve im Ganzen nach unten zu verschieben.

Es ist bekannt, derartige Tassenstößel als Leichtmetallstößel für die Ven¬ tilsteuerung eines Verbrennungsmotors auszubilden, welcher einen Stößel¬ grundkörper und eine an der Berührungsfläche für die Steuernocken der Ven¬ tilsteuerung eingelegte Stahlplatte mit einer gehärteten Oberfläche aufweist.

Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache herausgestellt, dass derartige Tassenstößel im Betriebsfall relativ großen Temperaturschwankun¬ gen von -30°C bei Kaltstart bis zu ca. 13O0C während des Betriebes einer Brennkraftmaschine ausgesetzt sind. Problematisch dabei ist die möglicher- weise unterschiedliche Wärmeausdehnung der verwendeten Werkstoffe. Zwar weist die als verschleißfeste Einlage in einen Leichtmetallstößel eingelegte Stahlplatte gute Verschleißeigenschaften auf, jedoch neigt sie bei entspre¬ chender thermischer Belastung zum Ablösen. Die thermische Belastbarkeit ist deshalb begrenzt. Ein weiterer anwendungstechnischer Nachteil besteht darin, dass der Bauraum in Form eines relativ breiten Randes als Funktionsfläche bzw. als Nockenkontaktfläche, die von dem Steuernocken einer Ventilsteue¬ rung kontaktiert wird, verloren geht.

Nach einem Ansatz gemäß dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, Laufflächen von auf reibendem Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die je nach Anwendungsfall bevorzugt aus galvanisch aufgetragenen Metallen oder aus in einem thermischen Spritz¬ verfahren aufgetragenen Metallen und/oder Metalllegierungen mit gegebenen¬ falls Hartstoffzusätzen bestehen.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass thermisch aufgespritzte Metallschichten eine relativ schwache Festigkeit besitzen, und es ist daher bekannt, zur Verbesserung der Festigkeit die Metall¬ schichten nach dem\Auftrag durch beispielsweise Plasmastrahlen, Laserstrah- len, Elektronenstrahleη oder durch einen Lichtbogen derart umzuschmelzen, dass sich die Spritzwerkstoffe mit dem dabei gleichzeitig im Oberflächenbe¬ reich aufgeschmolzenen Grundwerkstoff schmelzflüssig vermischen und legie¬ ren. Beim Umschmelzlegieren entstehen jedoch inhomogene Zonen unter¬ schiedlicher Zusammensetzung, in denen sowohl der Grundwerkstoff als auch das Schichtmaterial überwiegen kann. Bei zu hohem Grundmaterialanteil ist der Schichtverschleiß dann zu hoch, und bei geringem Grundmaterialanteil besteht bei verschiedenen Schichtkombinationen die Gefahr von Makrorissbil- düngen, sodass solche Schichten nicht einsetzbar sind. In einem derartigen Fall können Reibungsbelastungen einen unerwünschten Adhäsiv-Verschleiß

Ferner ist der Anmelderin bekannt, die Lauffläche des Stößels mit einer Man¬ ganphosphatschicht oder einem Gleitlack zu beschichten. Auch hierbei werden keine zufriedenstellenden Reibungskoeffizienten und Verschleißwiderstände erreicht. Zudem wird durch derartige Materialien die Umwelt unnötig belastet. Das selbe gilt für galvanische Schichten, die ebenfalls auf den Laufflächen aufgebracht werden können.

Ferner sind im Stand der Technik als Beschichtungsmaterialien Hartmetalle und Schnellarbeitstahle (ASP 23) bekannt, die jedoch neben einem nicht zu¬ friedenstellenden Reibungskoeffizienten und einem nicht zufriedenstellenden Verschleißwiderstand zusätzlich eine nachteilige hohe Masse aufweisen. Fer¬ ner ist eine Fertigung derselben lediglich mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden.

Der Anmelderin sind zusätzlich harte, mittels beispielsweise eines PVD- oder eines (PA)CVD-Verfahrens, hergestellte Schichten, wie beispielsweise TiN, CrN, (Ti, AI)N, bekannt. Nachteilig an diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsa¬ che herausgestellt, dass diese Schichten einen hohen Verschleiß des Gegen- körpers zur Folge haben.

Aus dem US-Patent 5,237,967 sind kohlenstoffbasierte PVD- und (PA)CVD- Schichten mit 20 bis 60 Atom-% Wasserstoff in der Deckschicht bekannt, so¬ genannte metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten (Me-C:H) und amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H). Diese Schichten weisen jedoch einen zu geringen Verschleißwiderstand und eine geringe chemische Stabilität auf. Fer¬ ner besitzen sie einen zu hohen Flüssigkeitsreibungskoeffizienten, da sie keine Reibungsreduzierung im ölgeschmierten Zustand gewährleisten.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beschich- tung sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Beschichtung zu schaf- fen, welche die oben genannten Nachteile beseitigten und insbesondere das Reibmoment im gesamten Einsatzbereich reduziert und die Lebensdauer des beschichteten Maschinenteils sowie des Gegenkörpers erhöht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch eine verschlei߬ feste Beschichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und verfahrens- seitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die verschleißfeste Beschichtung aus mindestens einer auf eine vorbestimmte Flä¬ che des Maschinenteils aufgebrachten annähernd wasserstofffreien tetraedri- schen amorphen Kohlenstoffschicht aus sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff für eine Reibungsreduzierung und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstan¬ des der vorbestimmten Fläche des Maschinenteils besteht. Das Schichtsystem besteht dabei beispielsweise aus mehr als 97 Atomprozent Kohlenstoff, wobei der Wasserstoffanteil maximal 3 Atomprozent betragen darf.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den bekannten Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sich durch die wasserstoff- freie Kohlenstoffschicht, insbesondere im ölgeschmierten Zustand, das Reib¬ moment erheblich reduziert. Ferner wird der Oberflächenzustand erheblich homogenisiert und stabilisiert. Zusätzlich wird der Verschleißwiderstand auf¬ grund des Anteils an sp3-Bindungen vergrößert. Durch die hervorragenden tribologischen Eigenschaften können kostengünstigere und auch Schmierstoffe mit einer niedrigeren Viskosität verwendet werden, welche geringere innere Reibungen aufweisen. Zudem können Ölwechselintervalle erhöht und somit kundenfreundlicher ausgestaltet werden. Durch die Möglichkeit als Schmier¬ stoffe auch Hydrauliköl, Dieselkraftstoff, Wasser bis hin zu Benzin zu verwen¬ den, bieten sich ganz neue Einsatzgebiete in der Lebensmittelindustrie, hydraulischen und weiteren mediengeschmierten Anwendungen. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbes¬ serungen der im Anspruch 1 angegebenen verschleißfesten Beschichtung so¬ wie des im Patentanspruch 13 angegebenen Verfahrens.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die Beschichtung aus min¬ destens 97 Atom-% hybridisiertem Kohlenstoff, wobei der Anteil des sp3- hybridisierten Kohlenstoffs in der tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht mehr als 50% beträgt. Durch einen derartigen hohen Anteil an sp3-Bindungen werden hohe Härtewerte und sehr niedrige Trockenreibwerte erreicht.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Anteil an Wasserstoff in der tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht maximal 3 A- tom-%. Ein derart niedriger Anteil an Wasserstoff ist vorteilhaft, da der Was¬ serstoff in unerwünschter Weise neue Bindungen, z.B. mit dem Wasserstoff eines Schmierstoffs, eingehen würde. Derartige Bindungen werden somit redu¬ ziert und eine gleich bleibende Schichteigenschaft im Betrieb gewährleistet. Ferner wird durch eine annähernd wasserstofffreie Kohlenstoffschicht die Rei¬ bung im ölgeschmierten Zustand unter Beachtung des bekannten Effektes der Homogenisierung und Stabilisierung des Oberflächenzustandes erheblich re- duziert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die tetraedrische a- morphe Kohlenstoffschicht Härtewerte von 30 bis 95 GPa, ein E-Modul im Be¬ reich von 300 bis 820 GPa und ein Verhältnis aus Härte zu E-Modul von we- nigstens 0,15 auf. Derartige Härtewerte tragen zu einer erhöhten Verschlei߬ festigkeit bei, welche vorzugsweise während der gesamten Lebensdauer des Motors gewährleistet wird.

Vorzugsweise weist die tetraedrische amorphe Kohlenstoffschicht eine thermi- sehe Stabilitätstemperatur von bzw. eine Oxidationsbeständigkeit bis etwa 6000C auf. Gegenüber wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten, welche bei- spielsweise eine thermische Stabilität bis zu lediglich 3500C aufweisen, wird somit eine erhöhte thermische Stabilität erreicht, wodurch sich ein deutlich größeres Einsatzgebiet ergibt.

Vorteilhaft weist die wasserstofffreie tetraedrische amorphe Kohlenstoffschicht eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 4,0 μm, insbesondere 2,0 μm auf. Die entspre¬ chende Dicke der Kohlenstoffschicht ist an die jeweiligen Anforderungen bzw. an die jeweiligen Kundenwünsche anzupassen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen der vor¬ bestimmten Fläche des Maschinenteils und der tetraedrischen amorphen Koh- lenstoffschicht mindestens eine Stützschicht und/oder mindestens eine Haft¬ vermittlungsschicht vorgesehen, welche beispielsweise mittels eines PVD- Verfahrens als metallhaltige, beispielsweise Wolfram umfassende, Kohlenstoff- schicht, Carbide und/oder Nitride der Übergangsmetalle aufweisende Schicht, mittels einer Wärmebehandlung als Einsatz gehärtete, carbonitrierte oder nitrocarburierte Schicht, mittels eines thermochemischen Verfahrens als nitrierte oder borierte Schicht und/oder beispielsweise mittels eines galvani¬ schen Verfahrens als Chrom aufweisende Schicht ausgebildet ist. Vorzugswei- se weist die mindestens eine Stützschicht und/oder Haftvermittlungsschicht jeweils eine Dicke von 0,1 μm bis 4,0 μm auf, wobei die Dicke wiederum jeweils an die entsprechenden Anforderungen bzw. an die Kundenwünsche anzupas¬ sen ist.

Beispielsweise besteht die vorbestimmte Fläche des Maschinenteils aus 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, 80Cr2, oder dergleichen.

Vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Beschichtungen stellen eine Gegenläuferschicht auf einem als Tassenstößel, Schlepp- oder Kipphebel ausgebildeten Gegenläufer bei Verbrennungskraftmaschinen, die Nockenkon¬ taktfläche oder die Nockenkontaktfläche und/oder das Tassenhemd des Tas- senstößels, vorbestimmte Oberflächen von Ventiltriebkomponenten, insbeson¬ dere von mechanischen und hydraulischen Tassenstößeln, von hydraulischen Abstütz- und Einsteckelementen, von Wälzlagerkomponenten, von Steuerkol¬ ben, von Ausrücklagern, von Kolbenbolzen, von Lagerbuchsen, von Linearfüh- rungen oder dergleichen dar. Dabei können vorteilhaft lediglich bestimmte Flä¬ chen der einzelnen Maschinenteile oder die vollständigen Oberflächen der Maschinenteile mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung ausgebildet wer¬ den.

Die einzelnen Schichten werden vorzugsweise mittels eines PVD- Verfahrens abgeschieden. Dabei erfolgt vorzugsweise keine thermische und/oder mecha¬ nische Nachbearbeitung der abgeschiedenen Kohlenstoffschicht, wenn vor¬ zugsweise eine Reibungsreduzierung gewünscht wird. Eine mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise Polieren und/oder Bürsten der abgeschiede- nen Kohlenstoffschicht, wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn vorzugs¬ weise Schutz vor einem reibenden Verschleiß gewünscht wird. Der Beschich- tungsvorgang wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, welche maximal 1600C, insbesondere 1200C, beträgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be¬ zugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 eine Vorderansicht einer Reibpaarung, bestehend aus Tassen¬ stößel und Nockenwelle für den Betrieb eines Ventils einer Brennkraftmaschine;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Tassenstößels aus Figur 1 ; Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelemen¬ tes, welches über eine Wälzlagerkomponente mit einem Schlepp¬ hebel in Verbindung steht; und

Figur 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Maschinenteils mit verschleißfester Beschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Fig. 1 illustriert eine Reibpaarung, bestehend aus einem Tassenstößel 5 mit einer Nockenkontaktfläche 50 und einem Tassenhemd 51 sowie aus einer No- cke 6. Der Tassenstößel 5 ist in Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht detail¬ lierter dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass das Tassenhemd 51 die Nocken¬ kontaktfläche 50 zumindest teilweise umläuft. Der Tassenstößel 5 ist im allge¬ meinen für Maschinenteile in Brennkraftmaschinen mit dem Schaft 7 eines Ventils verbunden, welches durch Anlage der Nockenfläche mit der Nocken¬ kontaktfläche 50 des Tassenstößels 5 das Ventil öffnet oder schließt.

Im allgemeinen unterliegen moderne Ventiltriebkomponenten, wie beispiels¬ weise Tassen- und Pumpenstößel, hohen Anforderungen bezüglich des Ver- Schleißwiderstandes und der Ressourcenschonung, insbesondere an der Kon¬ taktfläche 50.

In Verbindung mit Fig. 4, welche eine schematische Querschnittsansicht einer verschleißfesten Beschichtung für ein Maschinenteil 1 , beispielsweise für einen Tassenstößel 5, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung illustriert, wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im folgenden näher erläutert.

Der Tassenstößel 5 wird für eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten und für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes im Bereich der Nocken kontakt¬ fläche 50 oder bei Bedarf im Bereich der Nockenkontaktfläche 50 und des Tas¬ senhemdes 51 mit einer erfindungsgemäßen verschleißfesten Beschichtung beschichtet. Im Falle hoher Verformungen des Tassenhemdes 51 des Tassen¬ stößels 50 im Bereich der offenen Seite kann wahlweise auch eine Teilbe- Schichtung des Tassenhemdes 51 , eine ausschließliche Beschichtung der No¬ ckenkontaktfläche 50 oder ein nachträgliches zumindest teilweises Entfernen der reibfesten Beschichtung im Bereich des Tassenhemdes 51 des Tassenstö¬ ßels 5 erfolgen.

Im vorliegenden Fall gilt zunächst die Annahme, dass die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5 als vorbestimmte Fläche 2 des Maschinenteils angesehen wird. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass beliebige vorbestimmte Flächen beliebiger Maschinenteile mit der erfindungs¬ gemäßen Beschichtung beschichtet werden können.

Die vorbestimmte Fläche 2, d.h. vorliegend die Nockenkontaktfläche 50 des Tassenstößels 5, wird vorzugsweise vor einem Beschichten einsatzgehärtet oder carbonitriert und angelassen.

Der Grundkörper, im vorliegenden Fall die Nockenkontaktfläche 50 des Tas¬ senstößels 5, welcher vorteilhaft aus einem kostengünstigen Stahlwerkstoff, wie beispielsweise 16MnCr5, C45, 100O6, 31CrMoV9, 80Cr2, oder derglei¬ chen, besteht, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel anschlie¬ ßend mit einer Stützschicht 3 und/oder einer Haftvermittlungsschicht 3 be- schichtet. Die Stützschicht 3 bzw. die Haftvermittlungsschicht '3 kann bei¬ spielsweise jeweils aus einem metallhaltigen Kohlenstoff, beispielsweise einer Verbindung aus Wolfram und Kohlenstoff, aber auch aus anderen metallischen Stoffen, sowie Boriden, Carbiden und Nitriden der Übergangsmetalle bestehen. Die Stützschicht 3 und/oder die Haftvermittlungsschicht 3 kann beispielsweise durch Wärmebehandlung, beispielsweise Einsatzhärten, Carbonitrieren, Nitro- carburieren, durch ein thermochemisches Verfahren, beispielsweise Nitrieren, Borieren, durch ein galvanisches Verfahren, beispielsweise durch Aufbringen einer chromhaltigen Schicht, oder mittels eines PVD-Verfahrens, beispielswei¬ se Aufbringen von Me-C, Carbiden und Nitriden der Übergangsmetalle, gebil¬ det werden. Bei einem PVD-Verfahren, wie beispielsweise bei der Sputter- o- der der ARC-Technologie werden gleichzeitig Metalle verdampft und in die zu bildende Schicht eingebracht. Graphit wird dabei als festes Ausgangsmaterial verdampft und mittels Anreicherung durch Einbringen einer hohen Energie auf die vorbestimmte Fläche 2 des Tassenstößels 5 als teilkristalline Schicht abge¬ schieden.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass lediglich eine Stützschicht 3 oder eine Haftvermittlungsschicht 3, mehrere Stützschichten 3 bzw. mehrere Haftvermittlungsschichten 3 oder eine Kombination dieser beiden Schichten auf dem Grundkörper bzw. der vorbestimmten Fläche 2 des Tassenstößels 5 gebildet werden können. Für den Fall, dass eine Haftverbesserung der noch zu bildenden verschleißfesten Beschichtung bzw. einer Stützschicht auf dem Grundkörper gewünscht ist, wird eine Schicht als Haftvermittlungsschicht 3 mit einer Dicke von beispielsweise 0,1 μm bis 2,0 μm auf dem Grundkörper gebil¬ det. Für den Fall, dass die Schicht jedoch als Stützschicht, d.h. als mechani- sehe Stütze zwischen dem Grundkörper und der noch zu bildenden verschlei߬ festen Beschichtung dienen soll, sind Dicken von beispielsweise 2,0 μm bis 4,0 μm vorteilhaft. Durch die Stützschicht soll die Ermüdungsfestigkeit erhöht wer¬ den, d.h. Risse und Brüche der noch zu bildenden verschleißfesten Beschich¬ tung verhindert werden. Derartige Risse können bei Biegungen und Verfor- mungen des Tassenstößels 5 bei Kontakt mit der Nocke 6 oder aufgrund unter¬ schiedlicher Härtegrade, Elastizitätsmodule, Verformbarkeiten der einzelnen Schichten bzw. des Grundkörpers und der verschleißfesten Beschichtung ent¬ stehen. In diesem Fall ist eine Ausbildung der Schicht 3 als Stützschicht 3 ent¬ weder alleine oder in Kombination mit einer geeigneten Haftvermittlungsschicht vorzuziehen.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach einem Bilden der Stütz- und/oder der Haftvermittlungsschicht 3 eine ver¬ schleißfeste Beschichtung 4 darauf gebildet. Die verschleißfeste Beschichtung 4 besteht vorzugsweise aus einer wasserstofffreien oder zumindest annähernd wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht (ta-C-Schicht) oder mehreren derartiger Schichten 4. Die amorphe Kohlenstoffschicht 4 be¬ steht vorzugsweise lediglich aus sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff, wobei vorteilhaft mehr sp3-Bindungen als sp2-Bindungen in der amorphen Kohlen¬ stoffschicht 4 vorgesehen sind. Dadurch wird der Härtegrad der Beschichtung 4 für eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes vergrößert.

Der Wasserstoff antei I in der Beschichtung 4 beträgt vorzugsweise maximal 3 Atom-%, sodass eine extreme Reinheit gewährleistet wird. Dies ist vorteilhaft, da Wasserstoff in der Beschichtung neue Bindungen mit beispielsweise dem Wasserstoff von Schmierstoffen eingehen würde. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch den geringen Wasserstoffanteil bzw. durch einen Aus- schluss von Wasserstoff in der Beschichtung eine gleich bleibende Schichtei¬ genschaft über die gesamte Lebensdauer des Maschinenteils 1 im Betrieb ge¬ währleistet, was einen Einsatz in Motoren und Maschinen in einer Vielzahl von Einsatzgebieten ermöglicht.

Vorzugsweise werden die Härtewerte der wasserstofffreien tetraedrischen a- morphen Kohlenstoffschichten 4 (ta-C Schichten) im Vergleich zu allen ande¬ ren Hartstoffschichten in einem sehr weiten, der jeweiligen Anwendung ange- passten, Spektrum von 30 GPa bis 95 GPa (Martenshärte nach EN ISO 14577- 1) eingestellt. Im Vergleich hierzu kann man mit den bisher verwendeten Hartstoffschichten (Me-C:H, a-C:H, Metallnitridhartstoffschichten) nur einen Härtebereich von et¬ wa 20 GPa bis 40 GPa abdecken, so dass folglich die ta-C Schichten deutlich höhere Härtewerte und in Folge dessen auch nur diese Verschleißwiderstände aufweisen, die für höchstbeanspruchte Bauteile ausreichend sind. So erreichen die ta-C Schichten im Kalottenschliffverfahren mit Diamantsuspension (Korn¬ größe 0,25 μm) extrem niedrige Verschleißraten von Vr<0,5 x 10~15 m3 N m"1, was dementsprechend einem extrem hohen Verschleißwiderstand entspricht, denn bei identischen Messparametern und -bedingungen weisen alle bisher verwendeten Schichten (Me-CiH, a-C:H, Metallnitridhartstoffschichten Verschleißraten Vr über 0,6 x 10'15 m3 N m"1 bis zu 50 x 10"15 m3 N m"1 auf. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist das Verhältnis aus Universalhärte [GPa] zu E- lastizitätsmodul [GPa]. Hierbei ist ein möglichst hohes Verhältnis anzustreben, das heisst eine Schicht mit einer hohen Härte und damit mit einem hohen Ver¬ schleißwiderstand sowie einem im Verhältnis niedrigen Elastizitätsmodul, um möglichst geringe Kontaktspannungen zu übertragen und geringe belastungs- induzierte Spannungen in das Schichtsystem, Interface und Bauteil einzubrin¬ gen und somit hohe lokale (Dauer-)festigkeiten zu realisieren.

Die E-Module der wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoff¬ schichten liegen im Bereich von 300 GPa bis 820 GPa, Stahl hat ein E-Modul von etwa 210 GPa und a-C:H Schichten weisen E-Module von 250 GPa bis 500 GPa auf. Im Vergleich zu allen anderen bisher verwendeten Schichtsyste- men und Oberflächen weisen die wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoff schichten damit deutlich höhere Härte-zu-Elastizitätsmodul- Verhältnisse von bis zu 0,20 [GPa/GPa] im Gegensatz zu bestenfalls 0,10 bis 0,15 auf.

Die harten Partikel, die sich vermehrt in den hier beschriebenen Motoranwen¬ dungen zwischen den Reibpartnern befinden, induzieren hohe lokale Span- nungen in die Oberflächen, was zu lokaler Werkstoffermüdung führt, wenn die induzierten Spannungen über der lokalen Dauerfestigkeit des Schichtsystems liegen. Deshalb sind Schichtsysteme notwendig, die möglichst hohe Dauerfe¬ stigkeitswerte bzw. Härtewerte sowie einen möglichst hohen Anteil an elasti- scher Verformbarkeit haben; d.h., dass bei gleicher Materialverformung durch ein hartes Partikel ein möglichst großer Anteil der Verformung elastisch rück- verformt und somit ein möglichst geringer Anteil an plastischer Verformung bzw. Schädigung der Oberfläche zurückbleibt. Zur quantitativen Erfassung die¬ ses Qualitätsmerkmals dient der elastische Anteil η)T nach EN ISO 14577-1 „Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werk¬ stoffparameter". Hier erreichen die Wasserstoff freien tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschichten herausragende Werte bis 95 % und lassen sich zwischen 75 % und 95 % einstellen. Im Vergleich hierzu erreicht gehärteter Stahl 100Cr6 (60 HRC + 4 HRC) etwa 30 % und bisher verwendete Schichten etwa 60 % bis 80 %.

Die tetraedrische amorphe Kohlenstoffschicht 4 wird vorzugsweise mittels ei¬ nes PVD- Verfahrens auf der Stütz- bzw. Haftvermittlungsschicht 3 abgeschie¬ den. Dabei wird beispielsweise Graphit mit einem hochenergetischen Strahl derart erhitzt, dass ein lonenstrahl aus Kohlenstoffatomen aus dem Graphit herausgelöst und auf die Oberfläche des Tassenstößels 5 bzw. des Maschi¬ nenteils 1 gerichtet werden kann. Dadurch werden sp2-Bindungen und sp3- Bindungen auf der Stütz- bzw. Haftvermittlungsschicht 3 abgeschieden. Ab¬ hängig von der Energie der Ionen des aus Kohlenstoffatomen bestehenden lonenstrahls, welche beispielsweise Energien von 60 bis 160 Elektronenvolt aufweisen, kann der jeweilige Anteil von sp2-Bindungen und von sp3-Bindungen gesteuert werden. Eine Erhöhung der Energie der Ionen des aus Kohlenstoff¬ atomen bestehenden lonenstrahls erhöht den Anteil an sp3-Bindungen. Somit ergibt sich eine insgesamt amorphe Beschichtung mit kleinen kristallinen Be- reichen, welche einen hohen Verschleißwiderstand und geringe Reibungskoef¬ fizienten aufweist. Bei der Abscheidung der tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht 4 wird der zu beschichtende Grundkörper in einer Abscheidungskammer beispiels¬ weise derart rotiert, dass bei jedem Rotationszyklus eine Schichtlage des sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffs auf dem Grundkörper bzw. der Stütz- bzw. Haftvermittlungsschicht 3 gebildet wird.

Die Dicke der amorphen Kohlenstoffschicht 4 kann zwischen 0,1 μm und 4,0 μm, insbesondere 2,0 μm, betragen. Wird die amorphe Kohlenstoffschicht 4 auf eine Schicht mit guten Oberflächenqualitäten abgeschieden, so genügt bei¬ spielsweise eine Dicke von 0,1 μm bis 2,0 μm, da die Kohlenstoff beschichtung 4 vornehmlich einer Reduzierung des Reibungskoeffizienten dient. Wird hinge¬ gen die Kohlenstoffbeschichtung 4 auf eher rauen Oberflächen abgeschieden, so beträgt die Dicke der Beschichtung 4 vorzugsweise in etwa zwischen 2,0 μm und 4,0 μm, da die Beschichtung 4 hierbei vornehmlich zur Vergrößerung des Verschleißwiderstandes dient. Die Härtewerte der Beschichtung 4 liegen vor¬ zugsweise zwischen 60 und 95 GPa, um im Vergleich zu den bisher verwende¬ ten Hartstoffschichten (a-C:H; Me-C:H; Metallnitridschichten) deutlich höhere Verschließwiderstände bereitzustellen.

Zur Erzielung bester tribomechanischer Eigenschaften, d.h. durch das Be¬ schichten eines Reibpartners, die Reibung des Systems zu minimieren, die statische und zyklische Festigkeit des beschichteten Bauteils zu erhöhen und zusätzlich den unbeschichteten Reibpartner vor Verschleiß zu schützen, ist es notwendig, den Mitten rauwert R3 nach dem Beschichten auf maximal 0,035 μm zu begrenzen. Beträgt der Mittenrauwert Ra nach dem Beschichten mehr als 0,035 μm, so ist eine anschließende mechanische Nachbearbeitung der Funk¬ tionsfläche, d.h. der Oberfläche der wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht, durch beispielsweise Polieren und/oder Bürsten vorzuneh- men. Um eine möglichst geringe Adhäsionsneigung zu dem metallischen Gegenkör¬ per, d.h. im vorliegenden Fall dem Nocken 6, einen hohen abrasiven Ver¬ schleißwiderstand, eine hohe chemische Beständigkeit, auch im Kontakt mit Öl, hohe mechanische Festigkeiten und große Härte/E-Modul-Verhältnisse zu er- reichen, weist die Kohlenstoffschicht vorteilhaft einen maximalen Wasserstoff¬ anteil von 3 Atom-% auf, wie oben bereits erläutert. Somit wird eine wasser¬ stofffreie oder zumindest nahezu wasserstofffreie tetraedrische amorphe Kohlenstoffschicht abgeschieden, welche gegenüber konventionellen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten bezüglich des Verschleißes tribopho- be Oberflächen mit polarisierenden, die Schmierung- und Reibungsreduzierung unterstützenden Eigenschaften aufweisen. Dadurch ergibt sich sowohl eine Reibungsreduzierung im trockenen Reibkontakt mit metallischen Werkstoffen als auch im geschmierten Zustand. Als Schmierstoff können für bestimmte An¬ wendungen Flüssigkeiten mit extrem niedriger Viskosität bis hin zu Wasser oder Benzin verwendet werden.

Im oszillierenden Reibkontakt mit einer Stahlkugel aus 100Cr6 (Verfahrweg 1 ,0 mm, Schwingfrequenz 25 Hz, Kugeldurchmesser 10 mm, Normalkraft der Kugel auf die beschichtete Oberfläche 20 N) verringert sich die Reibung im trockenen Reibkontakt um mehr als 80 % und mit Motoröl um mehr als 10 %. Diese ein¬ zigartigen tribologischen Eigenschaften führen dazu, dass im Ventiltrieb durch das Beschichten der Tassenbodenoberfläche Reibungsreduzierungen je nach Öltemperatur und Relativgeschwindigkeit der Reibpartner von 6 % bis 28 % vorherrschen. Der besondere Unterschied zu den bisher verwendeten Schicht- Systemen ist, dass sich auch eine deutliche Reibungsreduzierung im Drehzahl¬ bereich von 2000 Umin"1 bis 7000 Umin"1 ergibt, sodass sich ein bisher nicht zu realisierendes Potenzial der Reibungsreduzierung im Ventiltrieb und damit zur Kraftstoffeinsparung bzw. Resourcenschonung, die aufgrund des extrem hohen Verschleißwiderstandes bevorzugt über die gesamte Motorlebensdauer erhal- ten bleiben, ergibt. Darüber hinaus bieten die ta-C-Schichten 4 gegenüber Schichten gemäß dem Stand der Technik eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit bis etwa 6000C, einen höheren Korrosionswiderstand, einen geringeren elektrischen Leitwert und eine höhere chemische Stabilität, welche eine gleich bleibende Qualität im Ein- satz gewährleistet. Aufgrund des extrem hohen Verschleißwiderstandes sind nur geringe Schichtdicken notwendig, wodurch die Gefahr im Einsatz bei Hertzscher Pressung, dass das Vergleichsspannungsmaximum im Interface liegt, umgangen werden kann. Darüber hinaus sind keinerlei Aufmaße erforder¬ lich und die Abscheidezeiten und somit Abscheidekosten bzw. Besch ichtun gs- kosten können erheblich reduziert werden.

Neben dem Verschleißschutz des beschichteten Körpers wird auch der Gegen¬ körper aufgrund der hervorragenden tribologischen Schichteigenschaften der Kohlenstoffschicht bzw. -schichten 4 geschützt. Durch die Verwendung der Beschichtung kann man kostengünstige Werkstoffe als Unterbau verwenden. Als Gegenkörper sind dann im Sinne des Leichtbaus und der Kosteneinspa¬ rung auch Eisen-Kohlenstoff-Legierungen für beispielsweise die Nockenwelle bzw. die Nocke 6 realisierbar. Darüber hinaus sind niedrig viskose und niedrig additivierte Öle einsetzbar, wodurch eine Minimalschmierung oder erhöhte Öl- Wechsel interval Ie realisierbar sind.

Im Folgenden wird eine weitere vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemä¬ ßen Beschichtung näher erläutert. Fig. 3 illustriert eine perspektivische Ansicht eines hydraulischen Abstützelementes 8, welches einen Kolben 9 und ein Ge- häuse 10 aufweist. Das hydraulische Abstützelement 8 ist mit einem Schlepp¬ hebel 11 gekoppelt, wobei der Schlepphebel 11 über ein Wälzlager 12 schwenkbar gelagert ist. Wie in Fig. 3 ferner ersichtlich ist, weist der Kolben 9 einen Kontaktbereich 90 zwischen dem Kolben 9 und dem Schlepphebel 11 auf. Ferner weist der Kolben 9 einen Kontaktbereich 91 zwischen dem Kolben 9 und dem Gehäuse 10 auf. Für eine Reduzierung des Verschleißes im Kon¬ taktbereich 90 zwischen dem Kolben 9 und dem Schlepphebel 11 wird der Kon- taktbereich 90 ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen wasserstofffreien bzw. annähernd wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht 4, bestehend aus sp2-Bindungen und sp3-Bindungen unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Stütz- und/oder Haftvermittlungsschicht beschichtet. Die reibfeste Beschichtung entspricht dabei der in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 , 2 erläuterten Beschichtung 3, 4.

Ferner kann ebenfalls der Kontaktbereich 91 zwischen dem Kolben 9 und dem Gehäuse 10 mit einer derartigen Beschichtung 3, 4 je nach Anwendung und Fertigungsgstechnologie beschichtet werden. Dadurch wird die Gesamtlebens¬ dauer des dargestellten tribologischen Systems erhöht, wodurch ein Ausfall der einzelnen Maschinenteile während eines Betriebes reduziert und somit insge¬ samt Kosten eingespart werden können.

Ferner können bestimmte Wälzlagerkomponenten des Wälzlagers 12, bei¬ spielsweise der Wälzkörper, die Innen- und Außenringe des Wälzlagers 12, die Wälzlagerkäfige, die Axialscheiben, oder dergleichen ebenfalls zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes und zur Reibungsreduzierung mit einer oben be¬ schriebenen wasserstofffreien bzw. annähernd wasserstofffreien tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht 4, bestehend aus sp2-Bindungen und sp3- Bindungen unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Stütz- und/oder Haft¬ vermittlungsschicht 3 beschichtet werden.

Das oben beschriebene Schichtsystem ist selbstverständlich auch für andere Bau- und Funktionseinheiten, wie beispielsweise Abstütz- und Einsteckelemen¬ te, Wälzlagerkomponenten, Ausrücklager, Kolbenbolzen, Lagerbuchsen, Steu¬ erkolben für beispielsweise Einspritzdüsen im Motorenbereich, Linearführun¬ gen und andere mechanisch und tribologisch hoch beanspruchte Teile geeig¬ net. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die amorphe Kohlenstoff¬ schicht 4 auch direkt auf dem Grundkörper des zu beschichtenden Maschinen¬ teils abgeschieden werden kann, ohne dass eine Stützschicht 3 bzw. Haftver¬ mittlungsschicht 3 dazwischen aufgebracht ist.

Somit schafft die vorliegende Erfindung eine verschleißfeste Beschichtung so¬ wie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen verschleißfesten Beschich¬ tung, wodurch der Verschleißwiderstand von einem reibenden Verschleiß aus¬ gesetzten Maschinenteilen erhöht und zu hohe Reibmomente zwischen diesen Maschinenteilen und entsprechenden Gegenkörpern verhindert werden. Durch die etwa 0,1 μm bis 4,0 μm dicke Beschichtung 4 bzw. 3, 4 bleiben die Maße und Oberflächenrauhigkeiten nahezu unverändert, wobei dennoch die Oberflä¬ che reaktiv homogenisiert wird. Die tribologischen Eigenschaften der Schicht werden verbessert und die mechanischen Beanspruchungen werden mit dem Grundkörper geteilt, der aufgrund der Aufgabenstellung und der geringen Be- schichtungstemperatur, welche kleiner als 1600C ist, auf kostengünstigen Stäh¬ len gefertigt werden kann. Dadurch sind gängige und kostengünstige Ferti¬ gungstechnologien einsetzbar.

Die vorgeschlagenen wasserstofffreien Kohlenstoffschichten reduzieren die Reibung im ölgeschmierten Zustand unter Beachtung des erkannten Effektes der Homogenisierung des Oberflächenzustandes. Es wurden um etwa 20% geringere Reibmomente mit Stahl oder Gusseisen als Reibpartner im ölge¬ schmierten Zustand gemessen, wodurch sich ein deutlicher Beitrag zur Leis- tungssteigerung und Ressourcenschonung ergibt. Durch die hervorragenden tribologischen Eigenschaften können kostengünstigere und auch niedrig visko¬ se Schmierstoffe verwendet werden, welche geringere innere Reibungen auf¬ weisen. Ölwechselintervalle können ferner kundenfreundlich erhöht werden.

Darüber hinaus weist die vorgeschlagene ta-C-Schicht eine deutlich höhere thermische Stabilität von etwa 6000C gegenüber 3500C bei wasserstoffhaltigen Kohlenstoff schichten auf, wodurch sich ein größeres Einsatzgebiet ergibt. Durch die Möglichkeit, als Schmierstoff auch Hydrauliköl, Dieselkraftstoff, Wasser bis hin zu Benzin zu verwenden, bieten sich neue Einsatzgebiete in der Lebensmittelindustrie, in hydraulischen und weiteren mediengeschmierten Anwendungen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Bezugszeichen

1 Maschinenteil 2 vorbestimmte Fläche des Maschinenteils 3 Stützschicht/Haftvermittlungsschicht 4 tetraedrische amorphe Kohlenstoffschicht 5 Tassenstößel 6 Nocke 7 Ventilschaft 8 hydraulisches Abstützelement 9 Kolben 10 Gehäuse 11 Schlepphebel 12 Wälzlager 50 Nockenkontaktfläche 51 Tassenhemd 90 Kontaktbereich zwischen Kolben und Schlepphebel 91 Kontaktbereich zwischen Kolben und Gehäuse