DE102004054193A1 - Hard coating on any, preferably flexible substrate, comprising at least two morphologically different layers useful in applications involving friction pairs has outer layer comprising hard layer of amorphous, diamond-like carbon (DLC) - Google Patents
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- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gegen Abrasion und hohe Flächenpressungen beständige Hartstoffbeschichtung auf nachgiebigen Substraten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Beschichtung mit einer abrasionsfesten Oberflächenschicht auf Basis von amorphem Kohlenstoff und einer darunter liegenden, gegen hohe Flächenpressung stabilen dünnen kohlenstofffreien Hartschicht, welche ggf. über eine Haftvermittlerschicht mit der Oberflächenschicht aus amorphem Kohlenstoff verbunden sein kann.The The present invention relates to abrasion and high surface pressures stable Hard material coating on flexible substrates. Especially The invention relates to a coating with an abrasion-resistant surface layer based on amorphous carbon and an underlying, against high surface pressure stable thin carbon-free hard layer, which optionally has an adhesion promoter layer with the surface layer may be connected from amorphous carbon.
Eine
derartige Oberflächenschicht
auf Basis von amorphem Kohlenstoff (DLC = Diamond like Carbon) ist
eine amorphe, teils wasserstofffreie teils wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht
mit hoher Härte
und Elastizitätsmodul
und einem sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, was es erlaubt,
damit beschichtete Substrate zur Verringerung des Reibwertes bei
Reibpaarungen unter reduziertem bzw. ohne Schmiermitteleinsatz einzusetzen
und dabei eine hohe Abriebfestigkeit bei sich und den verwendeten
Reibpartnern zu garantieren. Dies trifft sogar in den Fällen zu,
in denen der Reibpartner unbeschichtet ist und somit selbst über keinen
Abrasionsverschleißschutz
verfügt.
Derartige DLC-Schochten werden in der
Im allgemeinen wird eine DLC-Schicht aus der Gasphase mittels PVD (Physical Vapor Deposition; physikalische Dampfphasenabscheidung) oder CVD (Chemical Vapor Deposition; chemische Dampfphasenabscheidung) auf der Substratoberfläche abgeschieden. Wie bei allen dünnen Hartstoffschichten jedoch, die mittels CVD oder PVD hergestellt werden, besteht die Gefahr, dass die Schicht bei hohen Flächenpressungen in den Grundwerkstoff eingedrückt wird (Eierschaleneffekt), da die Schicht bei einer Dicke von ca. 1 μm bis 5 μm ohne eine entsprechende Stützwirkung des Substratwerkstoffes keine mechanischen Lasten aufnehmen kann. Um dünne Hartstoffschichten dennoch für Anwendungen, bei denen hohe Flächenpressungen auftreten, einsetzen zu können, werden sie daher meist auf einen bereits sehr harten Substratwerkstoff (Keramik, gehärteter Stahl) aufgetragen oder die Substrate werden einer Vorbehandlung (Plasmanitrieren von Stählen oder Titanlegierungen) unterzogen, mit welchen die Substratoberfläche gehärtet wird.in the In general, a gas-phase DLC layer is formed by PVD (Physical Vapor deposition; physical vapor deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) on the substrate surface deposited. As with all thin ones Hard coatings, however, made by CVD or PVD there is a risk that the layer will be exposed to high surface pressures in pressed in the base material becomes (egg shell effect), since the layer with a thickness of approx. 1 μm to 5 μm without one corresponding support effect of the substrate material can not absorb mechanical loads. To thin Hard material layers nevertheless for Applications where high surface pressures to be able to use They are therefore usually on a very hard substrate material (Ceramics, hardened Steel) or the substrates are pretreated (Plasma nitriding of steels or titanium alloys) with which the substrate surface is cured.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für beliebige an sich nachgiebige Substrate zur Verfügung zu stellen, welche dem damit beschichteten Substrat einerseits die für DLC typische hohe Oberflächenhärte mit hohem Elastizitätsmodul, niedrigem Reibungskoeffizienten und hoher Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß verleiht und andererseits auch gegen hohe Flächenpressungen stabil ist und somit die auftretenden mechanischen Lasten aufnehmen kann.Of the Invention was therefore based on the object, a coating for any to provide compliant substrates, which the On the one hand, the coated substrate has the high surface hardness typical of DLC high modulus of elasticity, low coefficient of friction and high resistance to abrasive wear and on the other hand is stable against high surface pressures and thus can absorb the mechanical loads occurring.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Beschichtung für das nachgiebige Substrat sich aus zwei oder drei morphologisch unterschiedlichen Lagen zusammensetzt, wobei die erste, unmittelbar auf der Substratoberfläche aufliegende Lage eine selbsttragende Hartschicht mit einer Dicke > 50 μm und die äußerste Lage eine Schicht aus DLC ist. Gegebenenfalls liegt zwischen der Hartschicht und der DLC-Schicht noch eine Haftvermittlerschicht.The Task is solved by that the coating for the compliant substrate is made up of two or three morphologically distinct ones Layers composed, with the first, resting directly on the substrate surface Location a self-supporting hard layer with a thickness> 50 microns and the outermost layer one Layer of DLC is. Optionally, lies between the hard layer and the DLC layer still a primer layer.
Als erstes wird die Hartschicht aufgetragen, die z.B. eine selbsttragende metallische Schicht mit und ohne Legierungselemente oder eine keramische Spritzschicht sein kann, welche nach unterschiedlichen, im Stand der Technik bekannten Verfahren auf der Substratoberfläche abgeschieden werden kann, z.B. durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Laserauftragsschweißen. Metallische und keramische Spritzschichten, die mit Plasmaspritzen, Flammspritzen, oder HVOF aufgetragen wurden, sind billig, porös, sehr dick und rau und bedürfen einer Nachbearbeitung.When First, the hard coat is applied, e.g. a self-supporting one metallic layer with and without alloying elements or a ceramic one Spray layer can be, which after different, in the state The technique known methods deposited on the substrate surface can be, e.g. by plasma spraying, flame spraying, high-speed flame spraying (HVOF) and laser deposition welding. Metallic and ceramic spray coatings containing plasma spraying, flame spraying, or HVOF are cheap, porous, very thick and rough and require one Post processing.
Über Laserauftragsschweißen aufgetragene Hartschichten sind dick und rau und müssen ebenfalls nachbearbeitet werden. Weitere mögliche Hartschichten bestehen aus Metallnitriden, insbesondere Titannitrid und Chromnitrid.Applied by laser deposition welding Hard coatings are thick and rough and must also be reworked become. Other possible Hard coatings consist of metal nitrides, in particular titanium nitride and Chromium nitride.
Bevorzugte Hartschichten bestehen aus Hartchrom oder Chemisch Nickel mit unterschiedlichen Phosphorgehalten. Am meisten bevorzugt ist einer Hartchromschicht, welche galvanisch nach im Stand der Technik bekannten Verfahren auf der Substratoberfläche abgeschieden werden kann. Das zu beschichtende Substrat kann dabei in seinem Kern auch nicht leitend sein, z.B. ein Kunststoff, es muss zur galvanischen Abscheidung jedoch eine leitende Oberfläche aufweisen. Hierzu muss die Substratoberfläche lediglich nach in der Galvanotechnik üblicher Weise entfettet und aktiviert (dekapiert) werden. Einer weiteren Vorbehandlung bedarf es in der Regel nicht. Als Abscheidungselektrolyte können Chrom- und Chromlegierungselektrolyte sowohl vom schwefelsauren als auch mischsauren Typ (d.h. Mischung von Schwefelsäure und Hexafluorkieselsäure) dienen.Preferred hard coatings consist of hard chrome or chemical nickel with different phosphorus contents. Most preferred is a hard chromium layer which may be electrodeposited onto the substrate surface by methods known in the art. The substrate to be coated can also be non-conductive in its core, for example a plastic, but it must have a conductive surface for electrodeposition. For this purpose, the substrate surface only after in the Galvano Technique usually degreased and activated (dekapiert). Further pretreatment is usually not required. As the deposition electrolytes, chromium and chromium alloy electrolytes of both the sulfuric acid and the mixed acid type (ie, the mixture of sulfuric acid and hexafluorosilicic acid) can be used.
Die Schichtdicke der abgeschiedenen Hartschicht sollte über 50 μm liegen, da, wie der Fachmann weiß, Chromschichten ab einer Schichtdicke von ca. 50 μm an auch korrosionsfest und selbsttragend werden, d.h. kein Einfluss mehr seitens der Substrathärte auf die Oberflächeneigenschaften vorliegt. Die Parameter, mit denen sich die Oberflächenstruktur während der galvanischen Abscheidung einstellen lässt, sind vorzugsweise die Zusammensetzung des Elektrolyten, die Viskosität des Elektrolyten, die Expositionszeit des zu beschichtenden Substrats im Elektrolyten und damit die Abscheidungsdauer, die Abscheidungstemperatur, die kathodische Stromdichte im Elektrolyten, der pH-Wert des Elektrolyten, das Elektrodenmaterial und die Elektrodenabstände, die Hydrodynamik des Elektrolyten sowie ggf. der Grad der Rotation des zu beschichtenden Substrats und die Form der Strom- und/oder Spannungsimpulse.The Layer thickness of the deposited hard layer should be above 50 μm, there, as the expert knows, Chromium layers from a layer thickness of about 50 microns to even corrosion resistant and become self-supporting, i. no influence on the substrate hardness anymore the surface properties is present. The parameters that govern the surface texture while the galvanic deposition can be set, are preferably the Composition of the electrolyte, the viscosity of the electrolyte, the exposure time the substrate to be coated in the electrolyte and thus the deposition time, the deposition temperature, the cathodic current density in the electrolyte, the pH of the electrolyte, the electrode material and the electrode spacings, the Hydrodynamics of the electrolyte and, if necessary, the degree of rotation of the substrate to be coated and the shape of the current and / or voltage pulses.
Ein
geeigneter Chromelektrolyt kann z.B. folgende Zusammensetzung aufweisen:
Die galvanische Abscheidung kann dann bei 50°C bei einer Stromdichte von 25 A/dm2 über einen Zeitraum von 4 bis 5 Stunden erfolgen.The galvanic deposition can then be carried out at 50 ° C at a current density of 25 A / dm 2 over a period of 4 to 5 hours.
Als nächstes wird die Oberfläche der aufgetragenen ersten Hartschicht einer Plasmafeinreinigung unterzogen. Mit der Plasmareinigung lassen sich organische Schichten oder Kontaminationen im Nanometer- oder Mikrometermaßstab substratschonend von Oberflächen vollständig entfernen. Gleichzeitig werden die Werkstücke für nachfolgende Prozessschritte, wie z.B. eine weitere Plasmabeschichtung, optimal vorbereitet. In vielen Fällen kann der Anwender die Plasmafeinreinigung sowie nachfolgende Aktivierungs- und Vergütungsschritte (z.B. Beschichtungen mit PVD, CVD)) in ein und derselben Anlage durchführen, ohne zwischendurch belüften zu müssen.When next becomes the surface subjected to the applied first hard layer of a plasma cleaning. The plasma cleaning can be organic layers or contaminants on a nanometer or micrometer scale gentle on substrates Completely remove. At the same time, the workpieces for subsequent process steps, such as. another plasma coating, optimally prepared. In many cases the user can start the plasma cleaning and subsequent activation and compensation steps (e.g., coatings with PVD, CVD)) in one and the same equipment carry out, ventilate without interruption to have to.
Bei der Oberflächenreinigung werden zur schonenden Behandlung von Werkstücken Niederdruckplasmen verwendet, welche eine Behandlungstemperatur von unter 100°C ermöglichen. Die Oberflächenreinigung in Niederdruckplasma-Anlagen erfolgt bei einem Unterdruck von 0,1 bis 2 mbar. Hierfür werden meist Vakuumbehälter eingesetzt, in denen die zu reinigenden Werkstücke chargenweise behandelt werden. Die Vakuumkammer entsprechender Anlagen wird mit einem Prozessgas befüllt. Typische Gasgemische enthalten Edelgase, vorzugsweise Argon oder Helium, und insbesondere Sauerstoff oder Luft, in selteneren Fällen auch Wasserstoff und fluorhaltige Gase wie z.B. Tetrafluormethan. Das Gemisch hängt von den spezifischen Anforderungen an den Reinigungsprozess ab, welche sich aus der Art der Verunreinigung, dem Substratwerkstoff und dem Folgeschritt ergeben. Temperaturempfindliche Kunststoffe lassen sich damit ebenso behandeln wie Metall, Glas und Keramik.at the surface cleaning Low pressure plasmas are used for the gentle treatment of workpieces which allow a treatment temperature of below 100 ° C. The surface cleaning in low-pressure plasma systems takes place at a negative pressure of 0.1 to 2 mbar. Therefor are mostly vacuum containers used in which the workpieces to be cleaned treated batchwise become. The vacuum chamber of appropriate plants is equipped with a process gas filled. Typical gas mixtures contain noble gases, preferably argon or Helium, and in particular oxygen or air, in rare cases also hydrogen and fluorine-containing gases, e.g. Tetrafluoromethane. The mixture depends on the specific requirements of the cleaning process, which depending on the type of contamination, the substrate material and the Subsequent step result. Leave temperature-sensitive plastics Treat yourself as well as metal, glass and ceramics.
Ein elektrisches Feld in Form hochfrequenter Spannungen im kHz-, MHz-(Radiofrequenz) oder GHz-Bereich (Mikroweile) überträgt Energie in das System und beschleunigt freie Ladungsträger, die Gasteilchen durch Stoß ionisieren. Abhängig von der Zusammensetzung des Gasgemischs werden zum Beispiel organische Verunreinigungen (Öle, Fette) oxidiert und als Folge von der Oberfläche entfernt. Reduzierende Plasmen sind dagegen geeignet, anorganische Ablagerungen wie Metalloxide in Metalle umzuwandeln. Dabei stellt sich der Reinigungsprozess als die Summe eines physikalischen und eines chemischen Vorgangs dar.One electric field in the form of high-frequency voltages in the kHz, MHz (radio frequency) or GHz range (Micro-bore) transmits energy into the system and accelerates free charge carriers, the gas particles through Ionize shock. Dependent of the composition of the gas mixture become, for example, organic Impurities (oils, Fats) are oxidized and removed as a result from the surface. reducing Plasmas, on the other hand, are suitable for inorganic deposits, such as metal oxides into metals. This turns the cleaning process as the sum of a physical and a chemical process represents.
Physikalisch: Schaltet man das Werkstück als Kathode, dann werden positive Ionen aus dem Plasma auf das Werkstück beschleunigt. Beim Auftreffen lösen die Ionen durch Impulsübertragung Moleküle oder Bruchstücke von der Oberfläche ab. Dieser Vorgang wird oftmals auch als „Sandstrahlen mit Ionen" bezeichnet.Physically: If you switch the workpiece as a cathode, positive ions from the plasma are accelerated onto the workpiece. Release on impact the ions by momentum transfer molecules or fragments from the surface from. This process is often referred to as "sand blasting with ions".
Chemisch: Im Falle organischer Kontamination besteht das Plasmagas in der Regel aus Sauerstoff und gegebenenfalls Argon. Im Plasma entstehen Sauerstoffatome, angeregte Zustände des Sauerstoff-Moleküls und Ionen. Diese energiereichen Sauerstoffteilchen bilden bei der Reaktion mit Kohlenwasserstoffen die harmlosen chemischen Verbindungen Kohlendioxid und Wasser.chemical: In case of organic contamination the plasma gas exists in the Usually made of oxygen and possibly argon. Arise in plasma Oxygen atoms, excited states of the oxygen molecule and ions. These high-energy oxygen particles form in the Reaction with hydrocarbons the harmless chemical compounds Carbon dioxide and water.
Nach der Plasmafeinreinigung der Oberfläche der ersten Hartschicht kann eine Haftvermittlerschicht aufgetragen werden. Da in Abhängigkeit von der Natur dieser Hartschicht und den eingesetzten Verfahrensparametern für die Plasmafeinreinigung die Hartschicht insgesamt mehr oder weniger aktiviert wird (Schaffung freier Valenzen, Bildung von Fehlstellen usw.), kann von Fall zu Fall auch auf das Auftragen einer Haftvermittlerschicht verzichtet werden.To the plasma cleaning of the surface of the first hard layer An adhesion promoter layer can be applied. Because in dependence the nature of this hard layer and the process parameters used for the Plasma cleaning the hard layer in total more or less is activated (creation of free valences, formation of defects etc.) may also apply to the application of a primer layer on a case-by-case basis be waived.
Als Haftvermittler kommen solche Metalle in Frage, die eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzen und Karbide bilden, wie z.B. Titan. Die bevorzugte Haftvermittlerschicht besteht jedoch aus Chrom. Derartige Haftvermittler lassen sich auf allen metallischen Substraten abscheiden, welche 200°C aushalten.When Adhesion promoters come into question those metals that have a high affinity for oxygen and form carbides, e.g. Titanium. The preferred primer layer It is made of chrome. Such adhesion promoters can be on Deposits all metallic substrates that endure 200 ° C.
Die Haftvermittlerschicht wird im Vakuum abgeschieden. Hierfür geeignet sind das CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapor Deposition) und das PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition), welche im Stand der Technik bestens bekannt sind. Im CVD-Verfahren werden die Kammer als Anode und die zu beschichtenden Teile als Kathode geschaltet. Dazwischen wird ein Plasma gezündet, wobei das Schichtmaterial als dampfförmige Verbindung eingebracht wird, die durch Wärme und das Plasma gecrackt wird. Hierfür benötigt man dann verdampfbare Metallspendermedien (Precursoren) und eine chemische Reaktion, bei der dann das freie Metall entsteht.The Adhesive layer is deposited in vacuo. Suitable for this are the CVD process (CVD = Chemical Vapor Deposition) and the PVD method (PVD = Physical Vapor Deposition), which are well in the prior art are known. In the CVD method, the chamber as the anode and the to be coated parts connected as a cathode. In between is ignited a plasma, wherein the layer material is introduced as a vaporous compound is going through heat and the plasma is cracked. For this one then needs evaporable Metal donor media (precursors) and a chemical reaction, at which then creates the free metal.
Beispielhafte Verfahrensweisen für das PVD-Verfahren sind das thermische Verdampfen aus Wolframschiffchen, das Elektronenstrahlverdampfen, das Magnetron-Sputtern und die Bogenverdampfung. Die letztere Methode arbeitet mit einer Lichtbogenentladung im Vakuum. Der Aufbau und die Wirkungsweise von Verdampfern nach dem Prinzip der Vakuum-Lichtbogenentladung beruhen darauf, dass innerhalb eines Vakuumbehälters zwischen einer Kathode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht und einer isoliert dazu angeordneten Anode üblicherweise die geerdete Kammerwand, durch bekannte Methoden ein Lichtbogen gezündet wird. Üblicherweise wird dazu eine anodische Zündelektrode kurzzeitig auf die Kathode getippt. Alternativ können zur Zündung auch spezielle HF-Plasmen oder fokussierte Laserstrahlung eingesetzt werden.exemplary Procedures for the PVD method is the thermal evaporation from tungsten boats, electron beam evaporation, magnetron sputtering and arc evaporation. The latter method works with an arc discharge in a vacuum. The structure and mode of action of evaporators according to the principle The vacuum arc discharge based on that within a vacuum vessel between a cathode made of the conductive material to be evaporated exists and an isolated arranged anode usually the grounded chamber wall, by known methods an arc ignited becomes. Usually becomes an anodic ignition electrode briefly typed on the cathode. Alternatively, special HF plasmas can be used for ignition or focused laser radiation can be used.
Der Lichtbogen kann Stromstärken zwischen einigen 10 A und 100 A bei Spannungen zwischen 20 V und 50 V leiten. Er tritt mit der Kathode im sog. Brennfleck (Spot) in Kontakt und führt dort zu einem erosiven Materialabtrag.Of the Arc can generate currents between a few 10 A and 100 A at voltages between 20 V and Conduct 50V. He steps with the cathode in the so-called focal spot in contact and leads there to an erosive material removal.
Damit kann ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad in Verbindung mit einem hohen Ionisierungsgrad des abgetragenen Materials und einer hohen Beschichtungsrate bei beliebiger Einbaulage des Verdampfers erreicht werden.In order to can be a particularly high energy efficiency in conjunction with a high degree of ionization of the removed material and a high coating rate in any installation position of the evaporator be achieved.
Durch die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck, der einen Durchmesser von nur einigen μm hat, kommt es jedoch zu einer extrem schnellen Aufheizung, die zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des Kathodenmaterials führt, was die Emittierung von makroskopischen Teilchen (Droplets) zur Folge hat, welche die Homogenität der aufgetragenen Schicht ggf. negativ beeinflussen können.By the very high energy density in the focal spot, which has a diameter of only a few μm However, it comes to an extremely fast heating, which too an explosive evaporation and ionization of the cathode material leads, which results in the emission of macroscopic particles (droplets) which has the homogeneity possibly affect the applied layer negatively.
Um
daher auch besonders hohen Ansprüchen
an die Homogenität
und Reproduzierbarkeit der aufzutragenden Schicht gerecht zu werden,
wird vorzugsweise ein Verfahren eingesetzt, in welchem zur Verdampfung
des Kathodenmaterials ein örtlich
variierbarer fokussierter Laserstrahlimpuls mit einer solchen Energiedichte
auf die Oberfläche
der Kathode geleitet wird, dass sich am Auftreffort ein örtlich begrenztes
dichtes Plasma ausbildet. Gleichzeitig wird ein Hochstromimpuls
durch geeignete Mittel zugeschaltet, was im Zusammenwirken zu einer
Vakuum-Bogenentladung zwischen dem kathodischen Verdampfungsmaterial
am Auftreffort des Laserstrahlimpulses und der Anode führt. Am
Auftreffort des Laserstrahles kommt es dann zwar auch zu einer explosionsartigen
Verdampfung des Kathodenmaterials in der für Kathoden typischen Weise,
jedoch ohne Bildung von störenden
Makroteilchen (Droplets). Das Verfahren ist im einzelnen in der
Eine nach einem solchen Vakuum-Lichtbogenentladung aufgetragene Chrom-Haftvermittlerschicht weist eine Dicke von ca. 5 bis ca. 50 nm auf und ist zum Unterschied zu der darunter liegenden, ggf. mit Rissen behafteten ersten Hartschicht, immer rissfrei. Je nach der eingesetzten Verfahrensvariante kann sie, wie oben beschrieben, Droplets enthalten oder auch frei von Droplets sein.A has after such a vacuum arc discharge applied chromium primer layer a thickness of about 5 to about 50 nm and is different from the underlying, possibly cracked, first hard layer, always crack-free. Depending on the process variant used they contain, as described above, droplets or free from Be droplets.
Die abschließende Schicht des beschichteten Werkstoffs besteht aus einer amorphen Kohlenstoffschicht (DLC = Diamond like Carbon). Diese wird entweder direkt auf die erste, einer Feinreinigung unterzogene Hartschicht aufgetragen (wenn keine Haftvermittlerschicht benötigt wird), oder auf die Haftvermittlerschicht. Im letzteren Falle bedarf es keiner Plasmafeinreinigung der Oberfläche der Haftvermittlerschicht mehr, da diese im Vakuum abgeschieden wurde.The final layer of the coated material consists of an amorphous carbon layer (DLC = diamond like carbon). This is applied either directly to the first hard-coated hard layer (if no primer layer is needed) or to the primer layer. In the latter case, plasma surface purification of the surface of the adhesion promoter layer is no longer necessary, since it was deposited in a vacuum.
Die Kohlenstoffschichten setzen sich hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen zusammen und weisen eine amorphe Struktur auf. Die DLC-Schichten werden in wasserstoffhaltige und wasserstofffreie unterschieden. Bei den DLC-Schichten können zudem noch metallische und nichtmetallische Elemente eingebaut sein. Der Einbau von Metallen erhöht die Haftung am Substrat und steigert die Zähigkeit. Nichtmetallische Zusatzstoffe verringern die Oberflächenenergie und reduzieren damit die Haftungs- bzw. Benetzungsneigung. Ein Überblick in die verschiedenen (amorphen) DLC-Schichten wird in der folgenden Tabelle gegeben.The Carbon layers are mainly composed of carbon atoms together and have an amorphous structure. The DLC layers are divided into hydrogen-containing and hydrogen-free. For the DLC layers can also be incorporated metallic and non-metallic elements. Of the Incorporation of metals increased the adhesion to the substrate and increases the toughness. Non-metallic additives reduce the surface energy and thus reduce the adhesion or wetting tendency. An overview into the different (amorphous) DLC layers is in the following Given table.
Tabelle 1: Amorphe Kohlenstoffschichten (DLC) Table 1: Amorphous carbon films (DLC)
Als PVD-Verfahren wird die physikalische Vakuumabscheidung bezeichnet. Sie dient zur Abscheidung von insbesondere wasserstoffhaltigen DLC-Schichten (wie z.B. a-C:H und a-C:H:W). Beim PVD-Verfahren wird der abzuscheidende Feststoff durch einen physikalischen Mechanismus sublimiert und anschließend als Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Der Mechanismus erfolgt durch thermische bzw. kinetische Energiezufuhr. Die PVD-Verfahren werden daher unterschieden in Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren und Molekularstrahl-Epitaxie.When PVD process is called the physical vacuum deposition. It serves for the separation of in particular hydrogen-containing DLC layers (such as a-C: H and a-C: H: W). In the PVD method, the to be deposited Solid sublimated by a physical mechanism and subsequently deposited as a layer on the substrate. The mechanism is done by thermal or kinetic energy supply. The PVD method are therefore distinguished in vapor deposition, sputtering, ion plating and molecular beam epitaxy.
Beim Sputtern werden durch ein Plasma erzeugte Ionen in einem elektrischen Feld, beispielsweise durch ein Magnetron, beschleunigt und mit hoher Energie auf Targets aus beispielsweise Chrom (Cr) oder Wolfram (W) geschossen. Die Ionen werden entweder durch eine Ionenquelle oder durch ein ionisiertes Arbeitsgas in Form eines Plasmas bereitgestellt. Als Arbeitsgas wird meist inertes Argon bei einem Druck von typischerweise 0,3 Pa verwendet. Der Impuls der beschleunigten Gasionen initiiert beim Targetaufprall eine Stoßkaskade. Die Stöße lösen Atome und Sekundärelektronen aus dem Targetmaterial. Die gelösten, positiven Teile bzw. Ionen scheiden sich an der Oberfläche des etwa auf 200°C aufgeheizten Substrats ab. Das Abscheiden kann auch durch das Anlegen einer dem Plasma gegenüber negativen Bias-Spannung von etwa 500 V am Substrat optimiert werden. Die Spannung führt zu einer besseren Haftung, einer höheren Dichte und einer größeren Härte der Schicht. Das Sputterverfahren kann mit zusätzlichem Reaktivgas (reaktives Sputtern) durchgeführt werden. Beim reaktiven Sputtern werden dem Arbeitsgas (Argon) reaktive Gase, beispielsweise Stickstoff und Acethylen, zugesetzt, die am Schichtbildungsprozess mitwirken. Mittels Stickstoff entstehen Nitridschichten und mittels Acetylen Kohlenstoffschichten. Dazu werden die Gase durch Zusammenstöße mit den Argonatomen ionisiert. Die Schichtrate liegt beim reaktiven PVD-Sputter-Verfahren bei etwa 2 μm/h.During sputtering, ions generated by a plasma are accelerated in an electric field, for example by a magnetron, and bombarded with targets of, for example, chromium (Cr) or tungsten (W) with high energy. The ions are provided either by an ion source or by an ionized working gas in the form of a plasma. The working gas used is usually inert argon at a pressure of typically 0.3 Pa. The pulse of the accelerated gas ions initiates a collision cascade on target impact. The collisions release atoms and secondary electrons from the target material. The dissolved, positive parts or ions are deposited on the surface of the approximately 200 ° C heated substrate. The deposition can also be optimized by applying a plasma to the negative bias voltage of about 500V on the substrate. The stress leads to better adhesion, a higher density and a higher hardness of the layer. The sputtering process can be carried out with additional reactive gas (reactive sputtering). In reactive sputtering, reactive gases, such as nitrogen and acetylene, are added to the working gas (argon), which contribute to the film formation process. Nitride layers are formed by means of nitrogen and carbon layers by means of acetylene. These are the gases by collisions with ionized the argon atoms. The layer rate is about 2 μm / h in the reactive PVD sputtering process.
Das PACVD-Verfahren (plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung) dient ebenfalls der Abscheidung von wasserstoffhaltigen DLC-Schichten (wie z.B. a-C:H und a-C:H:Si:O). Beim PACVD-Verfahren werden durch ein nicht-thermisches Plasma chemische Reaktionen ausgelöst, die zur Schichtabscheidung führen. Die Substrattemperaturen zum Abscheiden der PACVD-Schichten liegen bei etwa 500–750°C. Dadurch können einerseits Schichten abgeschieden werden, die nur bei geringen Temperaturen entstehen, und andererseits hitzeempfindliche Substrate beschichtet werden. Beim PACVD-Verfahren werden ein oder mehrere gasförmige Ausgangsmaterialien, sogenannte Precursorgase, wie beispielsweise Acethylen oder Hexamethyldisiloxan mit einem Druck von 0,5–500 Pa unverdünnt oder mittels eines inerten Trägergases (z.B. Argon) durch die Reaktionskammer geleitet. Die Gase werden durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung von z.B.. 13,56 MHz zu einem Plasma ionisiert. Das mit einer Bias-Spannung von 100–200 V negativ gepolte Substrat zieht die positiven Ionen an, so dass der Schichtbildungsprozess einsetzt. Die Schichtrate liegt beim PACVD-Sputter-Verfahren zwischen 1 und 6 μm/h.The PACVD process (plasma-activated chemical vapor deposition) also serves for the deposition of hydrogen-containing DLC layers (such as a-C: H and a-C: H: Si: O). In the PACVD procedure are by a non-thermal Plasma triggered chemical reactions that lead to layer deposition. The Substrate temperatures for depositing the PACVD layers are included about 500-750 ° C. Thereby can On the one hand, layers are deposited, which only at low temperatures arise, and on the other hand coated heat-sensitive substrates become. In the PACVD process, one or more gaseous starting materials, so-called precursor gases, such as acetylene or hexamethyldisiloxane with a pressure of 0,5-500 Pa undiluted or by means of an inert carrier gas (e.g., argon) is passed through the reaction chamber. The gases become by applying a high-frequency AC voltage of, for example, 13.56 MHz ionized to a plasma. That with a bias voltage of 100-200 V negative poled substrate attracts the positive ions, so that the film formation process starts. The layer rate is in the PACVD sputtering between 1 and 6 μm / h.
Erfindungsgemäß ist als äußerste Schicht eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (ta-C) bevorzugt. Wasserstoffreie amorphe Kohlenstoffschichten können durch Ionenstrahlverfahren, durch gepulste Laserablation (PLD) oder gepulste Bogenentladung im Vakuum aus einem mit einem Graphit-Target erzeugten Ionen bzw. Plasmastrahl abgeschieden werden, dem keinerlei Wasserstoff- oder kohlenwasserstoffhaltigen Komponenten zugeführt wurden. Für eine ta-C-Schicht geeignet sind dabei vor allem gepulste Bogenverfahren, da sich nur mit diesen technisch relevante Abscheidungsgeschwindigkeiten (> 10 μm/Stunde) erzielen lassen. Vorzugsweise wird ein lasergesteuerter gepulster Vakuumbogen verwendet, bei dem mit einem Impulslaser der Bogen gezündet und gezielt über eine aus hochreinem Graphit bestehende, als Walze gestaltete, rotierende Kohlenstoffkathode (Target) geführt wird. Durch Verwendung von Stromimpulsen > 1 kA und Variation der Bogenbrenndauer zwischen 10 und 100 μs kann sowohl die Materialmenge pro Impuls, als auch die Struktur und somit die Eigenschaften der abgeschiedenen amorphen Schicht gezielt beeinflusst werden.According to the invention as the outermost layer a tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon film (ta-C) prefers. Hydrogen-free amorphous carbon layers can by Ion beam method, by pulsed laser ablation (PLD) or pulsed Arc discharge in vacuum from a graphite target generated Ions or plasma jet are separated, to which no hydrogen or hydrocarbon-containing components. For a ta-C layer Particularly suitable are pulsed arc methods, since only with these technically relevant deposition rates (> 10 μm / hour) achieve. Preferably, a laser-controlled pulsed Vacuum arc used in which ignited with a pulse laser arc and deliberately over a made of high-purity graphite, designed as a roller, rotating Carbon cathode (target) out becomes. By using current pulses> 1 kA and variation of the arc burn time between 10 and 100 μs can be both the amount of material per pulse, as well as the structure and thus the properties of the deposited amorphous layer be specifically influenced.
Von
entscheidender Bedeutung ist die Temperatur während des Abscheideprozesses.
Extrem hohe E-Modul- bzw. Härtewerte
werden erzielt, wenn die Temperatur am Substrat deutlich unterhalb
von 100°C
und vorzugsweise nicht über
Raumtemperatur liegt. Damit lassen sich derartige amorphe Kohlenstoffschichten (insbesondere
aus tetraedrischem, wasserstofffreiem, amorphem Kohlenstoff (ta-C,
Diamor®)
besonders günstig
auf temperaturempfindlichen Materialien, wie z. B. Schnellarbeitsstählen, Al-,
Al-Legierungen,
Messing, Bronze und insbesondere auf Kunststoffen aufbringen. Um
die gewünschte
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Abrasion zu garantieren, sollte die ta-C-Schicht eine Dicke von > 300 nm aufweisen.
Das Auftragsverfahren wird im Einzelnen in der
Amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) bestehen aus einer hochvernetzten Kohlenwasserstoffmatrix (Wasserstoffanteil 0–40 at%). Sie können einen Anteil an sp3-Bindungsstrukturen aufweisen (insbesondere ta-C). Der sp3-Anteil bestimmt die Eigenschaften der DLC-Schicht. Beispielsweise steigt die Dichte linear zum sp3-Anteil. Außerdem reduziert ein hoher sp3-Anteil bei gleichzeitig hoher Abscheidetemperatur und hohem Abscheidedruck die Druckeigenspannungen. Die Reduzierung führt zu einer besseren Haftfestigkeit der DLC-Schicht am Substrat, so dass größere Schichtdicken möglich sind.Amorphous diamond-like carbon layers (DLC layers) consist of a highly cross-linked hydrocarbon matrix (hydrogen content 0-40 at%). They may have a proportion of sp 3 -bonding structures (in particular ta-C). The sp 3 content determines the properties of the DLC layer. For example, the density increases linearly to the sp 3 component. In addition, a high sp 3 content at the same time high deposition temperature and high deposition pressure reduces the compressive residual stresses. The reduction leads to a better adhesion of the DLC layer to the substrate, so that larger layer thicknesses are possible.
Typische Eigenschaften von solchen DLC-Schichten sind Schichtdicken von ca. 0,1 bis 10 μm, Härten zwischen 1 und 90 GPa, ein geringes Elastizitätsmodul und niedrige Oberflächenrauheit, geringe Reibwerte von ca. 0,05 bis 0,25 und eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine geringe Adhäsionsneigung gegenüber den meisten Metallen.typical Properties of such DLC layers are layer thicknesses of approx. 0.1 to 10 μm, Hardening between 1 and 90 GPa, a low elastic modulus and low surface roughness, low coefficients of friction of about 0.05 to 0.25 and a low thermal conductivity and a low adhesion tendency compared to the most metals.
Eine derartige aus zwei bzw. drei morphologisch unterschiedlichen Lagen bestehende Beschichtung macht ein Substrat gegen Abrasion und hohe Flächenpressungen beständig, insbesondere auch dann, wenn sie auf nachgiebigen Substraten, wie z.B. Kunststoffen, aufgetragen ist.A such from two or three morphologically different layers Existing coating makes a substrate against abrasion and high surface pressures resistant, especially if they are on compliant substrates, such as e.g. Plastics, is applied.
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