AT391106B

AT391106B - Schichtverbundwerkstoff mit diffusionssperr- schicht, insbesondere fuer gleit- und reibelemente,sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: AT391106B
Application number: AT87/87A
Authority: AT
Inventors: Erich Dr Hodes; Klaus Goerke
Original assignee: Glyco Metall Werke
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1990-08-27
Also published as: CH672095A5; BR8700176A; GB8630976D0; FR2593114A1; FR2593114B1; IT1201170B; ATA8787A; JPS6378740A; DE3601438C1; US4830933A; IT8719114A0; GB2185495A; GB2185495B

Description

Nr. 391 106

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff, insbesondere für Gleit- und Reibelemente, bei dem auf einem Substrat, beispielsweise einer Stahlschicht, eine Kupfer und/oder Zinn enthaltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine ca. 0,5 bis 5 μπι dicke Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht angebracht ist. Bei bekannten Schichtverbundwerkstoffen, beispielsweise solchen gemäß DE-OS 28 53 724, sind eine Zwischenschicht, die aus Notlaufeigenschaften aufweisendem Werkstoff besteht, beispielsweise eine Zwischenschicht aus Bleibronze, und eine darüber liegende Funktionsschicht, beispielsweise Gleit- oder Reibschicht vorgesehen, wobei zwischen der Zwischenschicht und der Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht bevorzugt eine dünne, oxidfreie Diffusionssperrschicht angeordnet ist, um Zinn zu hindern, bei höheren Temperaturen aus der Gleit- bzw. Reibschicht in die Zwischenschicht zu diffundieren. Hierdurch soll der Bildung von intermetallischen Sprödphasen aus Zinn und Kupfer in den der Gleit- bzw. Reibschicht benachbarten Bereichen der Zwischenschicht entgegengewirkt werden. Solche Sprödphasen würden bei dynamischer Beanspruchung eines Gleit- oder Reibelementes Anlaß zur Ablösung der Gleit- bzw. Reibschicht geben. Zur Bildung der Diffusionssperrschicht wird daher in DE-OS 28 53 724 vorgeschlagen, zwischen der Zwischenschicht und der Gleit- bzw. Reibschicht eine gesputterte Diffusionssperrschicht aus NiCr20 bzw. reinem Chrom vorzusehen. Wie die Erfahrungen der Praxis zeigen, ist jedoch die Nickel-Chrom-Diffusionssperrschicht und auch eine reine Chrom-Diffusionssperrschicht bei zinnhaltigen Gleit- bzw. Reibschichten (z. B. aus AlSn-Legierungen) nicht voll wirksam. Untersuchungen mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops und der Mikrosonde zeigen, daß Zinn offenbar über Gitterleerstellen durch eine solche durch Kathodenzerstäubung hergestellte Diffusionssperrschicht aus NiCr20 bzw. reinem Chrom diffundiert und sich mit dem Kupfer der Bleibronze-Zwischenschicht zu einer intermetallischen Sprödphase, u. a. CugSn^ vereinigt, die unter Bedingungen eines praxisnahen Betriebes zur Ablösung der Gleitschicht und damit zu einem Ausfall der Lagerstelle führt.

Auch die in der Praxis üblichen galvanisch aufgebrachten Diffusionssperrschichten aller in diesem Zusammenhang bekannten Werkstoffzusammensetzungen haben sich bei erhöhter Betriebstemperatur als unwirksam erwiesen, da sie offenbar eine vergleichsweise große Anzahl von Gitterleerstellen aufweisen und deshalb bei erhöhter Temperatur Zinn in beachtlicher Menge aus Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht in die Zwischenschicht diffundieren lassen.

Analog zu dem oben genannten Beispiel soll naturgemäß eine Diffusionsspeirschicht auch die Diffusion von Zinn aus einer zinnhaltigen Zwischenschicht in eine kupferhaltige Funktionsschicht unterbinden. Die Unterbindung der Zinndiffusion in der einen oder anderen Richtung ist insofern von zunehmender Bedeutung, als im Zuge der Leistungssteigerung von Maschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, die Maschinenbauelemente für höhere Betriebstemperatur auszulegen sind, wobei an den bisher bekannten Diffusionssperrschichten mit wesentlich erhöhter Zinndurchlässigkeit gerechnet werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Schichtverbundwerkstoffe der eingangs angegebenen Art dahingehend wesentlich zu verbessern, daß die Diffusion von Zinn durch die Diffusionssperrschicht praktisch unterbunden oder zumindest wesentlich herabgesetzt wird, und dies insbesondere auch bei erhöhter Temperatur.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Diffusionssperrschicht aus einem Werkstoff besteht, der ein hexagonales Kristallgitter ausbildet und daß die Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung (Sputtering) unter Ausbildung einer Struktur dieses Werkstoffes zumindest in dichter Kugelpackung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70 % im Vakuum gebildet ist.

Durch das erfindungsgemäße Aufträgen einer Diffusionssperrschicht aus im wesentlichen hexagonales Kristallgitter ausbildendem metallischem Werkstoff mit Hilfe des Verfahrens der Kathodenzerstäubung werden - wie Versuche überraschend ergeben haben - Ablösungen der Funktionsschicht von der Zwischenschicht zuverlässig vermieden, auch bei erhöhter Betriebstemperatur, beispielsweise von 200 °C und darüber.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Diffusionssperrschicht mit praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des hexagonalen Kristallgitters ausgebildet. In diesem Fall wird eine optimale Raumerfüllung durch die Metallionen bei etwa 74 % erreicht und der Durchtritt von Zinn durch die Diffusionssperrschicht auch bei erhöhter Temperatur praktisch unmöglich gemacht. Für die Bildung der Diffusionssperrschicht kommen besonders die Stoffe aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium oder aus einer mindestens einen dieser Stoffe enthaltenden Legierung in Betracht. Besonders vorteilhaft ist die Bildung der Diffusionssperrschicht aus reinem Titan, das einerseits sich als für die Ausbildung einer hochwirksamen Diffusionssperrschicht geeignet erwiesen hat und andererseits vorteilhafte Eigenschaften für die Vorbehandlung und Bildung eines für die Kathodenzerstäubung zu benutzenden Target hat.

Erfindungsgemäßer Schichtverbundwerkstoff läßt sich besonders vorteilhaft und günstig in dem efindungsgmäßen Verfallen herstellen, das sich dadurch kennzeichnet, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Obefläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenzerstäubung im Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung unterworfen wird, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht die Temperatur des Substrates zumindest bei Beginn der Bildung der Diffusionssperrschicht auf einen entsprechend der Zusammensetzung der Zwischenschicht maximal zulässigen Wert eingestellt wird, daß der Plasmadruck im Rezipienten auf einen Wert eingestellt wird, der dem Plasmadruck entspricht, der zum Aufrechterhalten eines -2-

Nr. 391 106 minimalen elektrischen Stromflusses in der anormalen Glimmentladung bei der Kathodenzerstäubung unter Anlegen eines gewählten elektrischen Potentials an das Target erforderlich ist, und daß die Funktionsschicht unmittelbar anschließend an das Aufbringen der Diffusionssperrschicht auf deren freien Oberfläche durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, wobei das elektrische Potential, der Plasmadruck und die Plasma-Zusammensetzung auf die für die Bildung der Funktionsschicht gewünschten Bedingungen eingerichtet sind.

Es hat sich nämlichherausgestellt, daß bei möglichst hoher Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche und möglichst niedrigem Plasmadruck im Rezipienten die im Kathodenzerstäubungsverfahren an die zu beschichtende Oberfläche herangebrachten Werkstoffteilchen im wesentlichen atomare Größe aufweisen und mit hoher kinetischer Energie an die zu beschichtende Oberfläche herangeführt werden. Nach dem Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche behalten die herangeführten Teilchen bzw. Atome im Mittel noch eine beachtliche Beweglichkeit, so daß sie sich zumindest zum Teil wieder mehr oder weniger von der Auftreffstelle der Oberfläche lösen und sich in Art eines Rekristallisationsvorganges in das für den Werkstoff charakteristische Gefüge, nämlich das hexagonale Kristallgitter mit dichter Kugelpackung, einbauen. Bei Aufrechterhaltung hoher Temperatur, beispielsweise oberhalb 600 °C, und hoher relativer Beweglichkeit der Teilchen bzw. Atome läßt sich gleichzeitig mit dem Aufbau der Diffusionssperrschicht ein ständiger Rekristallisationsvorgang in den bereits aufgebauten Teilen der Schicht aufrechterhalten so daß eine der dichtesten Kugelpackung mit 74 % Raumerfüllung durch die Metallionen nahekommende Struktur erreicht wird.

Die Beweglichkeit der durch die Kathodenzerstäubung auf die zu beschichtende Oberfläche der Zwischenschicht gebrachten Teilchen wird ferner auch dadurch auf einem hohen Wert gehalten, daß mit möglichst geringem Plasmadruck im Rezipienten gearbeitet wird, wodurch die Zahl der Zusammenstöße von kathodenzerstäubten Teilchen bzw. Atomen mit Plasmateilchen gering gehalten wird. Anderseits wird naturgemäß bei zu starker Herabsetzung des Plasmadruckes die anormale Glimmentladung, die ja das physikalische Vehikel der Kathodenzerstäubung darstellt, so schwach, daß der elektrische Stromfluß und damit die Durchsatzleistung der Kathodenzerstäubung übermäßig absinkt. Es hat sich aber herausgestellt, daß sich die physikalischen Arbeitsbedingungen für die Kathodenzerstäubung vor Erreichen dieser Grenze so einrichten und gegenseitig abstimmen lassen, daß der Aufbau der Diffusionssperrschicht noch immer in Art eines Rekristallisationsvorganges abläuft.

Dadurch, daß die Funktionsschicht durch unmittelbar anschließende Kathodenzerstäubung im Vakuum auf die Diffusionssperrschicht aufgebracht wird, entstehen in der Grenzfläche bzw. im Grenzbereich zwischen der Diffusionssperrschicht und der Funktionsschicht keinerlei Hohlräume oder Fremdstoffeinlagerungen, die die besonders dichte Kristallgitterstruktur der Diffusionssperrschicht stören könnten. Dabei ist außer dem Übergang auf Kathodenzerstäubung von anderem Material, nämlich dem für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoff, auch Übergang auf andere Betriebsbedingungen möglich, und zwar hinsichtlich des an das Target und evtl, an das Substrat anzulegenden Potentials, hinsichtlich des aufrechtzuerhaltenden Plasmadruckes und hinsichtlich der Zusammensetzung des Plasmas. Um gleichzeitig in einem Rezipienten sowohl an einem Werkstück oder Werkstücksteil die Diffusionssperrschicht als auch an einem anderen Weikstück oder anderem Werkstücksteil die Funktionsschicht aufbringen zu können, wird man dann zweckmäßig innerhalb des Rezipienten Abtrennungen und Schleusen vorsehen, durch die die Werkstücke bzw. ein Werkstoffband von einem abgetrennten Bereich des Rezipienten zu einem anderen abgetrennten Bereich des Rezipienten überführt werden können.

Naturgemäß ist der Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche durch die Zusammensetzung der Zwischenschicht eine obere Grenze gesetzt, nämlich dadurch, daß Bestandteile der Zwischenschicht, beispielsweise Blei, oberhalb einer Temperaturschwelle ausdampfen. Man kann im erfindungsgemäßen Verfahren dieser Grenze dadurch begegnen, daß man die Temperatur des Substrates an der zu beschichtenden Oberfläche mit zunehmendem Aufbau der Diffusionssperrschicht erhöht, wenn die Diffusionssperrschicht die Dicke einer oder mehrerer Atomlagen erreicht hat und dadurch dem Abdampfen von Bestandteilen der Zwischenschicht entgegenwirken kann.

Eine weitere Verbesserung bezüglich der Dichte der zu bildenden Diffusionssperrschicht läßt sich erreichen, wenn man während der Bildung der Diffusionssperrschicht eine negative elektrische Spannung an das Substrat anlegt, die um eine Größenordnung geringer als die an das Target angelegte negative elektrische Spannung ist. Dabei wäre allerdings zunächst damit zu rechnen, daß Gasteilchen und sonstige Fremdstoffteilchen in das Gefüge der Diffusionssperrschicht eingebaut werden und dort unerwünschte Leerstellen bilden könnten. Tatsächlich läßt sich dies aber durch Zusammenwirken mit der an der beschichteten Oberfläche aufrechterhaltenen hohen Temperatur und dem relativ niedrigen Plasmadruck im Rezipienten wirksam unterbinden.

Das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung der Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur kann während der und/oder durch die umgekehrte(n) Kathodenzerstäubung zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht vorgenommen werden. Insbesondere kann also diese umgekehrte Kathodenzerstäubung selbst zum Erzeugen der gewünschten Temperatur an dem Substrat benutzt werden, und zwar allein oder auch mit Unterstützung durch andere Energiezufuhr, beispielsweise Infrarotstrahlung oder Induktionsheizung, wobei letztere weniger in Betracht zu ziehen ist, wenn die Kathodenzerstäubung im Magnetfeld erfolgen soll. Man kann auch im Verlauf der Kathodenzerstäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachbeheizen beispielsweise durch Infrarotstrahlung auf der zu beschichtenden Seite. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der -3-

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Kathodenzerstäubung und Erzielung hoher Auftreffgeschwindigkeit der Teilchen bzw. Atome auf die zu beschichtende Oberfläche empfiehlt es sich im Rahmen der Erfindung, die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld voizunehmen.

Falls die Bildung der Funktionsschicht unter anderer Plasma-Zusammensetzung als die Bildung der Diffusionsspeirschicht zu erfolgen hat und Gefahr bestehen könnte, daß ein Plasma anderer Zusammensetzung nachteilige Einwirkung auf die frisch erzeugte freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht haben könnte, bietet sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Möglichkeit, zunächst eine dünne, die Diffusionssperrschicht abdeckende Schutzschicht unter Benutzung von Plasma mit im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie für die Bildung der Diffusionssperrschicht auf die freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung oder Ionenplattierer aufzubringen, vorzugsweise aus dem für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoff. Für die Bildung einer leerstellenfreien Struktur der Diffusionssperrschicht hat es sich als besonders vorteilhaft und zweckmäßig erwiesen, wenn das für die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung zu benutzende Target bzw. der in ihm enthaltene Werkstoff einer in hohem Maße entgasenden Vorbehandlung unterworfen, wird, so daß sich die für die Bildung der Diffusionssperrschicht benutzten Targetmaterialien durch besondere Gasarmut auszeichnen. Diese besonders stark entgasende Vorbehandlung des in dem für die Bildung der Diffusionssperrschicht zu benutzenden Target enthaltenen Werkstoffs bzw. Werkstoffe kann in einem Hochvakuum-Schmelzen und/oder einem Hochvakuum-Glühen und/oder einer Hochvakuum-Destillation bestehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine aus erfindungsgemäßem Schichtverbundwerkstoff gebildete Gleitlagerschale in perspektivischer Darstellung;

Figur 2 einen Teilschnitt (A-B) gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung; und

Figur 3 den Ausschnitt (C) aus Figur 2 in nochmals wesentlich vergrößerter Darstellung mit eingefügter schematischer Darstellung des Kristallgitters.

Im dargestellten Beispiel ist auf einer Trägerschicht (1) aus Stahl bzw. auf einer Stahlstützschale eine Zwischenschicht (2) aus kupferhaltigem Lagerwerkstoff, beispielsweise Bleibronze in einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm bis 0,7 mm aufgebracht. Der kupferhaltige Lagerwerkstoff der Zwischenschicht (2) weist eine Zusammensetzung innerhalb der üblichen Grenzen auf, wie sie für kupferhaltige Lagerwerkstoffe in Zwischenschichten von Mehrschichtgleitlagem üblich sind. Auf die von der Trägerschicht (1) abgewandte Oberfläche der Zwischenschicht (2) ist eine Diffusionssperrschicht (3) aufgebracht, die im dargestellten Beispiel eine Dicke von etwa 3 jim haben kann. Diese Diffusionssperrschicht (3) besteht im dargestellten Beispiel aus einer Nickelzinnlegierung mit 20 % Masseanteilen Zinngehalt. Die Diffusionssperrschicht (3) ist durch Kathodenzerstäubung auf die freie Oberfläche der Zwischenschicht (2) aufgebracht. Auf die freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht (3) ist die Gleitschicht (4) durch Kathodenzerstäubung im Vakuum aufgebracht Die Gleitschicht (4) besteht aus zinnhaltiger Legierung bzw. Dispersionslegierung. Als Gleitlagerlegierung für die Gleitschicht (4) kommen beispielsweise Legierungen auf Zinnbasis, z. B. SnSbl2Cu6Pb2 oder Legierungen auf Bleibasis mit merklichen Zinngehalten, z.B. PbSnlOCu2 oder PbSnlO in Betracht. Die Gleitschicht (4) kann aber auch aus Dispersionslegierung gebildet sein, insbesondere solche auf AlSn-Basis, insbesondere AlSn6, AlSnlO, AlSn20 oder AlSn40.

In jedem Fall ist das in der Gleitschicht (4) enthaltene Zinn normalerweise bestrebt, in die Zwischenschicht (2) zu diffundieren und sich mit dem dort vorhandenen Kupfer zu intermetallischen Phasen, insbesondere intermetallischen Sprödphasen, u. a. CugSn^, zu vereinigen, und dies in zunehmendem Maß mit Erhöhung der

Betriebstemperatur des Gleitlagers. Die bekannten Diffusionssperrschichten, insbesondere galvanisch aufgebrachte Diffusionssperrschichten, können die Diffusion des Zinns bei niedrigen Temperaturen merklich aufhalten. Bei höheren Betriebstemperaturen, beispielsweise im Bereich von 200 °C und darüber, diffundiert das Zinn aus der Gleitschicht praktisch ungehindert durch herkömmliche Diffusionssperrschichten in die kupferhaltige Zwischenschicht. Dies erklärt sich damit, daß im Kristallgefüge der bekannten Diffusionssperrschichten Leerstellen in solchem Ausmaß vorhanden sind, daß die aufgrund der erhöhten Temperatur beweglicheren Zinnatome ohne weiteres die Diffusionssperrschicht durchsetzen können.

Dagegen ist bei der gesputterten, aus einem ein hexagonales Kristallgitter ausbildenden Werkstoff bestehenden Diffusionssperrschicht (3) eine praktisch leerstellenfreie dichte Kugelpackung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70 % gebildet. Diese Kristallgitterstruktur kann durch bei der Kathodenzerstäubung gleichzeitig ausführbare Rekristallisation bis an die für hexagonal-dichteste Kugelpackung optimale Raumerfüllung bei 74 % herangebracht werden, wie dies in Figur 3 durch die Kristallgitter-Struktur (5) schematisch wiedergegeben ist. Durch die Ausbildung des hexagonalen Kristallgitters in dichter Kugelpackung, evtl, in rekristallisierter Struktur in dichtester Kugelpackung, ist die im dargestellten Beispiel aus reinem Titan gebildete Diffusionssperrschicht (3) auch bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei 200 °C und mehr, für Zinnatome praktisch undurchlässig.

Anstelle des im vorliegenden Beispiel für die Bildung der Diffusionssperrschicht (3) benutzten reinen Titans können auch andere metallische Werkstoffe benutzt werden, die ein hexagonales Kristallgitter mit der Möglichkeit dichter oder dichtester Kugelpackung bilden. Hierzu kommen in Betracht: Zirkonium, Hafnium, Thorium, -4-

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Beryllium, Magnesium oder auch Legierungen aus einem oder mehreren dieser Metalle. Jedoch bietet Titan für die Verfahrensdurchführung besondere Vorteile, die im Rahmen des folgenden Ausführungsbeispiels angesprochen werden.

Ausführungsbeispiel

Ein in herkömmlicher Weise mit der Zwischenschicht (2) aus kupferhaltigem Lagerwerkstoff belegter Stahlträger (1) wird auf einem metallischen Support, der ggf. in Form eines Wagens ausgebildet und innerhalb eines in Kammern unterteilten, für die Kathodenzerstäubung benutzten Rezipienten verfahrbar ist, aufgebracht. Der Support ist mit einer mit Flüssigkeit durchspülbaren Kammer ausgestattet, die an einen Kreislauf für flüssiges Heizmedium bzw. Wärmeträgermedium, beispielsweise Öl, angeschlossen ist. Nach Einbringen in den Rezipienten wird zunächst das aus der Trägerschicht (1) und der Zwischenschicht (2) gebildete Halbzeug, das mit der freien Oberfläche der Zwischenschicht (2) freiliegend in wärmeleitender Weise auf dem Support angebracht ist, mittels Einstellung der Temperatur des flüssigen Heizmediums aufgewärmt und dabei unter Evakuieren des

Rezipienten entgast, bis im Rezipienten ein Druck von etwa 10'^ mbar erreicht ist. Anschließend an das Entgasen des Halbzeugs wird Plasmagas, vorzugsweise Argon, in den Rezipienten eingeführt bis zur Erreichung eines Druckes von 5 x 10'^ bis 5 x 10'^ mbar. Es erfolgt dann ein Reinigen und Aufrauhen der freien Oberfläche der Zwischenschicht (2) in Form eines Ätzens durch umgekehrte Kathodenzerstäubung. Hierzu wird der Support mit dem darauf angebrachten Halbzeug als Kathode geschaltet und eine anormale Glimmentladung erzeugt, bei der eine Ätzspannung zwischen 400 V und 1000 V, vorzugsweise bei 500 V, angelegt und ein Ätzstrom zwischen 5 A und 15 A bzw. eine Ätzstromdichte zwischen 5 und 15 mA/cm der zu ätzenden Oberfläche aufrechteihalten wird. Während dieser umgekehrten Kathodenzerstäubung wird an dem Halbzeug eine Substrattemperatur zwischen 120 °C und 200 °C, vorzugsweise bei 140 °C durch die gemeinsame Wirkung des flüssigen Heizmediums und der umgekehrten Kathodenzerstäubung eingestellt und aufrechterhalten. Die Dauer dieser Ätzbehandlung durch umgekehrte Kathodenzerstäubung ist den Anforderungen jedes einzelnen Falles entsprechend zu wählen.

Anschließend an das Ätzen durch umgekehrte Kathodenzerstäubung erfolgt das Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung. Hierzu wird der auch weiterhin mit seiner Heiz- und Kühlkammer an den Heizmedium-Kreislauf angeschlossene Support als Anode geschaltet oder an ein negatives Potential von etwa 30 bis 70 V angelegt. Es erfolgt dann der Aufbau der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung eines aus dem gewünschten Material der Diffusionssperrschicht gebildeten Targets beispielsweise eines Targets aus reinem Titanblech. Solches Titanblech ist leicht verfügbar und läßt sich auch in einfacher Weise mechanisch bearbeiten. Ein Target aus Titanblech wird sich auch in einfacher Weise den erforderlichen Vorbehandlungen, nämlich Entgasung und Oberflächenreinigung durch Vorsputtem, also einer Kathodenzerstäubung auf eine dem Target gegenübergestellte Blende, unterziehen. Während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht wird eine Potentialdifferenz zwischen 300 und 700 V als Sputterspannung zwischen dem Target und dem Substrat, d. h. dem aus Trägerschicht (1) und Zwischenschicht (2) gebildeten Halbzeug, angelegt Der bei dem Aufbau der Diffusionssperrschicht aufrechterhaltene Sputterstrom beträgt in diesem Beispiel 50 bis 150 A bzw. 10 bis 30 W/cm^ der zu beschichtenden Oberfläche. Das Substrat, d. h. das zu beschichtende Halbzeug, wird während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht mittels des dem Support zugeführten flüssigen Wärmeträgermedium auf einer Temperatur zwischen 120 °C und 200 °C, vorzugsweise bei 140 °C gehalten. Dies ist eine Temperatur, der der kupferhaltige Werkstoff der Zwischenschicht (2) ohne Abdampfen oder Ausbluten von Legierungsbestandteilen standzuhalten vermag. Im vorliegenden Beispiel soll während des gesamten Sputtems der Diffusionssperrschicht die Temperatur möglichst konstant, d. h. innerhalb Grenzen ±5 °C gehalten werden. Während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht (3) durch

Kathodenzerstäubung wird der Plasmadruck im Rezipienten im Bereich zwischen 1 x 10'J bis 5 x 10 mbar gehalten.

Unter diesen Temperatur- und Druckverhältnissen tritt innerhalb der sich aufbauenden Diffusionssperrschicht (3) ein Rekristallisationsvorgang ein, durch den sich die Kugelpackung des hexagonalen Metallgitters verdichten läßt, bis hin zu hexagonal dichtester Kugelpackung und einer Raumerfüllung bis zu 74 %.

Anschließend an den Aufbau der Diffusionssperrschicht (3) erfolgt der Aufbau der Funktionsschicht bzw. Gleitschicht (4) unter praktisch gleichen Bedingungen hinsichtlich Sputterspannung, Sputterstrom, Substrattemperatur und Sputterdruck, wie sie bereits beim Aufbau der Diffusionssperrschicht eingestellt werden, mit dem Unterschied, daß die Kathodenzerstäubung aus einem Target oder mehreren Targets mit einer Werkstoffzusammensetzung erfolgt, wie sie für die jeweilige Funktionsschicht bzw. Gleitschicht (4) gewünscht ist. Zusätzlich können bei dem Aufbau der Funktionsschicht oxidische Anteile gebildet und in Form von Feinstteilchen zur Dispersionsverfestigung in die Funktionsschicht, beispielsweise Gleitschicht, sicher eingelagert werden, wie dies aus DE-PS 28 53 724 und DE-PS 29 14 618 bekannt ist. Der dazu benötigte Sauerstoff kann in das jeweilige Target eingelagert sein oder dem Plasma zugegeben werden. Jedenfalls soll aber die Diffusionssperrschicht von Oxidanteilen freigehalten sein.

Die im obigen Ausführungsbeispiel erläuterten Verfahrensschritte können in einem einfachen Rezipienten in zeitlicher Aufeinanderfolge durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, einen in Kammern unterteilten, mit -5-

Claims

Nr. 391 106 Schleusen zwischen den Kammern ausgestatteten Rezipienten vorzusehen, in welchem die einzelnen Verfahrensschritte durchzuführen sind, beispielsweise eine Kammer zum Entgasen des Halbzeugs, daran anschließend eine Kammer zum Reinigen und Aufrauhen der zu beschichtenden Oberfläche durch umgekehrte Kathodenzerstäubung, eine anschließende Kammer zum Erzeugen der Diffusionssperrschicht (3) und eine Kammer zum Erzeugen der Funktionsschicht bzw. Gleitschicht (4). Soll der Schichtverbundwerkstoff fortlaufend in Form eines Bandes hergestellt werden, so kann das Halbzeugband durch eine Einlaßschleuse in den Rezipienten fortlaufend eingeführt und das Schichtverbundwerkstoffband durch eine Auslaßschleuse fortlaufend aus dem Rezipienten abgezogen werden. Sinngemäß können auch Stücke von Halbzeug aus Stahlträger (1) und Zwischenschicht (2) aufeinanderfolgend durch eine Einlaßschleuse in den Rezipienten eingeführt und die entsprechenden Schichtverbundwerkstoffstücke aufeinanderfolgend durch eine Auslaßschleuse aus dem Rezipienten entnommen werden, während der Verfahrensablauf im Inneren des Rezipienten kontinuierlich aufrechterhalten wird. PATENTANSPRÜCHE 1. Schichtverbundwerkstoff, insbesondere für Gleit- und Reibelemente, bei dem auf einem Substrat, beispielsweise einer Stahlschicht, eine Kupfer und/oder Zinn enthaltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine ca. 0,5 bis 5 μπι dicke Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht, angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus einem Werkstoff besteht, der ein hexagonales Kristallgitter ausbildet, und daß die Diffusionssperrschicht (3) durch Kathodenzerstäubung (Sputtering) unter Ausbildung einer Struktur dieses Werkstoffs zumindest in dichter Kugelpackung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70 % im Vakuum gebildet ist.
2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) mit praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des hexagonalen Kristallgitters ausgebildet ist
3. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus einem der Stoffe aus der Gruppe von Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium oder aus einer mindestens einen dieser Stoffe enthaltenden Legierung gebildet ist.
4. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus reinem Titan gebildet ist
5. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenzerstäubung im Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung unterworfen wird, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht die Temperatur des Substrates zumindest bei Beginn der Bildung der Diffusionssperrschicht auf einen entsprechend der Zusammensetzung der Zwischenschicht maximal zulässigen Wert eingestellt wird, daß der Plasmadruck im Rezipienten auf einen Wert eingestellt wird, der dem Plasmadruck entspricht, der zum Aufrechterhalten eines minimalen elektrischen Stromflusses in der anormalen Glimmentladung bei der Kathodenzerstäubung unter Anlegen eines gewählten elektrischen Potentials an das Target erforderlich ist, und daß die Funktionsschicht unmittelbar anschließend an das Aufbringen der Diffusionssperrschicht auf deren freien Oberfläche durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, wobei das elektrische Potential, der Plasmadruck und die Plasma-Zusammensetzung auf die für die Bildung der Funktionsschicht gewünschten Bedingungen eingerichtet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche mit zunehmendem Aufbau der Diffusionssperrschicht erhöht wird. -6- Nr. 391106
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht eine negative elektrische Spannung an das Substrat angelegt wird, die um eine Größenordnung geringer als die an das Target angelegte negative elektrische Spannung ist
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung der Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur während der und/oder durch die umgekehrte(n) Kathodenzerstäubung zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Kathodenzerstäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachbeheizt werden, beispielsweise durch Infrarotbestrahlung auf der zu beschichtenden Seite.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der DiffusionsspeiTSchicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld vorgenommen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bildung der Funktionsschicht unter anderer Plasma-Zusammensetzung als bei Bildung der Diffusionssperrschicht zunächst eine dünne, die Diffusionssperrschicht abdeckende Schutzschicht unter Benutzung von Plasma mit im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie für die Bildung der Diffusionssperrschicht auf die freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung oder Ionenplattieren aufgebracht wird, vorzugsweise aus dem für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoff.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung zu benutzende Target bzw. der in ihm enthaltene Werkstoff einer in hohem Maße entgasenden Vorbehandlung unterworfen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem für die Bildung der Diffusionssperrschicht zu benutzende Taget enthaltene Werkstoff einer entgasenden Vorbehandlung durch Hochvakuum-Schmelzen und/oder Hochvakuum-Glühen und/oder Hochvakuum-Destillation unterworfen wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -7-