AT393367B - Schichtverbundwerkstoff, insbesondere fuer gleit- und reibelemente, sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
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Description
AT 393 367 B
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 durch Kathodenzerstäubung im Vakuum hergestellte Diffusionssperrschicht -eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht, angebracht ist, wobei die Diffusionssperrschicht 0,5 bis 5 pm dick sein kann und aus einem metallischen Werkstoff besteht, der ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter ausbildet.
Schichtverbundwerkstoffe sind seit langer Zeit bekannt In der GB-PS 2 117 403 ist ein Schichtverbundwerkstoff für ein Gleitlager beschrieben, bei dem auf einer Kupfer und Blei enthaltenden Legierung eine Funktionsschicht aus einer Bleilegierung aufgebracht ist Dazwischen befindet sich eine Diffusionssperrschicht die Kupfer und Bor enthält Diese Diffusionssperrschicht wird galvanisch aufgetragen.
Gemäß der US-PS 3 307 926 besteht die Zwischenschicht üblicherweise aus Blei, Zinn und Kupfer. Die Diffusionssperrschicht aus 67 % Zinn und 33 % Nickel wird galvanisch aufgetragen. Die Funktionsschicht besteht üblicherweise aus Blei, Zinn und gegebenenfalls Kupfer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der GB-PS 1 600 951 ist eine Zwischenschicht (z. B. aus Blei-Bronze oder Zinn-Bronze) durch eine Diffusionssperrschicht aus Nickel von der Gleitschicht (z. B. 14 % Zinn, 8 % Kupfer, Rest Blei) getrennt Über die Art der Aufbringung dieser Schichten werden keine Angaben gemacht
In den bereits sehr alten GB-PS 706 672 und 733 212 sind jeweils galvanisch aufgebrachte Diffusionssperrschichten aus Kupfer (oder einer Kupferlegierung) geoffenbart
Schichtverbundwerkstoffe der eingangs genannten Art sind aus der DE-OS 28 53 724 und aus der DE-OS 29 14 618 bekannt
Aufgabe der Diffusionssperrschicht ist es, bei höheren Temperaturen aus der Gleitschicht abwandemdes Zinn abzufangen und so die Bildung intermetallischer Sprödphasen aus Zinn und dem Kupfer der Zwischenschicht zu vermeiden. Letzteres würde bei dynamischer Beanspruchung eines Gleit- oder Reibelementes aufgrund ihres spröden Charakters Anlaß zur Ablösung der Gleit- bzw. Reibschicht geben. Als Diffusionssperrschicht wurde daher in DE-OS 28 53 724 vorgeschlagen, zwischen der Zwischenschicht und der Gleit- bzw. Reibschicht eine gebutterte Diffusionssperrschicht aus NiCr20 bzw. reinem Chrom vorzusehen. Wie die Erfahrungen der Praxis zeigen, ist jedoch solch eine 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 solch eine gesputterte Diffusionssperrschicht aus NiCr20 bzw. reinem Chrom diffundiert und sich mit dem Kupfer der 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 galvanisch aufgebrachte Diffusionssperrschichten, wie sie aus der oben genannten Literatur bekannt sind, haben - wie die Praxis erwiesen hat - eine vergleichsweise große Anzahl von Gitterleerstellen und lassen deshalb bei erhöhter Temperatur ebenfalls Zinn aus der Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht in die Zwischenschicht diffundieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Schichtverbundwerkstoff der eingangs angegebenen Art dahingehend wesentlich zu verbessern, daß die Diffusion von Zinn durch die Diffusionsspeirschicht praktisch unterbunden oder zumindest wesentlich herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Diffusionssparschicht eine leerstellenfreie, rekristallisierte Struktur des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Diffusionssperrschicht werden - wie Versuche überraschend ergeben haben · Ablösungen der Funktionsschicht von der Zwischenschicht zuverlässig vermieden.
In besonders vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung ist die Diffusionsspetrschicht aus Nickel-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von mindestens 10 Massenanteilen in % gebildet. Man könnte zunächst annehmen, daß der Zinngehalt des die Diffusionssperrschicht bildenden Werkstoffes, und gerade der 20 % und mehr Masseanteile betragende Zinngehalt dazu neigen könnte, Zinn aus der Diffusionssperrschicht in die Zwischenschicht übertreten zu lassen und dann den Zinngehalt wieder aus der Funktionsschicht zu ergänzen, also ein indirektes Diffundieren von Zinn aus der Funktionsschicht in die Zwischenschicht zu ermöglichen. Tatsächlich tritt aber diese zunächst zu erwartende Wirkung nicht ein. Vielmehr hat sich überraschend herausgestellt, daß eine Nickel-Zinn-Legierung mit mindestens 10 % Masseanteile Zinngehalt eine besonders zuverlässige Dämmwirkung zwischen der Funktionsschicht und der Zwischenschicht für das Zinn entwickelt
Da erfindungsgemäße Schichtvobundweikstoff läßt sich besonders vorteilhaft und günstig in dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzoi da freien Oberfläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenza-stäubung in Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung unter Aufrechterhaltung einer Temperatur des Substrates von 120 bis 200 °C und eines Plasmadruckes von 1.10'3 bis 5.10'^ mbar im Rezipienten unterworfen wird, wonach die Funktionsschicht aufgebracht wird. Dabei hat sich herausgestellt, daß bei möglichst hoher Tempaatur an der zu beschichtenden Oberfläche und möglichst niedrigem Plasmadruck im Rezipienten die im Kalhodenzerstäubungsverfahren an die zu beschichtende Oberfläche herangebrachten Werkstoffteilchen im wesentlichen atomare Größe aufweisen und mit hoher -2-
AT 393 367 B 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 dar Auftreffstelle der Oberfläche lösen und sich in Art eines Rekristallisationsvorganges in das für den Werkstoff charakteristische Gefüge einbauen. Die relativ hohe Beweglichkeit der Teilchen bzw. Atome führt zum Zusammenbau zu einem praktisch leerstellenfreien Gefüge.
Naturgemäß ist die Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche durch die Zusammensetzung der Zwischenschicht eine obere Grenze gesetzt, d. h. dadurch, daß Bestandteile der Zwischenschicht, beispielsweise Blei, oberhalb einer Temperaturschwelle ausdampfen. Es wird daher bevorzugt, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht die Temperatur des Substrates auf einen entsprechend der Zusammensetzung der Zwischenschicht maximal zulässigen Wert und der Plasmadruck im Rezipienten auf einen unter Anlegen eines gewählten elektrischen Potentials an das Target bei der Kathodenzerstäubung aufrecht zu erhaltenden minimalen elektrischen Stromfluß in der anormalen Glimmentladung entsprechenden Wert eingestellt werden. Man kann im erfindungsgemäßen Verfahren dieser Grenze dadurch begegnen, daß man die Temperatur des Substrates an der zu beschichtenden Oberfläche während des Bildens der Diffusionssparschicht erhöht, wenn die Diffusionssperrschicht die Dicke einer oder mehrerer Atomlagen erreicht hat und dadurch dem Abdampfen von Bestandteilen da Zwischenschicht entgegenwirken kann. 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 mit Plasmateilchen going gehalten wird. Andererseits wird bei zu starker Herabsetzung des Plasmadruckes die anormale Glimmaidadung, die ja das physikalische Vehikel der Kathodenzerstäubung darstellt, so schwach, daß da elektrische Stromfluß und damit die Durchsatzleistung da Kathodenzerstäubung übermäßig absinkt. Es hat sich aber herausgestellt, daß sich die physikalischen Arbeitsbedingungen für die Kathodenzerstäubung vor Erreichen dieser Grenzen so einrichten und gegenseitig abstimmen lassen, daß der Aufbau der Diffusionsspensicht noch immer in Art eines Rekristallisationsvorganges abläuft
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 zu beschichtenden Oberfläche aufrecht erhaltenen hohen Temperatur und dem relativ niedrigen Plasmadruck im Rezipienten wirksam unterbinden.
Das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung da Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur kann während der und/oder durch die umgekehrte Kathodenzerstäubung zum Reinigen bzw. Ätzen der fieien Oberfläche der Zwischenschicht vorgenommen waden. Insbesondere kann also diese umgekehrte Kathodenzerstäubung selbst zum Erzeugen der gewünschten Temperatur an dem Substrat benutzt waden, und zwar allein oder auch mit Unterstützung durch andere Energiezufuhr, beispielsweise Infrarotstrahlung oder Induktionsheizung, wobei letztere weniger in Betracht zu ziehen ist, wenn die Kathodenzastäubung im Magnetfeld erfolgen soll. Mann kann auch im Verlauf der Kathodenzerstäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachbeheizen, beispielsweise durch Infrarotbestrahlung auf der zu beschichtenden Seite.
Das Aufbringen der Funktionsschicht auf die Diffusionssperrschicht kann ebenfalls durch Kathodenzerstäubung, und zwar unmittelbar anschließend an das Aufbringen der Diffusionssperrschicht, vorgenommen werden. Dabei ist außer dem Übergang auf Kathodenzerstäubung von andoem Material, nämlich dem für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoff, auch Übergang auf andere Betriebsbedingungen möglich, hinsichtlich des an das Target und eventuell an das Substrat anzulegenden elektrischen Potentials des aufrecht zu ohaltenden Plasmadruckes und der Zusammensetzung des Plasmas. Um gleichzeitig in einem Rezipienten sowohl an einem Werkstück oder Wakstückanteil die Diffusionssperrschicht als auch an einem andoen Werk-stück oder anderem Werkstückteil die Funktionsschicht auf bringen 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 üboführt werden können.
Falls die Bildung der Funktionsschicht unter anderer Plasmazusammensetzung als die Bildung da Diffusionssperrschicht 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 vor Bildung da Funktionsschicht 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 aufzubringen, wobei diese Schutzschicht vorzugsweise aus für die Funktionsschicht vorgesehenem Wakstoff gebildet ist. Für die Bildung einer von leerstellenfreien Struktur der Diffusionssparschicht hat es sich als besonders vorteilhaft und zweckmäßig erwiesen, wenn das für die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathoden- -3-
AT 393 367 B
Zerstäubung 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 enthaltenden Werkstoff bzw. Werkstoffe kann in einem Hochvakuum-Schmelzen und/oder einem Hochvakuum-Glühen und/oder einer Hochvakuum-Destillation bestehen.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus erfindungsgemäßem Schichtverbundwerkstoff gebildete Gleitlagerschale in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 einen Teilschnitt (A-B) gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung; und
Fig. 3 den Ausschnitt (C) aus Figur 2 in nochmals wesentlich vergrößerter Darstellung mit eingeffigter schematischer Darstellung des Kristallgitters.
Im dargestellten Beispiel ist auf einer Trägerschicht (I) aus Stahl bzw. auf einer Stahlstützschäle 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 pm haben kann. Diese Diffusionssperrschicht besteht im dargestellten Beispiel aus einer Nickel-Zinn-Legierung mit 20 % Masseanteilen Zinngehalt Die Diffusionssperrschicht 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. PbSnl0Cu2 oder PbSnlO in Betracht. Die Gleitschicht (12) kann aber auch aus Dispersionslegierung gebildet sein, insbesondere solche auf AlSn-Basis, insbesondere AlSn6, AlSnlO, AlSn20 oderAlSn40.
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. CugSng 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 Kristallgefuge 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 Diffusionssperrschicht (3) ein durch Rekristallisation praktisch leerstellenfreies kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter (5) gebildet, wie es in Figur 3 angedeutet ist Durch die Ausbildung des rekristallisierten und leerstellenfreien kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters ist die im dargestellten Beispiel vorgesehene Nickel-Zinn-Legierung auch bei Temperaturen im Bereich von 200 °C und darüber noch praktisch undurchlässig für diffundierendes Zinn.
Ausführungsbeispiel:
Der im dargestellten Beispiel für die Herstellung der Gleitlagerschale benutzte Schichtverbundwerkstoff ist in folgender Weise hergestellt:
Ein in herkömmlicher Weise mit der Zwischenschicht (2) aus kupferhaltigem Lagerwerkstoff belegter Stahlträger (1) wird auf einem metallischen Support, der beispielsweise in Art eines Wagens ausgebildet und innerhalb eines für die Kathodenzerstäubung benutzten, in Kammern unterteilten Rezipienten verfahrbar ist, aufgebracht. Der Support ist mit einer mit Flüssigkeit durchspülbaren Kammer ausgestattet, die an einen Kreislauf für flüssiges Heizmedium, beispielsweise 01, 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 IO'*’ mbar erreicht ist.
Anschließend an das Entgasen des Halbzeugs wird Plasmagas, vorzugsweise Argon, in den Rezipienten eingeführt, bis zur Erreichung eines Druckes von 5.10"^ bis 5.10'^ 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 -4-
AT 393 367 B 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 aufrecht erhalten 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 aufrecht erhalten. Die Dauer dieser Atzbehandlung 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 Target, beispielsweise einem Target aus Nickel-Zinn-Legierung mit Zinngehalt von mindestens 10 Massenanteilen in Prozent, vorzugsweise etwa 20 Massenanteilen in Prozent Will man die Diffusionssperrschicht aus ferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise reinem Nickel oder Nickel-Zinn-Legierung mit geringerem Zinnanteil als 10 Massenanteilen in % hersteilen, so können zur Durchführung der Kathodenzerstäubung spezielle Maßnahmen am Magnetfeld vorgesehen sein, wie sie beispielsweise aus EP-OS 144 572 und EP-OS 144 838 bekannt sind. 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 aufrecht erhaltene 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 Wärmeträgermediums auf einer Temperatur zwischen 120 °C und 200 °C vorzugsweise bei 140 °C gehalten. 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. 10"^ bis 5.10'^ mbar gehalten. Unter diesen Temperatur- und Druckverhältnissen tritt innerhalb der sich aufbauenden Diffusionssperrschicht (3) ein Rekristallisationsvorgang ein, durch den die volle Besetzung des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters (5) gewährleistet wird. Es ergibt sich dabei eine Raumerfüllung im Kristallgitter bei 60 % bis 68 %, also eine Füllung des Kristallgitters, die den Durchtritt von Zinnatomen praktisch unmöglich macht.
Anschließend an den Aufbau der Diffusionssperrschicht (3) erfolgt der Aufbau der Funktionsschicht bzw. Gleitschicht (4) unter praktisch gleichen Bedingungen hinsichtlich Sputteipannung, 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 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 (4), 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 feigehalten sein.
Die im obigen Ausführungsbeispiel erläuterten Verfahrenschritte können in einem einfachen Rezipienten in zeitlicher Aufeinanderfolge durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, einen in Kammern unterteilten, mit 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 Schichtverbundwerkstoff-Band 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 Schichtverbundwerkstoff-Stücke aufeinanderfolgend durch eine Auslaßschleuse aus dem Rezipienten entnommen werden, während der Verfahrensablauf im Inneren des Rezipienten kontinuierlich aufrecht erhalten wird. -5-
Claims (9)
- AT 393 367 B 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 durch Kathodenzerstäubung im Vakuum hergestellte Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht, angebracht ist, wobei die Diffusionssperr-schicht 0,5 bis 5 |tm dick sein kann und aus einem metallischen Werkstoff besteht, der ein kubisch-flächen-zentriertes Kristallgitter ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) eine leerstellenfreie, rekristallisierte Struktur des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters aufweist.
- 2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht (3) aus Nickel-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von mindestens 10 Massenanteilen in % gebildet ist.
- 3. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenzerstäubung in Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung unter Aufrechterhaltung einer Temperatur des Substrates von 120 bis 200 °C und eines Plasmadruckes von 1. 10'^ bis 5.10'^ mbar im Rezipienten unterworfen wird, wonach die Funktionsschicht aufgebracht wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht die Temperatur des Subtrates auf einen entsprechend der Zusammensetzung der Zwischenschicht maximal zulässigen Wert und der Plasmadruck im Rezipienten auf einen unter Anlegen eines gewählten elektrischen Potentials an das Target bei der Kathodenzerstäubung aufrecht zu erhaltenden minimalen elektrischen Stromfluß in der anormalen Glimmentladung entsprechenden Wert eingestellt werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, 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
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung der Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur während der und/oder durch die umge-kehrte(n) Kathodenzerstäubung zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht vorge-nommen wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Kathodenzerstäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachbeheizt werden, beispielsweise durch Infrarot-Bestrahlung auf der zu beschichtenden Seite.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld vorgenommen wird.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor Bildung der Funktionsschicht 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 für die Funktionsschicht vorgesehenem Werkstoff. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -6-
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| ELJ | Ceased due to non-payment of the annual fee | ||
| EEIH | Change in the person of patent owner | ||
| REN | Ceased due to non-payment of the annual fee |