DD255446A3 - HARD COAT WITH HIGH WEAR RESISTANCE AND DECORATIVE BLACK OWN COLOR - Google Patents
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Abstract
Hartstoffschicht mit hoher Verschleissfestigkeit und dekorativ schwarzer Eigenfarbe finden besondere Verwendung zu dekorativen Zwecken und auch bei Schneid- und Formwerkzeugen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung plasmagestuetzter Beschichtungsverfahren ein Schichtsystem zu entwickeln, welches als schwarze Hartstoffschicht Zwischenschichten und eine Deckschicht aufweist, bei der die aeusseren Druck- und Scherkraefte ohne Stoerung der Schicht aufgenommen werden. Erfindungsgemaess wird zur Loesung der Aufgabe ein Schichtsystem vorgeschlagen, bei dem eine Schicht eines Elementes der IV a, V a Gruppe des PSE abgeschieden wird, darauf eine Nitridschicht des gleichen Elementes und in der Folge eine Karbidschicht dieses Elementes. Als Deckschicht wird unmittelbar darauf eine harte Kohlenstoffschicht aufgebaut, die ein dekorativ schwarzes Aussehen aufweist. Wenn in der abschliessenden Kohlenstoffschicht noch TiC-Anteile belassen werden, wird eine Anthrazit-Farbe erzielt.Hard material layer with high wear resistance and decorative black inherent color find special use for decorative purposes and also in cutting and forming tools. The invention has for its object to develop using plasma-assisted coating process, a layer system which has intermediate layers and a cover layer as a black hard material layer, in which the outer pressure and shear forces are taken without disturbing the layer. According to the invention, a layer system is proposed to solve the problem, in which a layer of an element of the IV a, V a group of the PSE is deposited, then a nitride layer of the same element and subsequently a carbide layer of this element. As a cover layer immediately after a hard carbon layer is built up, which has a decorative black appearance. If TiC contents are left in the final carbon layer, an anthracite color is achieved.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hartstoffschicht mit hoher Verschleißfestigkeit und dekorativ schwarzer Eigenfarbe. Derartige Schichten finden besondere Verwendung zu dekorativen Zwecken. Als Beispiele sind bekannt geworden Uhrengehäuse und Armbänder, Bedienelemente von Konsumartikeln und auch Stoßstangen an Kraftfahrzeugen. Entsprechend der nutzbaren Härte kann der Einsatz auch zur Verschleiß-und Korrosionsminderung, z.B. bei Schneid-und Formwerkzeugen erfolgen.The invention relates to a hard material layer with high wear resistance and decorative black intrinsic color. Such layers find particular use for decorative purposes. As examples have become known watch cases and bracelets, controls of consumer goods and bumpers on motor vehicles. Depending on the usable hardness, the insert may also be used to reduce wear and corrosion, e.g. done with cutting and forming tools.
Neben anderen bekannten Lösungen, z.B. galvanische Verfahren, haben sich in neuerer Zeit insbesondere physikalische Abscheidungsverfahren, wie Sputtern oder lonplating durchgesetzt. In der EP 0130754 wird eine dekorative Kohlenstoffschicht und ein Verfahren beschrieben. Danach wird durch sputtern eines Kohlenstoff-Targets eine ungeordnete Kohlenstoffschicht abgeschieden, deren Eigenfarbe schwarz ist. Zusätzlich ist vorgesehen eine Schutzschicht, z. B. Polymethan, aufzubringen. Diese Schichten haben bekannterweise jedoch eine ungenügende Haftfestigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit. Des weiteren kann es bei metallischen Substraten zu unerwünschten Randaufkohlungen während der Schichtabscheidung kommen. Die Anwendung derartiger Schichten für funktionell Zwecke ist weitgehend ausgeschlossen.Among other known solutions, e.g. Galvanic methods have been enforcing in recent time, in particular physical deposition methods, such as sputtering or ion plating. EP 0130754 describes a decorative carbon layer and a method. Thereafter, by sputtering a carbon target, a disordered carbon layer is deposited whose intrinsic color is black. In addition, a protective layer, for. B. polymethane, apply. However, these layers are known to have insufficient adhesive strength, hardness and corrosion resistance. Furthermore, in the case of metallic substrates, undesirable edge carburization may occur during the layer deposition. The application of such layers for functional purposes is largely excluded.
Zur Verbesserung der Haftfestigkeit des Beschichtungmaterials ist es, z. B. in der JP 57-200557, bekannt geworden, daß geeignete Zwischenschichten zwischen der Deckschicht und dem Substrat aufgebracht werden. Im Beispiel ist es eine Titan-Zwischenschicht und eine Titancarbid-Deckschicht. Die TiC-Deckschicht hat eine anthrazitgraue Eigenfarbe. Ein reines schwarz ist nicht zu realisieren.To improve the adhesion of the coating material is, for. For example, in JP 57-200557, it has become known that suitable intermediate layers are applied between the cover layer and the substrate. In the example, it is a titanium intermediate layer and a titanium carbide topcoat. The TiC cover layer has an anthracite gray inherent color. A pure black can not be realized.
Die EP 0087836 schlägt eine mit chemischen oder physikalischen Abscheidungsverfahren aufgebrachte Gleitschicht vor, die aus einer Mischung von Kohlenstoff und einem Metall besteht, wobei ausdrücklich kein Karbid gebildet wird. Das verwendete MetalL wird auch als haftvermittelnde Zwischenschicht eingesetzt. Diese Schichten weisen insbesondere gute Gleiteigenschaften gegenüber Stahl auf. Die Härte der Schicht ist gegenüber einer Hartstoff schicht relativ gering. Zur Eigenfarbe werden keine Angaben gemacht.EP 0087836 proposes a sliding layer applied by chemical or physical deposition methods which consists of a mixture of carbon and a metal, in which case no carbide is expressly formed. The metal used is also used as an adhesion-promoting intermediate layer. These layers have in particular good sliding properties compared to steel. The hardness of the layer is relatively low compared to a hard material layer. For own color no information is given.
Die angeführten Lösungen geben jeweils spezifische Teillösungen an, ohne, daß „die schwärze Hartstoffschicht", die gleichermaßen dekorative wie funktionelle Aufgaben löst, gefunden wurde.The solutions given give specific partial solutions, without that "the black hard material layer", which dissolves both decorative and functional tasks was found.
Die Erfindung hat das Ziel, eine dekorativ schwarze und verschleißfeste Hartstoff schicht, insbesondere für Substratmaterialien, die niedrige Abscheidungstemperaturen erfordern, zu schaffen.The invention aims to provide a decorative black and wear-resistant hard material layer, in particular for substrate materials which require low deposition temperatures.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung plasmagestützter Beschichtungsverfahren ein Schichtsystem zu entwickeln, welches als schwarze Hartstoffschicht Zwischenschichten und eine Deckschicht aufweist, bei der die äußeren Druck- und Scherkräfte ohne Störung der Schicht aufgenommen werden.The invention has for its object to develop using plasma-assisted coating process, a layer system which has intermediate layers and a cover layer as a black hard material layer, in which the external pressure and shear forces are absorbed without disturbing the layer.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Schichtsystem vorgeschlagen, bei dem auf das gereinigte Substrat eine ansich bekannte haftvermittelnde Schicht eines Elementes der IVa, Va Gruppe des PSE abgeschieden wird, darauf eine Nitridschicht des gleichen Elementes und in der Folge eine Karbidschicht des Elementes. Diese Kombination hat die Funktion einer haftvermittelnden Zwischenschicht und des Aufbaus der eigentlichen „Hartstoff'-Schicht. Als Deckschicht wird unmittelbar darauf eine Kohlenstoffschicht aufgebaut. Die Kohlenstoffschicht kann auch noch eingelagerte Kristallite von Karbiden, des die Zwischenschicht bildenden Elements, aufweisen.According to the invention, a layer system is proposed for solving the problem, in which a per se known adhesion-promoting layer of an element of the IVa, Va group of the PSE is deposited on the cleaned substrate, then a nitride layer of the same element and subsequently a carbide layer of the element. This combination has the function of an adhesion-promoting intermediate layer and the structure of the actual "hard material" layer. As a cover layer, a carbon layer is built up immediately thereafter. The carbon layer may also have embedded crystallites of carbides, the intermediate layer-forming element.
Entsprechend des Zieles und der Aufgabe der Erfindung wird eine Schichtabscheidung durchgehend mit dem Verfahren der plasmagestützten Schichtabscheidung durchgeführt. Dadurch können die Abscheidungstemperaturen gering gehalten, werden (weniger als 5000C) und nur unter Einwirkung von Ionen ist es möglich, eine „harte" Kohlenstoffmatrix herzustellen.According to the object and the object of the invention, a layer deposition is carried out continuously with the method of plasma-assisted layer deposition. As a result, the deposition temperatures can be kept low (less than 500 ° C.) and it is only under the action of ions that it is possible to produce a "hard" carbon matrix.
Zur Erläuterung wird das Schichtsystem nachfolgend detailiert beschrieben. Mit der ersten Komponente der Zwischenschichten, der Aufbringung einer Schicht eines Elementes der IVa, Va-Gruppe des PSE (Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal) wird eine gute Haftung zu den meist metallischen Substraten hergestellt und gleichzeitig in bekannter Weise eine Diffusionsbarriere, für gegebenenfalls aus dem Substratwerkstoff heraus diffundierende oder auch aus den aufzubauenden Schichten hinein diffundierende Bestandteile, zu schaffen. In erster Linie hat sich dafürTitan bewährt, da sich von Titan auch gut Nitride und Karbide bilden lassen, die im weiteren Schichtaufbau folgen.For explanation, the layer system will be described in detail below. With the first component of the intermediate layers, the application of a layer of an element of the IVa, Va group of the PSE (titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium or tantalum) a good adhesion to the most metallic substrates is prepared and at the same time in a known manner Diffusion barrier, for possibly diffusing out of the substrate material or even from the layers to be built in diffusing constituents to create. In the first place, titanium has proved to be successful, since titanium also makes it easy to form nitrides and carbides, which follow in the further layer structure.
Die Dicke dieser Metall-Elementenschicht liegt zwischen 50 und 500 nm und wird in erster Linie vom Element selbst und vom Werkstoff des Substrates bestimmt.The thickness of this metal element layer is between 50 and 500 nm and is determined primarily by the element itself and by the material of the substrate.
Unmittelbar nach der Ausbildung der Elementenschicht, d.h. ohne, daß die Möglichkeit der Fremdschichtbildung, z. B. Oxidbildung, gegeben ist, erfolgt der Aufbau der ersten Hartstoffschicht aus dem Nitrid des die erste Komponente der Zwischenschicht bildenden Elementes. Diese Schicht hat die Aufgabe Spannungen, die innerhalb des Schichtsystems durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoefizienten entstehen können, auszugleichen. Dadurch ist der Aufbau einer relativ dicken, durch ihre Härte und thermische Stabilität bekannten Karbidschicht, wiederum aus dem die erste Zwischenschicht bildenden Elementes, möglich, ohne daß Haftungsprobleme der Zwischenschicht auftreten, die nur durch die Anwenung relativ hoher Substrattemperaturen beseitigt werden könnten. Die in Abhängigkeit von dem die Zwischenschicht bildenden Element und der für die spezielle Art des Einsatzes des Schichtsystems erforderlichen Schichtdicken liegen diese bei bei 100 bis 1 500 nm für die Nitrid- und 200bis3000nmfürdie Karbidschicht.Immediately after the formation of the element layer, i. without that the possibility of foreign layer formation, z. As oxide formation is given, the structure of the first hard material layer of the nitride of the first component of the intermediate layer forming element takes place. This layer has the task of compensating for stresses that can arise within the layer system due to different thermal expansion coefficients. This makes it possible to build up a relatively thick carbide layer, known for its hardness and thermal stability, again from the first interlayer-forming element, without the adhesion problems of the interlayer occurring, which could be eliminated only by the application of relatively high substrate temperatures. Depending on the intermediate layer-forming element and the layer thickness required for the particular mode of use of the layer system, these are at 100 to 1500 nm for the nitride and 200 to 3000 nm for the carbide layer.
Die hohe Härte der Karbidschicht garantiert eine hohe Abriebfestigkeit des durch die Nitridschicht stabilisierten Verbundes. Gegenüber einer direkt auf die Unterlage bzw. die haftvermittelnde Diffusionsbarriere aufgetragenen Karbidschicht ist die Haftfestigkeit wesentlich erhöht und es gestattet eine Erhöhung der Schichtdicke, ohne Abplatzungen unter mechanischer Belastung befürchten zu müssen.The high hardness of the carbide layer guarantees a high abrasion resistance of the composite stabilized by the nitride layer. Compared with a carbide layer applied directly to the substrate or the adhesion-promoting diffusion barrier, the adhesion is substantially increased and it is possible to increase the layer thickness without fear of flaking under mechanical stress.
Nach Ausbildung dieses Zwischenschichtsystemes — Diffusionsbarriere und Haftvermittlung — Spannungsausgleich — Hartstoffschicht — wird in unmittelbarer Prozeßführung als Deckschicht eine Kohlenstoffschicht abgeschieden. Wichtig ist die Wirkung von Ionen, die die Ablagerung eines harten Kohlenstoff bewirken, oft wird in derartigen Fällen von „diamond-like carbon" oder „iC-Schichten" gesprochen.After the formation of this interlayer system - diffusion barrier and adhesion - stress compensation - hard material layer - a carbon layer is deposited in direct process control as a cover layer. Important is the effect of ions that cause the deposition of a hard carbon, often in such cases of "diamond-like carbon" or "iC layers" spoken.
Eine Weiterentwicklung der Schicht, die maßgeblich vom Einsatzzweck der Schicht und dem verwendeten Element abhängt, beinhaltet die Ausbildung einer Kohlenstoffschicht mit allmählich steigendem Kohlenstoffgehalt, ohne daß die Ausbildung von Karbid-Kristalliten innerhalb der Kohlenstoffmatrix verzichtet wird.A further development of the layer, which depends essentially on the intended use of the layer and the element used, involves the formation of a carbon layer with a gradually increasing carbon content, without the formation of carbide crystallites within the carbon matrix being dispensed with.
Die erfindungsgemäße Schicht, bzw. das Schichtsystem, weist eine dekorative schwarze Eigenfarbe auf. Bei noch eingelagerten TiC-Anteilen in der abschließenden Kohlenstoffschicht, sowie in Abhängigkeit von dem die Zwischenschicht bildenden Element, sind Farbstufungen zwischen tiefschwarz und anthrazit realisierbar, ohne daß die mechanischen Eigenschaften des Schichtsystem verloren gehen.The layer according to the invention or the layer system has a decorative black inherent color. With TiC portions still embedded in the final carbon layer, and depending on the element forming the intermediate layer, color gradations between deep black and anthracite can be realized without losing the mechanical properties of the layer system.
Der eigentliche Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, daß die dekorativ schwarze Eigenfarbe mit der hohen Verschleißfestigkeit der Hartstoffschicht kombiniert ist.The real advantage of the proposed solution is that the decorative black inherent color is combined with the high wear resistance of the hard material layer.
Die Anwendung der PVD-Verfahren (physical vapor deposition) hat sich als besonders günstig erwiesen, da hierbei der besondere Vorteil der relativ geringen Abscheidungstemperatur wirksam wird und keine Schädigung des Substratmaterials auftreten.The application of the PVD method (physical vapor deposition) has proved to be particularly favorable, since in this case the particular advantage of the relatively low deposition temperature is effective and no damage to the substrate material occur.
Beim Einsatz des Schichtsystems für hohe Verschleißbelastungen, z. B. bei Schneid- und Formwerkzeugen, hat die Deckschicht noch die besondere vorteilhafte Wirkung, daß der Kohlenstoff sehr gute Gleiteigenschaften aufweist. Auf der „tragenden" Unterlage der Nitrid-Karbid-Hartstoffschicht, die die wesentlichen mechanischen Druckbelastungen aufnimmt, realisiert die harte Kohlenstoffschicht eine wesentliche Senkung der Reibwerte. Mit zunehmendem Verschleiß, z. B. eines Werkzeuges hat das erfindungsgemäße Schichtsystem, gegenüber den bekannten Hartstoffschichten mit Einfachschichten, noch den weiteren Vorteil, daß nach Verschleiß der harten Kohlenstoffschicht mit Karbid-Kristalliten noch die Karbidschicht und später die Nitrid-Schicht als Hartstoffschicht wirkt.When using the layer system for high wear loads, z. As in cutting and forming tools, the top layer still has the particular beneficial effect that the carbon has very good sliding properties. The hard carbon layer realizes a significant reduction in the coefficients of friction on the "supporting" base of the nitride-carbide hard-material layer, which absorbs the significant mechanical pressure loads Single layers, still the further advantage that after wear of the hard carbon layer with carbide crystallites nor the carbide layer and later the nitride layer acts as a hard material layer.
Nachfolgend soll die Erfindung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to three exemplary embodiments.
Ein Armbanduhrengehäuse aus nichtrostendem Stahl, z.B. X 10 Cr Ni 18.10, soll mit einer abriebfesten, dekorativ schwarzen Schicht versehen werden. Mittels Bogenentladungsverdampferwird in einem PVD-Verfahren das folgende Schichtsystem abgeschieden:A wrist watch case made of stainless steel, e.g. X 10 Cr Ni 18.10, should be provided with an abrasion-resistant, decorative black layer. By means of an arc discharge evaporator, the following layer system is deposited in a PVD process:
Während des gesamten Prozesses wurde die Verdampfung des Titan nicht unterbrochen und lediglich die Reaktionskomponenten Stickstoff und Kohlenstoff durch Änderung des Gasstromes variiert. Fremdschichten, insbesondere sauerstoffhaltige, werden verfahrensbedingt vermieden. Die Deckschicht weist einen Anteil von TiCx in der iC-Matrix von ca. 10Gew.-% auf und bewirkt eine dunkle anthrazitfarbene Eigenfarbe. Die Schicht ist abriebfest, beständig gegenüberDuring the entire process, the evaporation of the titanium was not interrupted and only the reaction components nitrogen and carbon varied by changing the gas flow. Foreign layers, in particular oxygen-containing, are avoided due to the process. The cover layer has a proportion of TiC x in the iC matrix of about 10% by weight and causes a dark anthracite-colored inherent color. The layer is resistant to abrasion, resistant to
synthetischem Schweiß und neigt auch bei Beanspruchungen wie Schlag oder Stoß nicht zu Abplatzungen. Die Härte beträgt HV 0,02 = 3800kpmrrT2. Der Reibungskoeffizient gegenüber Stahl μ = 0,023.Synthetic sweat and does not tend to chipping even under conditions such as impact or impact. The hardness is HV 0.02 = 3800kpmrrT 2 . The coefficient of friction with respect to steel μ = 0.023.
Ähnlich dem Beispiel 1 soll auf einem gleichartigen Armbanduhrengehäuse statt einer anthrazitfarbenen Beschichtung eine tiefschwarze Beschichtung erfolgen. Dazu wird in äquivalenter Weise eine Schicht gemäß Beispiel 1 aufgebaut. Die Kohlenwasserstoffschicht mit einem TiCx-Anteil von 10 Gew.-% wird dabei mit einem Bogenstrom von 200 A und einer Brennspannung von 36V abgeschieden. Der Reaktivgasdruck für C2H2 liegt bei 3... 6 = 10"2Pa und die Substratspannung beiSimilarly to Example 1, a deep black coating is to be carried out on a similar wrist watch case instead of an anthracite-colored coating. For this purpose, a layer according to Example 1 is constructed in an equivalent manner. The hydrocarbon layer with a TiC x content of 10 wt .-% is thereby deposited with a arc current of 200 A and a burning voltage of 36V. The reactive gas pressure for C 2 H 2 is at 3 ... 6 = 10 " 2 Pa and the substrate voltage at
Durch Veränderung des den Bogen führenden Magnetfeldes wird dann die Bogenlänge erhöht und die Brennspannung steigtauf einen Wert von 48V an, wobei der Bogenstrom geregelt ist. Gleichzeitig werden die Kathode des Verdampfers und Substrate gleichspannungsmäßig miteinanderverbunden und es bildet sich eine HF-Plasmaschwingung aus.By changing the magnetic field leading to the arc, the arc length is then increased and the burning voltage increases to a value of 48V, with the arc current regulated. At the same time, the cathode of the evaporator and substrates are interconnected in the same DC voltage and it forms an RF plasma oscillation.
Durch Absenken des Bogenstromes auf ca. 100A scheidet sich an den Substraten eine Schicht ab, die anfangs innerhalb der Kohlenstoffmatrix ca. 8Atom-% Titankarbid aufweist und nach einer Abscheidungszeit von 15 Minuten im wesentlichen eine reine Kohlenstoffschicht ist.By lowering the arc current to about 100A, a layer deposits on the substrates, which initially has about 8 atomic% titanium carbide within the carbon matrix and after a deposition time of 15 minutes is essentially a pure carbon layer.
Diese Kohlenstoffschicht besitzt eine tiefschwarze Eigenfarbe. Sie hat eine Dicke von Ο,δμ,ιη, ist elektrisch isolierend und chemisch beständig, insbesondere auch gegenüber künstlichem Schweiß. Ihr Glanz entspricht dem Oberflächenzustand der als Unterlage dienenden Nickelschicht.This carbon layer has a deep black inherent color. It has a thickness of Ο, δμ, ιη, is electrically insulating and chemically resistant, especially against artificial sweat. Their gloss corresponds to the surface condition of the nickel layer serving as a base.
Die hohe Beanspruchung von Spiralbohrern bei der Leiterplattenfertigung aus faserverstärkten Schichtpreßstoffen führt zu einer geringen Standzeit derselben, der durch den Einsatz von Hartmetall nur unbefriedigend begegnet werden konnte. Insbesondere führen hohe Reibungskräfte zwischen dem Bohrerund dem Leiterplattenmaterial zur Ausbildung rauherund unsauberer Bohrungskonturen, da sich der Plastwerkstoff auf den Bohrer aufträgt. Bisherige Versuche, derartige Bohrer mit einer direkt auf den Hartmetall-Grundkörper aufgebrachten iC-Schicht gegen Verschleiß zu schützen, schlagen wegen ungelöster Haftungsprobleme fehl. Um diesen Mängel zu beseitigen, wurde das folgende Schichtsystem aufgebaut:The high stress of twist drills in printed circuit board production from fiber-reinforced laminates leads to a short service life of the same, which could be met only unsatisfactorily by the use of carbide. In particular, high frictional forces between the drill and the circuit board material result in the formation of rough and dirty bore contours, as the plastic material is applied to the drill. Previous attempts to protect such drills with an applied directly on the hard metal base body iC layer against wear, fail because of unresolved adhesion problems. In order to eliminate these shortcomings, the following layer system was set up:
Die Härte der derart abgeschiedenen Schicht lag bei HV50 4500 kpmm 2. Der Reibungskoeffizient wurde zu 0,020 gegenüber Stahl ermittelt. Um die Abplatzungen deriC-TiCx-von derTiCx-Schichtzu verhindern, wurde mit einem allmählichen Anstieg des iC-Anteils gearbeitet, so daß sich innerhalb einer Schichtdicke von 300 nm eine C-Gradient ausbildet. Die äußerste noch 200 nm dicke Schicht besitzt dann mit 25Gew.-% TiCx und 75Gew.-% iC ein homogenes Mischungsverhältnis. Die Standzeit der Spiralbohrer konnte wesentlich gesteigert werden.The hardness of the layer deposited in this way was HV 50 4500 kpmm 2 . The coefficient of friction was found to be 0.020 versus steel. In order to prevent the chipping of the iC TiC x from the TiC x layer, a gradual increase in the iC content was used, so that a C gradient forms within a layer thickness of 300 nm. The outermost 200 nm thick layer then has a homogeneous mixing ratio with 25 wt% TiC x and 75 wt% iC. The service life of the twist drills has been significantly increased.
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