DD202898A1 - HARDENER AND SOLID CARBON SHEET SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem, das mittels Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe, insbesondere auf Schnitt-, Stanz-, Zieh- und Zerspanungswerkzeuge, auf Vorrichtungen, Lagern u. ae. aufbringbar ist. Ziel der Erfindung ist es, ein universell einsetzbares Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem, welches zu einer wesentlichen Standzeiterhoehung fuehrt, zu schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe aufbringbares sehr duennes Hartstoff- und Festkoerperschmierstoffschichtsystem im nm-Bereich zu finden, das durch eine Haerteerhoehung der Schichten bei gleichzeitiger Verminderung des Reibungskoeffizienten der Schichten zu einer Minderung des Verschleisses und Verbesserung der Gleiteigenschaften fuehrt. Erfindungsgemaess ist der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur ueberlagert. D. auf die Hartstoffschicht ohne Unterbrechung des Vakuums aufgesputterte Schicht ist bspw. Molybdaendisulfid. Die Gesamtschicht des Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem liegt in einem Bereich von 100 - 1000 mym.The invention relates to a hard material and Festkoerperschmierstoffschichtsystem by sputtering on various metal materials, in particular cutting, punching, drawing and cutting tools, on devices, bearings u. ae. can be applied. The aim of the invention is to provide a universally usable hard material and Festkoerperschmierstoffschichtsystem, which leads to a substantial increase in service life, to create. The invention has for its object to find a sputtering on various metal materials can be applied very thin hard and Festkoerperschmierstoffschichtsystem in the nm range, which leads by a Haerteerhoehung the layers while reducing the coefficient of friction of the layers to a reduction of wear and improve the sliding properties , According to the invention, the layer of hard material applied first is superimposed on a layer with a hexagonal lattice structure. D. layer sputtered onto the hard material layer without interruption of the vacuum is, for example, molybdenum disulfide. The total layer of the hard material and solid-body lubricant layer system is in a range of 100-1000 μm.
Description
234535234535
Titel der ErfindungTitle of the invention
Hartstoff und FestkörperschmierstoffschichtsystemHard material and solid lubricant layer system
Anwendungsgebiet - 'Field of use - '
Die Erfindung betrifft ein Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem, das mittels Sputtern auf verschiedene Metallwerlcstof fe , insbesondere auf Schnitt^- Stanz^y—Zxeh^r-— and Zerspanungswerkzeuge, auf Vorrichtungen Lager u. ä. aufbringbar ist·The invention relates to a hard material and solid lubricant layer system which by means of sputtering on various Metallwerlcstof fe, in particular on cutting ^ - punching ^ y-Zxeh ^ r- and cutting tools, on devices bearing u. Ä. Can be applied ·
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist allgemein bekannt auf verschiedenartige Werkstoffe durch bestimmte Verfahren Schichten aufzubringen, die bspw. eine Erhöhung der Standzeit und eine Verminderung des Verschleißes von Werkzeugen, Lagern o« ä. bewirken. Diese Schichten können durch CVD (Chemische Abscheidung aus der Gasphase), Sputtern, Ion-Plating oder auch durch galvanische Verfahren aufgebracht werden. In den meisten Anwendungsfällen wird die Standzeiterhöhung durch das Aufbringen von Hartstoffschichten wie z. 8* Karbiden, Nitriden oder Boritfen erreicht. Die erzielte'Standzeiterhöhung ist dabei vom konkreten Anwendungsfall abhängig. Nachteilig bei den bisher bekannten Schichten ist, daß sie zur Erhöhung der Standzeit nur einseitig durch eine'Härteerhöhung und der damit verbundenen Verschleißminderung wirken." Ein in zahlreichen Fällen benötigtes Schraierverhalten und damit eine Verbesserung des GleitverhaltensCharacteristic of the Known Technical Solutions It is generally known to apply layers to various materials by means of certain processes, which effects, for example, an increase in the service life and a reduction in the wear of tools, bearings or the like. These layers can be applied by CVD (chemical deposition from the gas phase), sputtering, ion plating, or by electrolytic methods. In most applications, the service life increase by the application of hard coatings such. 8 * carbides, nitrides or borites reached. The achieved increase in time depends on the specific application. A disadvantage of the hitherto known layers is that they act to increase the life only on one side by''Härteerhöhung and the associated reduction in wear. "In many cases required Schraierverhalten and thus improving the sliding behavior
, , -- ;' - , -. ' -: : ;. ;' ~_ 2 -' .· ' . , 11;JÄIi.1982*982.6i6 :, -; ' -, -. '- :: ; ; ' ~ _ 2 -'. · ' . , 11; JÄii.1982 * 982.6i6:
wird nicht erreicht. Nachteilig an den meisten bekann t-en Verfahren ist weiterhin eine erhebliche Temperaturbelastung der Substrate, die unter bestimmten Bedingungen unerwünschte Gefügeänderungen und Deformationen des ,Substrats bewirkt. Nachteilig sind ebenfalls bspw» beim 5"CVD-Verfahren, die verfahrensbedingten großen Schicht- ~_ "dicken "(größer 1 "jum bis zu mm"). und damit der erschwertewill not be reached. A disadvantage of most known t-en method is still a significant temperature load on the substrates, which causes undesirable structural changes and deformations of the substrate under certain conditions. Also disadvantageous, for example, in the case of the "5" CVD method, are the process-related large layer thicknesses (greater than 1 μm to up to mm inches) and thus make it more difficult
, Einsatz in bestimmten Gebieten des Werkzeug- und Maschinenbaus/ ^ ' " . . Λ ., Use in certain areas of the tool and mechanical engineering industry / ^ '".
Die DE-OS 15 21 325 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von verschleißfesten Gleitflächen mit guten w" Einlaufeigenschaften auf Werkstücke aus Eisen und Stahl, ' *bspw» Zylinder-Kolben, Nitridgehärtete Gleit flächen, insbesondere glimmnitrierte Gleitflächen haben eine sehr hohe Verschleißfestigkeit. Die"nitridgehärteten Gleitflächen, insbesondere ionitrierte Werkstücke aus Eisen und Stahl erhalten^bei diesem Verfahren an ihrer Oberfläche eine weichere Einlaufschicht von max. 0,01 mra Dicke· Diese weichere Einlauffläche wird erfindungsgemäß durch an sich bekannte Veredlungsverfahren, wie Galvanotechnik, Katodenzerstäubung oder Aufdampfen im Vakuum aufgebracht. Die ,. , weichere Oberflächenschicht nutzt sich vergleichsweise schneller ab und führt daher schon in kurzer Zeit zu einem guten Tragespiegel, bei dem die tragende Funktion auf die durchtretenden Partien der verschleißfesten gehärteten Schicht entfällt. ·> , . Nachteilig hi'erbei ist, daß durch die schnellere Ab- ·DE-OS 15 21 325 describes a method for obtaining wear-resistant sliding surfaces with good w "inlet properties on workpieces made of iron and steel, for example," cylinder pistons, nitride-hardened sliding surfaces, in particular, gnitrided sliding surfaces have a very high wear resistance. nitrided hardened sliding surfaces, in particular ionitized workpieces made of iron and steel, receive a softer inlet layer of max. 0.01 mah thickness · This softer inlet surface is applied according to the invention by known refinement process, such as electroplating, sputtering or vapor deposition in a vacuum. The ,. , Softer surface layer uses comparatively faster and therefore leads in a short time to a good wear level, in which the supporting function on the passing parts of the wear-resistant hardened layer accounts. ·>,. The disadvantage here is that the faster removal
- nutzung der weicheren Oberflächenschicht eine dauerhafte Verbesserung des Schmieryerhaltens nicht erreicht wird.- Use of the softer surface layer a lasting improvement of Schmieryerhaltens is not achieved.
Ein weiterer Nachteil ist die höhere Temperaturbelastung, ' was bei VVerkzeugen Gefügeänderungen und Verzug des Werk-Another disadvantage is the higher temperature load, which means that changes in the structure and distortion of the work
zeuges zur Folge haben kann. χ - ,can result in convincing. χ -,
In der DE-OS 15 21 370 ist ein Verfahren zur Herstellung 35~von Gleitoberflächen auf Stahlgegenständen beschrieben. . Bei diesem Verfahren wird der Stahlgegenstand zunächstIn DE-OS 15 21 370 a method for producing 35 ~ of sliding surfaces on steel objects is described. , In this method, the steel object is first
Λ ^ (Λ M α η Ί η . i\ €λ c\ γ* .4 γ* Λ ^ (Λ M α η Ί η. I \ λ λ c \ γ * .4 γ *
ganz oder teilweise mit einer wäßrigen Aluminiumbjlogenidlösung benetzt. Darauf wird ein Bronzepulver oder ein pulverförmiges Metallgemisch, welches beim Zusammensintern Bronze bildet, aufgebracht. Dieses wird durch Sinterung mit der Oberfläche verbunden» Auf diesem Haftgrund wird eine wäßrige Dispersion von Polytetrafluorethylen und einem abriebfesten Hetalloxyd aufgebracht, welches beim Erhitzen eine ganz oder teilweise vorhandene Gleitoberfläche, bildet» Die Dispersion kann zusätzlich BleimonoxydWholly or partially wetted with an aqueous Aluminiumbjlogenidlösung. Then a bronze powder or a powdered metal mixture, which forms bronze when sintered together, is applied. This is bonded to the surface by sintering »An aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene and an abrasion-resistant Hetalloxyd is applied to this primer, which forms a wholly or partially existing sliding surface when heated.» The dispersion can additionally Bleimonoxyd
oder Molybdänsulfid enthalten. v or molybdenum sulfide. v
Die bei diesem Verfahren entstandene ganz oder teilweise vorhandene Gleitfläche ist ebenfalls nicht in der Lage eine dauerhafte Verbesserung des Gleitverhaltens zu garantieren. Weitere Nachteile sind die damit verbundene geringere Standzeiterhöhung und die geringere Qualität der aufgebrachten Schichten.The resulting in this process wholly or partially existing sliding surface is also not able to guarantee a permanent improvement of the sliding behavior. Other disadvantages are the associated lower increase in service life and the lower quality of the applied layers.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, ein universell einsetzbares Hartstoff und FestkörperschmierstoffSchichtsystem, welches zu einer wesentlichen Standzeiterhöhung beiträgt, zu schaffen«The aim of the invention is to provide a universally applicable hard material and solid lubricant layer system, which contributes to a substantial increase in service life «
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Qer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe aufbringbares sehr dünnes Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem im nm-Bereich zu finden, das durch eine Härteerhöhung der Schichten bei gleichzeitiger Verminderung des Reibungskoeffizienten der Schichten zu einer Minderung des Verschleißes und Verbesserung der Gleiteigenschaften It is the object of the present invention to find a very thin hard material and solid lubricant layer system in the nm range which can be applied by sputtering to various metal materials, which by increasing the hardness of the layers while simultaneously reducing the coefficient of friction of the layers reduces wear and improves the sliding properties
£rfindungsgemäß\ wird dies dadurch erreicht ,daß der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur überlagert ist. Dabei ist die auf die Hart- -.' -.-.. β to ff schicht ohne Unterbrechung des Vakuums aufgesputterte Schicht bspw. Molybdändisulfid. Die Gesamtschichtdicke des Hartstoff und Festkörperschraierstoffschichtsystems liegtAccording to the invention, this is achieved by superimposing a layer with a hexagonal lattice structure on the layer of hard material applied first. It's on the hard -. ' -.- .. β to ff layer without interruption of the vacuum sputtered layer, for example molybdenum disulfide. The total layer thickness of the hard material and Festkörperschraierstoffschichtsystems is
im einem Bereich von 100 - 1000 nsuin a range of 100 - 1000 nsu
Ausführungsbeispielembodiment
Die erfindungsgemäße Lösung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· Es ist bekannt, mittels verschiedener Verfahren Hartstoffschichten auf verschiedene Metallwerkstoffe aufzubringen. Bei der erfindungsgemäSen Lösung ist nun der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur überlagert· Für das Aufbringen dieses Schichtsysteras wird das bekannte Hochfrequenzkatodenzerstäubungsverfanren (Sputtern) angewandt· Ira ZusammenhangThe solution according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. It is known to apply hard material layers to various metal materials by means of various methods. In the case of the solution according to the invention, the layer of hard material applied first is now superimposed on a layer with a hexagonal lattice structure. The known high-frequency catalase sputtering (sputtering) is applied for the application of this layer systerase
,mit diesem Verfahren siod speziell erarbeitete Vorreinigumgstechnologien erforderlich· Der vorbereitete Metallwerkstoff der bspw· ein Werkzeug, ein Lager o. ä, sein kann wird in der Vorbehandlung nach dem Spülen bspw· in ^Aceton in destilliertem Wasser zwischengespült, danach in einem zyanhaltigen Elektrolyten elektrolytisch entfettet und nach nochmaligen Spülen in destilliertem Wasser einer abschließenden Methanolspülung unterzogen. Diese Technologie ist Grundlage sämtlicher durchgeführter .Sputteryersuch.e. Neben dieser Vorreinigungstechnclogie werden die zu behandelnden Werkstoffe bspw. Substrate im Vakuum durch Ionenreinigung behandelt. Entsprechend der Größe des zu behandelnden Werkstoffes sind von Fall zu Fall verschiedene Ausgangswerte erf order lic tL»_JIn„einem Ausführungsbeispiel sind bspw. die Reinigungszeit t Rz = 10 min das Ausgangsvakuum P. = 5 χ 10 Torr, der Argondruck PAR = 2 χ 10 Torr, die Substratspannung U3 =0,5 KV und die Targetspannung U_ = 0,8 KV groß· Anschließend an das Ionenreinigen erfolgt in bekannter Weise das Aufbringen der Hartstoffschicht im nm-Bereich L durch Aufsputtern. Hierbei sind ebenfalls von der Größe des zu beschichtenden Werkstoffes abhängige von Fall zu\ Fall verschiedene Verfahrenswerte erforderlich» Dabei handelt es sich um das Ausgangsvakuum P' , den Argondruck PAR, die Targetspannung υ-, und die Beschichtungszeit t·For example, the prepared metal material, which may be a tool, a bearing, or the like, is rinsed in distilled water in the pretreatment after rinsing, for example, in acetone, then electrolytically in a cyanide-containing electrolyte degreased and after repeated rinsing in distilled water subjected to a final methanol rinse. This technology is the basis of all performed .Sputteryersuch.e. In addition to this Vorreinigungstechnclogie the materials to be treated, for example, substrates are treated in a vacuum by ion cleaning. Depending on the size of the material to be treated, different starting values are required on a case-by-case basis. For example, the cleaning time t Rz = 10 minutes the initial vacuum P. = 5 × 10 Torr, the argon pressure P AR = 2 × 10 Torr, the substrate voltage U 3 = 0.5 KV and the target voltage U_ = 0.8 KV large · Subsequently, the ion cleaning is carried out in a known manner, the application of the hard material layer in the nm range L by sputtering. Dependent on the size of the material to be coated, process values which are different from case to case are also required. These are the initial vacuum P ', the argon pressure P AR , the target voltage υ-, and the coating time t.
11 JAN, 1ä8:2*ä'8-2ö 16.11 JAN, 1ä8: 2 * ä'8-2ö 16.
In einem Ausführungsbeispiel sind diese Werte P. = 5 χ "" ΙΟ"5 Torr, PAR - 8 χ 10"2 Torr, U7 = 0,5 KV und t =30 min groß· Die erhaltene Schichtdicke ist bspw. von der Größe des Argondruckes P.R und dem Substrat-Target-Abstand abhangig. Die Hartstoffschicht kann bspw, Titancarbid (TiC) sein» Unmittelbar nach dem Aufsputtern der Hartstoffschicht wird nun ohne Unterbrechung des Vakuums eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur auf die-. Hart-. Stoffschicht äufgesputtert. Diese Schicht kann bspw.In one embodiment, these values are P. = 5 χ "" ΙΟ "5 Torr, P AR - 8 χ 10" 2 Torr, U 7 = 0.5 KV and t = 30 min · large, the layer thickness is obtained for example from the. Size of the argon pressure P. R and the substrate-target distance dependent. The hard material layer can, for example, be titanium carbide (TiC). "Immediately after the sputtering of the hard material layer, a layer with a hexagonal lattice structure is now applied to the vacuum without interruption of the vacuum. Hard-. Fabric layer sputtered on. This layer can, for example.
Molybdandisulfid (MOS2) sein und die Schichtdicke bewegt sich ebenfalls im nm-Bereich. DiTe Gesamtschichtdicke desSystems liegt im Bereich von 100 - 1000 nm. In dem ) ^angeführten Äusführungsbeispiel betragen die für das Aufsguttern der zweiten Schicht notwendige Verfahrens-Molybdenum disulfide (MOS 2 ) and the layer thickness also moves in the nm range. The total layer thickness of the system is in the range of 100-1000 nm. In the example given, the process steps necessary for the second layer to be supercharged are
15'werte PAü - 5 χ 10~5 Torr, PAR = 2.x ΙΟ"3 Torr, υχ = 0,7 KV und die Beschichtungszeit t ebenfalls 30 min, sind aber auch entsprechend der Größe des Werkstückes von Fall zu Fall verschieden15 'P Aü - 5 χ 10 ~ 5 Torr, P AR = 2.x ΙΟ " 3 Torr, υ χ = 0.7 KV and the coating time t also 30 min, but are also according to the size of the workpiece from case to Case different
Durch das Aufbringen einer Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur auf die Hartstoffschicht wird erreicht, daS zu der mit der Hartstoffschicht erreichten Härte eine Verminderung des Reibungskoeffizienten kommt, also praktisch die Schmier- und Gleitwirkung erhöht wird. Mit dem aufgebrachten Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem, daß im angeführten Ausführungsbeispiel bspw. / TiC-MOS2 ist, wird der Vorteil der erhöhten Härte mit einer Verbesserung des Gleitverhaltens verbunden. Dadurch ist es den bisher bekannten Schichten hinsichtlich Standzeiterhöhung, Güte der Schicht, niedriger Teraperaturbelastung und Verminderung des Verschleißes weit überlegen. Das Gleitverhalten und die Lebensdauer rei- , bungsbeanspruchter Bauteile wird wesentlich verbessert. Das Aufbringen des erfindungsgemäßen Schichtsystems mittels Sputtern ruft auf Grund der geringen Temperaturbelastung des Substrates keine Gefügeänderungen im Substrat hervor und die Schichtdicke des Systems liegt unter dem für den Präzissionswerkzeugbau üblichen Toleranzen· Es werden sehr dünne Schichten erreicht. By applying a layer with a hexagonal lattice structure on the hard material layer is achieved that to the hardness achieved with the hard material layer, a reduction of the friction coefficient comes, so practically the lubricating and sliding effect is increased. With the applied hard material and solid lubricant layer system that, for example, in the cited embodiment. / TiC-MOS 2 , the advantage of increased hardness is associated with an improvement in the sliding behavior. As a result, it is far superior to the previously known layers in terms of increase in service life, quality of the layer, low teraperaturbelastung and reduction of wear. The sliding behavior and the service life of friction-stressed components is substantially improved. The application of the layer system according to the invention by means of sputtering causes due to the low temperature stress of the substrate no structural changes in the substrate and the layer thickness of the system is below the usual tolerances for Präzisionswerkzeugbau tolerances · Very thin layers are achieved.
Das erflndungsgemaße Schichtsystem .kann dadurch in allen Bereichen des Hochleistungswerkzeugbaus und in einigen Bereichen des Maschinenbaus sowie bei der Verbesserung der Lagereigenschaften, insbesondere bei hochbeanspruch-.The erflndungsgemaße layer system. Can be characterized in all areas of high performance tooling and in some areas of mechanical engineering and in the improvement of the storage properties, especially at hochbeanspruch-.
ten Lagern mit Erfolg zur Anwendung kommen· Weitere Vorteile sind der geringere Verschleiß und die auf Grund seiner Struktur universelle Einsetzbarkeit dieses Systems, was mit einer breiten Anwendungsvielfalt ver-Other advantages are the lower wear and the universal applicability of this system due to its structure, which offers a wide variety of applications.
. bunden ist· ' .^ -; ' - -: -: , " " " .' .; '., is bound · '. ^ -; '- -: -:, """..;'.
11.JAN19d2*ö82bl611.JAN19d2 * ö82bl6
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-
1981
- 1981-11-02 DD DD23453581A patent/DD202898A1/en unknown
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Legal Events
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| RPV | Change in the person, the name or the address of the representative (searches according to art. 11 and 12 extension act) |