DE4127639A1 - FRICTION PAIRING AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents

FRICTION PAIRING AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

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Description

Die Erfindung betrifft eine Reibpaarung, bestehend aus der Nockenlauffläche einer Nockenwelle und einer Gegenläufer­ schicht, die auf das Grundmaterial eines z. B. als Tassen­ stößel, Schlepp- oder Kipphebel ausgebildeten Gegenläufers aufgebracht ist.The invention relates to a friction pair consisting of the Cam tread of a camshaft and a counter rotor layer that on the base material of a z. B. as cups tappet, rocker arm or rocker arm trained counter-rotating is applied.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Reibpaarung.The invention further relates to a method of manufacture such a friction pairing.

Die üblicherweise zur Ventilsteuerung eingesetzte Materialpaa­ rung von z. B. Tassenstößeln und Nockenwellen aus Einsatzstahl und Schalenhartguß im nitrierten oder unnitrierten Zustand weist meist hohe Reibwerte und dementsprechend auch einen ho­ hen Verschleiß auf. Als nachteilig erweist sich ferner, daß die angestellten Federkräfte nicht weiter erhöht werden kön­ nen, was aber zur präziseren Ventilsteuerung wünschenswert wäre.The material pair usually used for valve control tion of z. B. tappets and camshafts made of case hardening steel and chilled cast iron in the nitrided or non-nitrided state usually has high coefficients of friction and accordingly also a ho hen wear on. A further disadvantage is that  the spring force cannot be increased any further nen, but what is desirable for more precise valve control would.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibpaarung der eingangs beschriebenen Art mit reduzierten Reibwerten und ge­ ringerem Verschleiß sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu entwickeln.The invention has for its object a friction pairing type described above with reduced coefficients of friction and ge less wear and a process for their production to develop.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Reibpaarung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gegenläuferschicht eine nanodisperse, amorphe Metall-Kohlenstoffschicht ist, die zu 50 bis 90 At% aus Kohlenstoff, 2 bis 25 At% aus Wasserstoff und Rest aus Me­ tall besteht, wobei der Kohlenstoff zum Teil in Diamantbin­ dungsstruktur vorliegt.The task is according to the invention with regard to the friction pairing solved in that the counter-rotating layer is a nanodisperse, amorphous metal-carbon layer that is 50 to 90 at% from carbon, 2 to 25 at% from hydrogen and the rest from Me tall exists, the carbon in part in diamond structure exists.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß gestalteten Gegen­ läuferschicht liegt einerseits in ihrem geringen Reibkoef­ fizienten im Kontakt mit metallischen Gleitpartnern und ande­ rerseits darin, daß das Motoröl im Gleitkontakt nicht kataly­ tisch zersetzt wird zu Sikkativen.The particular advantage of the counter designed according to the invention On the one hand, the rotor layer lies in its low friction coefficient efficient in contact with metallic sliding partners and others on the other hand in that the engine oil in the sliding contact is not catalyzed the table is broken down into siccatives.

Die die Gegenläuferschicht bildende Kohlenstoffschicht kann erfindungsgemäß nach verschiedenen Verfahren hergestellt wer­ den. Möglich ist eine Herstellung nach dem Plasma-CVD-Verfah­ ren, mit dem sich Ion-Carbon (i-C) oder Amorphous-Carbonhydro­ gen (a-CH) herstellen lassen, die kein Metall enthalten. Mög­ lich ist aber auch eine Herstellung nach dem PVD-Verfahren, wie z. B. Sputter- oder ARC-Technologie, wobei gleichzeitig Metalle verdampft und in die zu bildende Schicht eingebaut werden, die auch als Metal-Carbonhydrogen-Schichten (Me-CH) bezeichnet werden. Der Kohlenstoff bildet dabei mit den Metal­ len Metalcarbide aus, so daß sich eine erhöhte Temperaturbe­ ständigkeit der Schicht ergibt. The carbon layer forming the counter-rotating layer can according to the invention by various processes the. Production using the plasma CVD method is possible with which ion carbon (i-C) or amorphous carbon hydro Have gen (a-CH) produced that contain no metal. Poss However, production using the PVD process is also possible, such as B. sputtering or ARC technology, at the same time Metals evaporate and built into the layer to be formed that are also known as metal-carbon hydrogen layers (Me-CH) be designated. The carbon forms with the metal len metal carbides, so that an increased Temperaturbe durability of the layer results.  

Das Metall der Gegenläuferschicht kann Titan, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Eisen und/oder Wolfram sein. Vorzugsweise aber werden die Metalle Wolfram, Tantal und Titan in die Gegenläuferschicht eingebaut und zwar entweder einzeln oder aber als Legierungsbestandteile von Mischlegierungsverdamper­ platten.The metal of the counter-rotating layer can be titanium, niobium, tantalum, Chromium, molybdenum, iron and / or tungsten. Preferably but the metals tungsten, tantalum and titanium are incorporated into the Counter-rotating layer installed either individually or but as alloy components of mixed alloy evaporators plates.

Die Gegenläuferschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 2 bis 12 Mikrometer, eine Härte (H) von < 2000 HV 0.01, eine glasar­ tige Struktur und/oder eine keine scharfen Spitzen aufweisende Oberflächenrauhigkeit (Rz) zwischen 0,8 und 3 Mikrometer auf.The counter-rotating layer preferably has a thickness of 2 to 12 microns, a hardness (H) of <2000 HV 0.01, a glass structure and / or a non-sharp point Surface roughness (Rz) between 0.8 and 3 micrometers.

Die im wesentlichen kohlenstoffhaltigen Schichten der Gegen­ läuferschicht werden vorzugsweise mit zumindest einer Zwischenschicht auf das Grundmaterial aufgebracht. Hierzu eignen sich besonders Chrom- oder chromhaltige Schichten. Wählt man als Zwischenschicht eine Kombination Chrom/Chrom­ nitrid, so ergibt sich hieraus nicht nur der Vorteil einer er­ höhten Haftfestigkeit für die amorphe, diamantähnliche Kohlen­ stoffschicht, sondern noch der zusätzliche Vorteil, daß mit dieser sehr haftfesten Zwischenschicht eine tribologisch gün­ stig wirkende "Gleit- und Verschleißreserve" geschaffen wird. Sollte nämlich nach einer gewissen Gebrauchsdauer die auflie­ gende amorphe Schicht teilweise verschlissen oder verletzt sein, wirkt die Chromnitridschicht verschleiß- oder ölzerset­ zungshemmend.The essentially carbon-containing layers of the counter Runner layer are preferably with at least one Intermediate layer applied to the base material. For this Chromium or chromium-containing layers are particularly suitable. If you choose a combination chrome / chrome as an intermediate layer nitride, this not only gives the advantage of one increased adhesive strength for the amorphous, diamond-like coals layer of material, but still the additional advantage that with this very adhesive intermediate layer is tribologically green stig acting "sliding and wear reserve" is created. If after a certain period of use the amorphous layer partially worn or injured the chrome nitride layer is wear or oil decomposed anti-tongue.

Statt Chromnitrid lassen sich für die Zwischenschicht auch an­ dere, ähnlich wirkende Metalle verwenden wie z. B. Titan­ nitrid, Titancarbit, Cirkoniumnitrid und dergleichen.Instead of chrome nitride can also be used for the intermediate layer use similar metals like z. B. Titan nitride, titanium carbite, zirconium nitride and the like.

Die Dicke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 Mikrometer. The thickness of the intermediate layer is preferably 0.1 to 5 Micrometer.  

Um von vornherein einen günstigen Schmiertascheneffekt zu er­ zielen, ist es vorteilhaft, wenn vor dem Aufbringen der Gegen­ läuferschicht bzw. der Zwischenschicht die zu beschichtende Fläche des Gegenläufers mit einem Strukturschliff mit einer Rauhtiefe von 0,5 bis 10 Mikrometer versehen wird. Alternativ kann auch eine sogenannte Orangenhaut an der Oberfläche er­ zeugt werden.To achieve a favorable lubrication pocket effect from the outset aim, it is advantageous if before applying the counter runner layer or the intermediate layer to be coated Surface of the counter-runner with a textured section with a Roughness of 0.5 to 10 microns is provided. Alternatively can also have a so-called orange peel on the surface be fathered.

Eine besonders vorteilhafte Reibpaarung zeichnet sich erfin­ dungsgemäß dadurch aus, daß die Nockenlauffläche eine feinst­ körnige ledeburitische Schicht aufweist, die im Laserum­ schmelzverfahren gehärtet ist.A particularly advantageous friction pairing is invented according to the fact that the cam tread a finest has granular ledeburitic layer in the laser melting process is hardened.

Die Dicke der die fertig bearbeitete Nockenlauffläche bilden­ den Schicht beträgt vorzugsweise 50 bis 400 Mikrometer.Form the thickness of the finished cam tread the layer is preferably 50 to 400 microns.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die die Nockenlauffläche bildende Schicht nach dem Laserumschmelzen fein geschliffen wird.Finally, it is advantageous if the cam tread forming layer finely ground after laser remelting becomes.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungs­ form der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing is an exemplary embodiment form of the invention shown schematically.

Die Zeichnung zeigt eine Nockenwelle 1 mit einer Nockenlauf­ fläche 2, die mit einer Gegenläuferschicht 3 eines Gegenläu­ fers 4 zusammenwirkt.The drawing shows a camshaft 1 with a cam surface 2 , which interacts with a counter-rotating layer 3 of a Gegenläu fers 4 .

Die Nockenlauffläche 2 wird von einer feinstkörnigen ledeburi­ tischen Schicht 5 gebildet, die im Laserumschmelzverfahren ge­ härtet ist.The cam tread 2 is formed by a fine grain ledeburi table layer 5 , which is hardened in the laser remelting process.

Die Gegenläuferschicht 3 ist eine Cerid-Schicht, die über eine Zwischenschicht 6 auf den Gegenläufer 4 aufgebracht ist, der z. B. aus 16 MnCr 5 bestehen kann.The counter-runner layer 3 is a ceride layer which is applied to the counter-runner 4 via an intermediate layer 6 . B. may consist of 16 MnCr 5 .

Claims (19)

1. Reibpaarung, bestehend aus der Nockenlauffläche (2) einer Nockenwelle (1) und einer Gegenläuferschicht (3), die auf das Grundmaterial eines z. B. als Tassenstößel, Schlepp- oder Kipphebel ausgebildeten Gegenläufers (4) aufgebracht ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gegenläuferschicht (3) eine na­ nodisperse, amorphe Metall-Kohlenstoffschicht ist, die zu 50 bis 90 At% aus Kohlenstoff, 2 bis 25 At% aus Wasserstoff und Rest aus Metall besteht, wobei der Kohlenstoff zum Teil in Diamantbindungsstruktur vorliegt. 1. friction pairing, consisting of the cam tread ( 2 ) of a camshaft ( 1 ) and an opposing layer ( 3 ), which on the base material of a z. B. designed as a tappet, rocker arm or rocker arm counter-rotor ( 4 ), characterized in that the counter-rotor layer ( 3 ) is a na nodisperse, amorphous metal-carbon layer, 50 to 90 at% of carbon, 2 to 25 At% consists of hydrogen and the remainder consists of metal, some of the carbon being in a diamond bond structure. 2. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenläuferschicht (3) mit zumindest einer Zwischen­ schicht (6) auf das Grundmaterial aufgebracht ist.2. friction pairing according to claim 1, characterized in that the counter-rotating layer ( 3 ) with at least one intermediate layer ( 6 ) is applied to the base material. 3. Reibpaarung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6) eine chromhaltige Schicht ist.3. friction pairing according to claim 2, characterized in that the intermediate layer ( 6 ) is a chromium-containing layer. 4. Reibpaarung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6) eine kombinierte Chrom/Chrom­ nitrid-Schicht ist.4. friction pairing according to claim 3, characterized in that the intermediate layer ( 6 ) is a combined chromium / chromium nitride layer. 5. Reibpaarung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht (6) 0,1 bis 5 Mikrometer beträgt.5. friction pairing according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the thickness of the intermediate layer ( 6 ) is 0.1 to 5 microns. 6. Reibpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Metall der Gegenläufer­ schicht (3) Titan, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Eisen und/oder Wolfram ist.6. friction pairing according to one of the preceding claims, characterized in that the metal of the counter-rotating layer ( 3 ) is titanium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, iron and / or tungsten. 7. Reibpaarung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle Wolfram, Tantal und Titan einzeln in die Ge­ genläuferschicht (3) eingebaut sind.7. friction pairing according to claim 6, characterized in that the metals tungsten, tantalum and titanium are individually installed in the Ge gene layer ( 3 ). 8. Reibpaarung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle Wolfram, Tantal und Titan von Mischlegie­ rungsverdampferplatten als Legierungsbestandteile in die Gegenläuferschicht (3) eingebaut sind.8. friction pairing according to claim 6, characterized in that the metals tungsten, tantalum and titanium from Mischlegie approximately evaporator plates are installed as alloy components in the counter-rotating layer ( 3 ). 9. Reibpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Gegenläufer­ schicht (3) 2 bis 12 Mikrometer beträgt.9. friction pairing according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the counter-rotor layer ( 3 ) is 2 to 12 microns. 10. Reibpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gegenläuferschicht (3) ei­ ne Härte (H) < 2000 HV 0.01 sowie eine glasartige Struk­ tur aufweist. 10. friction pairing according to one of the preceding claims, characterized in that the counter-rotating layer ( 3 ) has egg ne hardness (H) <2000 HV 0.01 and a vitreous structure. 11. Reibpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit (Rz) der Gegenläuferschicht (3) zwischen 0,8 und 3 Mikrometer liegt und keine scharfen Spitzen aufweist.11. friction pairing according to one of the preceding claims, characterized in that the surface roughness (Rz) of the counter-rotating layer ( 3 ) is between 0.8 and 3 micrometers and has no sharp tips. 12. Reibpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nockenlauffläche (2) eine feinstkörnige ledeburitische Schicht (5) aufweist, die im Laserumschmelzverfahren gehärtet ist.12. Friction pairing according to one of the preceding claims, characterized in that the cam running surface ( 2 ) has a fine-grained ledeburitic layer ( 5 ) which is hardened in the laser remelting process. 13. Reibpaarung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der die fertig bearbeiteten Nockenlaufflä­ che (2) bildenden Schicht (5) 50 bis 400 Mikrometer be­ trägt.13. friction pairing according to claim 12, characterized in that the thickness of the finished machined Nockenlaufflä surface ( 2 ) forming layer ( 5 ) be 50 to 400 microns BE. 14. Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung, bestehend aus der Nockenlauffläche einer Nockenwelle und einer Ge­ genläuferschicht, die auf das Grundmaterial eines Gegen­ läufers aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenläuferschicht nach dem Plasma-CVD-Verfahren als diamantähnliche Kohlenstoffschicht (i-C, a-CH) herge­ stellt wird.14. A method for producing a friction pairing, consisting from the cam tread of a camshaft and a Ge opposite layer, based on the base material of a counter Runner is applied, characterized in that the counter-rotating layer according to the plasma CVD method diamond-like carbon layer (i-C, a-CH) is posed. 15. Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung, bestehend aus der Nockenlauffläche einer Nockenwelle und einer Ge­ genläuferschicht, die auf das Grundmaterial eines Gegen­ läufers aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenläuferschicht nach dem PVD-Verfahren, wie z. B. Sputter - oder ARC-Technologie, als diamantähnliche Koh­ lenstoffschicht hergestellt wird, die 50 bis 90 At% Koh­ lenstoff, 2 bis 25 At% Wasserstoff und als Rest Metall aufweist, das durch gleichzeitige Verdampfung in die Schicht eingebaut wird und so eine Metal-Carbonhydrogen- Schicht (Me-CH) bildet. 15. A method for producing a friction pairing, consisting from the cam tread of a camshaft and a Ge opposite layer, based on the base material of a counter Runner is applied, characterized in that the counter-rotating layer according to the PVD method, such as. B. Sputter - or ARC technology, as diamond-like Koh lenstoffschicht is produced, the 50 to 90 at% Koh lenstoff, 2 to 25 at% hydrogen and the balance metal has that by simultaneous evaporation in the Layer is built in and so a metal carbon hydrogen Layer (Me-CH) forms.   16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gegenläuferschicht mit zumindest einer Zwi­ schenschicht aufgebracht wird.16. The method according to claim 14 or 15, characterized in net that the opposing layer with at least one Zwi layer is applied. 17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Aufbringen der Gegenläuferschicht bzw. der Zwischenschicht die zu beschichtende Fläche des Gegenläufers mit einem Strukturschliff mit einer Rauh­ tiefe von 0,5 bis 10 Mikrometer versehen wird.17. The method according to claim 14, 15 or 16, characterized records that before the application of the opposing layer or the intermediate layer, the surface to be coated Counter-rotating with a structured cut with a rough depth of 0.5 to 10 micrometers. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Nockenlauffläche durch Laserun­ schmelzen eine feinstkörnige ledeburitische Schicht er­ zeugt wird.18. The method according to any one of claims 14 to 17, characterized characterized in that as a cam tread by Laserun melt a fine-grained ledeburitic layer is fathered. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nockenlauffläche bildende Schicht nach dem La­ serumschmelzen fein geschliffen wird.19. The method according to claim 18, characterized in that the layer forming the cam tread according to La serum melting is finely ground.
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