DD260524A1

DD260524A1 - FRICTION-FREE, WEAR-FREE AND SELF-LUBRICATING SURFACE COATING

Info

Publication number: DD260524A1
Application number: DD30285187A
Authority: DD
Inventors: Guenter Dd Hecht; Hartmut Dd Kupfer; Eckehardt Dd Ackermann; Gerit Dd Kampfrath
Original assignee: Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,Dd
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1987-05-18
Publication date: 1988-09-28

Abstract

Reibungsarme, verschleissmindernde und selbstschmierende Oberflaechenbeschichtungen werden vor allem bei Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie bei durch Abrieb beanspruchten Oberflaechen technischer Gebilde, wie z. B. Kontakte, eingesetzt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die Oberflaechenbeschichtung aus einer mittels Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellten Schichtfolge aus Hartstoffschichten der Dicke 10 nm bis 1 000 nm und Schichten organischer Stoffe der Dicke 1 nm bis 100 nm oder einer Dispersionsschicht aus beiden Stoffen besteht, und eine Gesamtdicke zwischen 500 nm und 1 mm aufweist.Low-friction, wear-reducing and self-lubricating surface coatings are mainly used for sliding mating, rolling and sliding bearings as well as abrasion-stressed surfaces of technical structures, such. As contacts used. According to the invention, the object is achieved by the surface coating consisting of a layer sequence produced by vacuum coating processes of hard material layers of thickness 10 nm to 1000 nm and layers of organic substances of thickness 1 nm to 100 nm or a dispersion layer of both materials, and a total thickness of between 500 nm and 1 mm.

Description

Application of the invention

Reibungsarme, verschleißmindernde und selbstschmierende Oberflächenbeschichtungen werden vor allem bei Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie bei durch Abrieb beanspruchten Oberflächen technischer Gebilde, wie z. B. Kontakte, eingesetzt.Low-friction, wear-reducing and self-lubricating surface coatings are mainly in sliding mating, rolling and sliding bearings as well as in abrasion-stressed surfaces of technical structures, such. As contacts used.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt sind selbstschmierende metallische Dispersionsüberzüge, in die organische Teilchen solcher Stoffe eingelagert werden, die Schmiereigenschaften besitzen. Die Abscheidung der Metalle erfolgt galvanisch oder stromlos aus wäßrigen Lösungen, in denen die organischen Teilchen suspendiert sind und in die wachsende Schicht eingebaut werden. In der DE-OS 3333121 wird über den Einbau von PTFE bzw. (CF)_n in Nickel berichtet, wobei die Korngröße der organischen Teilchen bei 500 nm liegen soll. Damit die Agglomerisation der Teilchen verhindert und der Einbau von Teilchen mit einer Größe < 1 /im ermöglicht wird, müssen aber in den Bädern hoheiSchergeschwindigkeiten (10 ms"¹ bis 60 ms'¹) aufrechterhalten werden. In DE-OS 3407283 wird über den Einbau von (Meth)-Acrylat- bzw. (Meth)-Acrylat-Styrol Copolymer-Teilchen in Chromatierschichten auf Zink- und Cadmiumoberflächen berichtet, wobei die Korngrößen der organischen Teilchen Ο,ΐμηι betragen. Auch andere Feststoffschmiermittel sind bekannt geworden. So wird in DE-OS 3032469 über den Einbau von Graphitteilchen in Goldschichten berichtet, die elektrolytisch abgeschieden werden. In der DE-OS 3328067 werden Edelmetall und edelmetallhaltige Dispersionsüberzüge genannt, die ebenfalls Graphitteilchen enthalten.Self-lubricating metallic dispersion coatings are known in which organic particles of such substances are stored, which have lubricating properties. The deposition of metals is carried out galvanically or electrolessly from aqueous solutions in which the organic particles are suspended and incorporated into the growing layer. In DE-OS 3333121 is reported on the incorporation of PTFE or (CF) _n in nickel, wherein the grain size of the organic particles should be at 500 nm. In order to prevent the agglomeration of the particles and to allow the incorporation of particles with a size <1 / im, however, high shear rates (10 ms ^-1 to 60 ms ^-1 ) must be maintained in the baths of (meth) acrylate or (meth) acrylate-styrene copolymer particles in chromating layers on zinc and cadmium surfaces, the particle sizes of the organic particles being Ο, ΐμηι, and other solid lubricants have become known No. 3,032,469 reports on the incorporation of graphite particles into gold layers which are deposited electrolytically. DE-OS 3328067 mentions noble metal and noble metal-containing dispersion coatings which likewise contain graphite particles.

Ein schwer zu beherrschendes Problem stellt in all diesen Fällen die Verhinderung der Agglomeration des feindispersiven Feststoffes dar. Dazu sind entweder aufwendige Badbewegungen (DE 3333121) notwendig oder zusätzliche Suspensionsstabilisatoren (DE 3313871). Aufgrund der bisher eingesetzten galvanischen und stromlosen naßchemischen Verfahren sind als Matrixmaterial Metalle und Metallegierungen benutzt worden.A problem that is difficult to control in all these cases is the prevention of the agglomeration of the finely dispersible solid. For this either expensive bath movements (DE 3333121) are necessary or additional suspension stabilizers (DE 3313871). Due to the previously used galvanic and electroless wet chemical processes metals and metal alloys have been used as matrix material.

Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, die Reibung und den Verschleiß der Oberflächen von Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie von anderen technischen Gebilden wesentlich zu erniedrigen.It is the object of the invention to significantly reduce the friction and wear of the surfaces of sliding mating, rolling and sliding bearings as well as other technical structures.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, reibungsarme, verschleißmindernde und selbstschmierende Oberflächenbeschichtungen mittels Vakuumbeschichtungsverfahren und unter Verwendung organischer Stoffe bereitzustellen.The object of the invention is to provide low-friction, wear-reducing and self-lubricating surface coatings by means of vacuum coating methods and using organic substances.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Oberflächenbeschichtung aus einer mittels Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellten Schichtfolge aus Hartstoffschichten der Dicke 10nm bis 1 /im und Schichten organischer Stoffe der Dicke 1 nm bis 100nm oder einer Dispersionsschicht aus beiden Stoffen besteht, und die Oberflächenbeschichtung eine Gesamtschichtddicke von 500nm bis 1 mm aufweist.According to the invention, the object is achieved in that the surface coating consists of a layer sequence produced by vacuum coating processes of hard material layers of thickness 10 nm to 1 μm and layers of organic substances of thickness 1 nm to 100 nm or a dispersion layer of both materials, and the surface coating has a total layer thickness of 500 nm to 1 mm.

Als Materialien für die Hartstoffschicht, die wie eine Matrix wirkt, eignen sich vor allem Edelstahle, Nickel, Nickelchrom, Ferrochrom sowie die bekannten Hartstoffe in Form von Nitriden, Oxiden, Carbiden, Boriden und deren Mischverbindungen.As materials for the hard material layer, which acts as a matrix, are especially stainless steels, nickel, nickel chromium, ferrochrome and the known hard materials in the form of nitrides, oxides, carbides, borides and their mixed compounds.

Diese werden vor allem durch die Vakuumverdampfung, die lonenzerstäubung, die Niederdruck-CVD, die Plasma-CVD sowie die Pa-PVD (plasma assisted-PVD) abgeschieden. Die eingelagerten organischen Partikel, die beispielsweise aus PolymerenThese are mainly deposited by vacuum evaporation, ion sputtering, low-pressure CVD, plasma CVD and Pa-PVD (plasma assisted PVD). The embedded organic particles, for example, polymers

bestehen, werden durch Plasmapolymerisation im Gasraum erzeugt und in die wachsende Schicht eingebaut. Die organischen Schichten, die mit dem Matrixmaterial ein Mikrolaminat bilden, können durch Vakuumverdampfung, Vakuumkondensation, lonenzerstäubung und Plasmapolymerisation abgeschieden werden.exist are generated by plasma polymerization in the gas space and incorporated into the growing layer. The organic layers which form a microlaminate with the matrix material may be deposited by vacuum evaporation, vacuum condensation, ion sputtering and plasma polymerization.

Der Vorteil gegenüber den bekannten Oberflächenbeschichtungen besteht darin, daß mittels Vakuumbeschichtungsverfahren auch Matrixmaterialien abgeschieden werden können, die naßchemisch gar nicht bzw. nur mit hohem Aufwand abscheidbar sind. Auch die Palette der organischen Materialien erweitert sich durch die in-situ-Erzeugung der organischen Partikel und Schichten. Gleichzeitig kann im Vergleich zu bekannten Verfahren eine wesentlich homogenere Verteilung der organischen Partikel in einer steuerbaren Partikelgröße erreicht werden. Die organischen Partikel und Schichten in dem Matrixmaterial wirken wie ein eingelagertes Feststoffschmiermittel.The advantage over the known surface coatings is that by vacuum coating method and matrix materials can be deposited, which are wet-chemically not or only with great effort separable. The range of organic materials is also expanding due to the in-situ generation of organic particles and layers. At the same time a much more homogeneous distribution of the organic particles in a controllable particle size can be achieved compared to known methods. The organic particles and layers in the matrix material act like a stored solid lubricant.

Dadurch wird die Reibung stark vermindert bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der anderen mechanischen und auch teilweise der elektrischen Parameter der Matrixmaterialien, so daß eine neue Klasse von Werkstoffen entsteht. Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen weiter erläutert.As a result, the friction is greatly reduced while maintaining the other mechanical and also partly the electrical parameters of the matrix materials, so that a new class of materials arises. The invention will be further explained by embodiments.

1. Auf eine Stahloberfläche werden Edelstahlschichten (X8 CrNiTi 18,10) durch DC-Magnetronzerstäubung bei einem Argondruckvon 1,3 · 10~¹ Pa und einer Abscheiderate von 0,1 /xm min"¹ alternierend mit Polytetrafluorethylenschichten in einem Vakuumzyklus abgeschieden. Das Polytetrafluorethylen wird mittels RF-Magnetronzerstäubung (27,12MHz) mit einer Abscheiderate von 0,01 μ,ιη min"¹ aufgebracht. Die Edelstahlschichten sind 150nm dick, während die PTFE-Schichten eine Dicke von 15nm aufweisen. Es werden 20 Schichtfolgen aufgebracht mit einer Gesamtschichtdicke von ca.3,3/xm. DieOberflächenbeschichtung ist festhaftend, hart und zeigt einen sehr geringen Reibwert von 0,15, gemessen gegen eine normale Stahloberfläche. Mit dieser Oberflächenbeschichtung vergütete Maschinenteile von Verarbeitungsanlagen, die einer trockenen Gleitreibung unterliegen, zeigten eine zehnfache Standzeit gegenüber unveredelten Teilen.1. On a stainless steel surface layers (X8 CrNiTi 18,10) by DC magnetron sputtering at a Argondruckvon 1.3 x 10 ^-1 Pa and a deposition rate of 0.1 / min xm ^"1 alternating with polytetrafluoroethylene in a vacuum cycle deposited. The polytetrafluoroethylene by means of RF magnetron sputtering (27,12MHz) with a deposition rate of 0.01 μ, ιη min ^"1 applied. The stainless steel layers are 150nm thick, while the PTFE layers have a thickness of 15nm. There are 20 layer sequences applied with a total layer thickness of about 3.3 / xm. The surface coating is strong, hard and shows a very low coefficient of friction of 0.15 measured against a normal steel surface. Machine parts treated with this surface coating, which are subject to dry sliding friction, showed a tenfold service life compared to unrefined parts.

2. Auf einer Stahloberfläche befindet sich eine Dispersiohsschicht, die durch simultane Magnetronzerstäubung eines Edelstahltargets (X8CrNiTi 18,10) und einer Plasmapolymerisation von Tetrafluorethylen ensteht. Dazu wird bei einem Druck von 5 · 10"¹Pa ein Gasgemisch benutzt, das zu je 50% aus Argon und Tetrafluorethylen besteht. Bei einer Abscheiderate von 0,05μ.ηι · min"¹ wird eine Schicht von ca. 4μιη aufgebracht. Die Dispersionsschicht besteht aus einer Metallmatrix, in die plasmapolymerisierteTetrafluorethylenpartikel mit einem Durchmesserzwischen 5 und 100nm eingelagertsind. Dieerzielten Eigenschaften entsprechen im wesentlichen denen des Beispiels 1.2. On a steel surface there is a dispersion layer formed by simultaneous magnetron sputtering of a stainless steel target (X8CrNiTi 18.10) and plasma polymerization of tetrafluoroethylene. For this purpose, at a pressure of 5.times.10.sup.- ¹ Pa, a gas mixture is used which consists of 50% each of argon and tetrafluoroethylene.A layer of about 4 .mu.m is applied at a deposition rate of 0.05 .mu.m.sup.min.sup.- ¹ . The dispersion layer consists of a metal matrix in which are incorporated plasma-polymerized tetrafluoroethylene particles having a diameter between 5 and 100 nm. The properties achieved correspond essentially to those of Example 1.

3. Beim Einsatz von Neusilber als Kontaktwerkstoff für Steckverbinder werden zur sicheren Kontaktgabe hohe Steckkräfte benötigt, die auf Grund des hohen Reibkoeffizienten hohe Betätigungskräfte und damit einen hohen Reibverschleiß bedingen. Durch Beschichtung mit einem Mikrolaminat, bestehend aus Neusilber (200 nrri) und PTFE (10nm) werden der Verschleiß und die Steckkraft soweit reduziert, daß 10³ Steckzyklen bei einer Gesamtschichtdicke von Ο,δμ,ιτι zu keinem Durchtrieb führen bei voller Gewährleistung der Kontaktsicherheit. Durch die Verringerung der Steckkraft kann die Polzahl des Steckverbinders verdoppelt werden.3. When using nickel silver as a contact material for connectors high insertion forces are required for safe contact, which due to the high coefficient of friction high actuation forces and thus require a high Reibverschleiß. By coating with a microlaminate consisting of nickel silver (200 nrri) and PTFE (10nm), the wear and the insertion force are reduced so much that 10 ³ mating cycles at a total layer thickness of Ο, δμ, ιτι lead to no through drive with full assurance of contact safety. By reducing the insertion force, the number of poles of the connector can be doubled.

Die Neusilberschichten (CuNjI 2Zn 24) werden mittels Magnetronzerstäubung bei ρ = 1,3 · 10"¹Pa mit einer Rate von 0,3μιη min"¹, die PTFE-Schichten mittels RF-Magnetronzerstäubung mit 0,01 μ,Γη min"¹ alternierend abgeschieden.The nickel silver layers (CuNjI 2Zn 24) are by magnetron sputtering at ρ = 1.3 · 10 " ¹ Pa at a rate of 0.3μιη min" ¹ , the PTFE layers by RF magnetron sputtering with 0.01 μ, Γη min " ¹ alternately deposited.

Claims

1. low-friction, wear-reducing and self-lubricating surface coating using organic substances, characterized in that the surface coating of a layer produced by vacuum coating layer of hard material layers of thickness 10 nm to 1000 nm and layers of organic substances of thickness 1 nm to 100 nm or a dispersion layer of both Substances consists, and the surface coating has a total thickness between 500nm and 1 mm.

2. Surface coating according to claim 1, characterized in that the layer sequence consists of a hard material layer, such as stainless steel, nickel chrome, ferrochrome or hard materials in the form of nitrides, carbides, borides and oxides or their mixed compounds with an organic layer of a fiuorhaltigen polymer.

3. Surface coating according to claim 1, characterized in that the dispersion layer consists of a hard material layer with embedded polymer.

4. Surface coating according to claim 1 to 3, characterized in that a plasma polymer is used as organic substance.

5. Surface coating according to claim 1 to 4, characterized in that the surface coating is used as a contact layer.