CH672318A5 - - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG
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 Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht angebracht ist, wobei die Diffusionssperrschicht etwa 0,5 bis 5 um dick sein kann und aus einem metallischen Werkstoff besteht, der ein im wesentlichen kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter ausbildet.
Bei bekannten Schichtverbundwerkstoffen, beispielsweise solchen gemäss DE-OS 28 53 724, sind eine aus Notlaufeigenschaften aufweisendem Material, beispielsweise Bleibronze, bestehende Zwischenschicht und eine darüberliegende Funktionsschicht, beispielsweise Gleit- oder Reibschicht, vorgesehen, wobei es sich empfiehlt, zwischen der Zwischenschicht und der Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht eine dünne oxidfreie DiSusionssperrschicht anzuordnen, um bei höheren Temperaturen aus der Gleitschicht abwanderndes Zinn abzufangen und so die Bildung intermetallischer Sprödphasen aus Zinn und dem Kupfer der Bleibronze zu vermeiden. Letzteres würde bei dynamischer Beanspruchung eines Gleit- oder Reibelementes aufgrund ihres spröden Charakters Anlass zur Ablösung der Gleitbzw. Reibschicht geben. Als Diffusionssperrschicht wurde 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 gesputterte Diffusionssperrschicht aus NiCr20 bzw. reinem Chrom diffundiert und sich mit dem Kupfer der Bleibronze-Zwi-schenschicht zu einer intermetallischen Sprödphase, u.a. Cu6Sn5 vereinigt, die unter Bedingungen eines praxisnahen Betriebes zur Ablösung der Gleitschicht und damit zu einem Ausfall der Lagerstelle fuhrt.
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Auch galvanisch aufgebrachte Diffusionssperrschichten 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 Diffusionssperrschicht praktisch unterbunden oder zumindest wesentlich herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung im Vakuum (Sputtering) unter Ausbildung leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters gebildet ist.
Durch das erfindungsgemässe Auftragen einer Diffusionssperrschicht aus im wesentlichen kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter ausbildendem metallischem Werkstoff mit Hilfe des Verfahrens der Kathodenzerstäubung werden - wie Versuche überraschend ergeben haben - Ablösungen der Funktionsschicht von der Zwischenschicht zuverlässig vermieden. Zwar lassen sich dünne Schichten aus solchen, ein im wesentlichen kubisch-flä-chenzentriertes Kristallgitter ausbildenden, metallischen Werkstoffen auch auf galvanischem Wege herstellen. Jedoch hat sich ergeben, dass solche galvanisch aufgebrachten dünnen Schichten in starkem Masse mit Leerstellen im Kristallgitter behaftet sind und deshalb bei höheren Temperaturen Zinn in beachtlichen Mengen von der Funktionsschicht in die Zwischenschicht diffundieren lassen.
In besonders vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung ist die Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung aus Nik-kel-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 aus Nickel-Zinn-Legierung mit mindestens 10% Masseanteile Zinngehalt eine besonders zuverlässige Dämmwirkung zwischen der Funktionsschicht und der Zwischenschicht für das Zinn entwickelt.
Der erfindungsgemässe Schichtverbundwerkstoff lässt sich besonders vorteilhaft und günstig in dem erfindungsgemässen Verfahren herstellen, das sich dadurch kennzeichnet, dass das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenzerstäubung in Vakuum und unmittelbar daran anschliessendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung unter Aufrechterhaltung von entsprechend der zu erzielenden Struktur der Diffusionssperrschicht aufeinander abgestimmten Bedingungen der Temperatur des Substrates und des Plasmadruckes im Rezipienten unterworfen wird. Dabei hat sich herausgestellt, 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 einbauen. Die relativ hohe Beweglichkeit der Teilchen bzw.
Atome führt zum Zusammenbau zu einem praktisch leerstellenfreien Gefuge.
Naturgemäss ist der 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. Man kann im erfindungsgemässen Verfahren dieser Grenze dadurch begegnen, dass man die Temperatur des Substrates an der zu beschichtenden Oberfläche während des Bildens der Diffusionssperrschicht erhöht, wenn die Diffusionssperrschicht die Dicke einer oder mehrerer Atomlagen erreicht hat und dadurch dem Abdampfen von Bestandteilen der 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 gering gehalten wird. Andererseits wird 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 Grenzen so einrichten und gegenseitig abstimmen lassen, dass der Aufbau der Diffusionssperrschicht 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 Grös-senordnung 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 der Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur kann während der zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht benutzten umgekehrten Kathodenzerstäubung vorgenommen werden, insbesondere kann 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 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 anderem Material, nämlich dem für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoff, auch Übergang auf andere Betriebsbedingungen möglich hinsichtlich des an das Target und evtl. an das Substrat anzulegenden elektrischen Potentials des aufrechtzuerhaltenden Plasmadruckes und der Zusammensetzung des Plasmas. Um gleichzeitig in einem Rezipienten sowohl an einem Werkstück oder Werkstückteil die Diffusions5
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sperrschicht als auch an einem anderen Werkstück oder anderem Wersktückteil 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.
Falls die Bildung der Fünktionsschicht unter anderer Plasma-Zusammensetzung als die Bildung der 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 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 bereits aus für die Funktionsschicht vorgesehenem Werkstoff gebildet werden kann.
Für die Bildung einer von 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 DiSusionssperrschicht benutzten Targetmaterialien durch besondere Gasarmut auszeichnen. Diese besonders stark entgasende Vorbehandlung des in dem für die Bildung der DiSusionssperrschicht zu benutzenden Target enthaltenden Werkstoff 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 zeigen:
Fig. 1 eine aus erfindungsgemässem Schichtverbundwerkstoff gebildete Gleitlagerschalen in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 einen Teilschnitt A-B gemäss Fig. 1 in vergrösserter Darstellung; und
Fig. 3 den Ausschnitt C aus Fig. 2 in nochmals wesentlich vergrösserter Darstellung mit eingefugter schematischer Darstellung des Kristallgitters.
Im dargestellten Beispiel ist auf einer Trägerschicht 1 aus Stahl bzw. auf einer Stahlstützschale eine Zwischenschicht 2 aus kupferhaltìgem Lagerwerkstoff, beispielsweise Bleibronze in einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm bis 0,7 mm, aufgebracht. Der kup-ferhaltige Lagerwerkstoff der Zwischenschicht 2 weist eine Zusammensetzung innerhalb der üblichen Grenzen auf, wie sie für kup-ferhaltige Lagerwerkstoffe in Zwischenschichten von Mehrschichtgleitlagern 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 (im 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. PbSnlOCu2 oder PbSnlO in Betracht. Die Gleitschicht 12 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. Cu6Sns 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 Aus-mass vorhanden sind, dass die aufgrund der erhöhten Temperatur beweglicheren Zinnatome ohne weiteres die Diffusionssperrschicht durchsetzen können.
Dagegen ist bei der gesputterten DiSusionssperrschicht 3 ein durch Rekristallisation praktisch leerstellenfreies kubisch-flächen-zentriertes Kristallgitter 5 gebildet, wie es in Fig. 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.
Ausfuhrungsbeispiel
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 kupferhaltìgem 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 flüssi-ges Heizmedium, 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 10~5 mbar erreicht ist.
Anschliessend an das Entgasen des Halbzeugs wird Plasmagas, vorzugsweise Argon, in den Rezipienten eingeführt, bis zur Erreichung eines Druckes von 5 • 10~3 bis 5 • 10~2 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 5A und 15A bzw. eine Ätzstromdichte zwischen 5 und 15 mA/cm2 der zu ätzenden Oberfläche aufrechterhalten 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 Heizmedium und der umgekehrten Kathodenzerstäubung eingestellt und aufrechterhalten. Die Dauer dieser Ätzbehandlung durch umgkehrte 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
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aus dem gewünschten Material der Diffusionssperrschicht gebildeten Target, beispielsweise einem Taret 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, bei- 5 spielsweise reinem Nickel oder Nickel-Zinn-Legierung mit geringerem Zinnanteil als 10 Massenanteilen in % herstellen, so können zur Durchfuhrung der Kathodenzerstäubung spezielle Massnahmen am Magnetfeld vorgesehen sein, wie sie beispielsweise aus EP-OS 144 572 und EP-OS 144 838 bekannt sind. io
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 15 Sputterstrom beträgt in diesem Beispiel 50 bis 150 A bzw. 10 bis 30 W/cm2 der zu beschichtenden Oberfläche. Das Substrat, d.h. das zu beschichtende Halbzeug, wird während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht mittels des dem Support zugeführten flüssigen Warmeträgermediums auf einer Temperatur zwischen 20 120 0 C und 200 0 C, vorzugsweise bei 140 ° C gehalten. Im vorliegenden Beispiel soll während des gesamten Sputterns der Diffusionssperrschicht die Temperatur möglichst konstant, d.h. innerhalb Grenzen ± 5 °C gehalten werden. Während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht 3 durch Kathodenzerstäubung wird 2s der Plasmadruck im Rezipienten im Bereich zwischen 1 • 10~3 bis 5 • 10~2 mbar gehalten. Unter diesen Temperatur- und Druckverhältnissen tritt innerhalb der sich aufbauenden Diffusionssperrschicht 3 ein Rekristallisationsvorgang ein, durch den die volle Besetzung des kubisch-fläehenzentrierten Kristallgitters 5 gewähr- 30 leistet 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 35 praktisch gleichen Bedingungen hinsichtlich Sputterspannung,
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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 Wersktoffzusammenset-zung 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 freigehalten sein.
Die im obigen Ausfuhrungsbeispiel erläuterten Verfahrensschritte 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 durchzufuhren 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 aufrechterhalten wird.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Schichtverbundwerkstoff, insbesondere fur Gleit- und Reibelemente, bei dem auf einem Substrat eine Kupfer und/oder Zinn enthaltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht angebracht ist, wobei die Diffusionssperrschicht aus einem metallischen Werkstoff besteht, der ein im wesentlichen kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (3)
durch Kathodenzerstäubung im Vakuum unter Ausbildung praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des kubisch-flä-chenzentrierten Kristallgitters gebildet ist.
2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (3) durch Kathodenzerstäubung aus Nickel-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von mindestens 10 Massenanteilen in % gebildet ist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes, insbesondere für Gleit- und Reibelemente, bei dem auf einem Substrat eine Kupfer und/oder Zinn enthaltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine Diffusionssperrschicht -eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht angebracht ist, wobei die Diffusionssperrschicht aus einem metallischen Werkstoff besteht, der ein im wesentlichen kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (3) durch Kathodenzerstäubung im Vakuum unter Ausbildung praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des kubisch-flächenzentrierten Kristallgitters gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, 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 von entsprechend der zu erzielenden Struktur der Diffusionssperrschicht aufeinander abgestimmten Bedingungen der Temperatur des Substrates und des Plasmadruckes im Rezipienten unterworfen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 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.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, 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.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, 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.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht unmittelbar anschliessend an das Aufbringen der Diffusionssperrschicht auf deren freie
Oberfläche durch Kathodenzerstäubung oder Ionenplattieren aufgebracht wird, wobei das elektrische Potential und der Plasmadruck auf die fur die Bildung der Funktionsschicht gewünschten Bedingungen einzurichten sind.
11. Verfahren nach Anspruch 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 für die Funktionsschicht vorgesehenem Werkstoff.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung zu benutzende Target bzw. der in ihm enthaltene Werkstoff bzw. Werkstoffe einer im hohen Masse entgasenden Vorbehandlung unterworfen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem fur die Bildung der Diffusionssperrschicht zu benutzenden Target enthaltene Werkstoff bzw. Werkstoffe einer entgasenden Vorbehandlung durch Hochvakuum-Schmelzen und/oder Hochvakuum-Glühen und/oder Hochvakuum-Destilla-tion unterworfen wird.
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