DE102006031783B4

DE102006031783B4 - Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102006031783B4
Application number: DE102006031783.1A
Authority: DE
Inventors: Günter Eitzinger
Original assignee: Miba Gleitlager Austria GmbH
Current assignee: Miba Gleitlager Austria GmbH
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: CN1990901A; AT501722A4; CN1990901B; US7781015B2; US20070178233A1; DE102006031783A1; AT501722B1

Abstract

Beschichtungsverfahren zum Herstellen eines streifenförmigen Vorproduktes für ein Lagerelement, bei dem auf einem ebenen, metallischen Substrat (22), das von einem Substrathalter (11) gehaltert ist, aus der Gasphase eine aus mehreren Einzelschichten bestehende metallische Schicht (12) aus Partikeln unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Energiequelle (5) aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle (7) bildenden Behälter verdampft werden, und wobei als metallische Schicht (12) ein Zwei- oder Mehrkomponentensystem aufgebaut wird, bestehend aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei, legiert mit zumindest einem weiteren Element ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei, Zinn, Wismut, Zink, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Beryllium mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) aus einer Anzahl an Einzelschichten (21) sequenziell aufgebaut wird, die ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 und einer oberen Grenze von 5000, wobei die metallische Schicht (12) mit einer Schichtdicke von größer 100 μm abgeschieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zum Herstellen eines streifenförmigen Vorproduktes für ein Lagerelement, bei dem auf einem ebenen, metallischen Substrat, das von einem Substrathalter gehaltert ist, aus der Gasphase eine aus mehreren Einzelschichten bestehende metallische Schicht aus Partikeln unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Energiequelle aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter verdampft werden, und wobei als metallische Schicht ein Zwei- oder Mehrkomponentensystem aufgebaut wird, bestehend aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei, legiert mit zumindest einem weiteren Element ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei, Zinn, Wismut, Zink, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Beryllium mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist.
Verfahren zur Abscheidung metallischer Schichten auf einem metallischen Substrat im Vakuum sind schon seit längerem bekannt. So ist z. B. aus der DE 195 14 835 C1 bekannt, auf konkav gekrümmten Gleitelementen eine Schicht durch Vakuumaufdampfen aufzubringen. Dazu wird zwischen dem Substrat und der Verdampferbadoberfläche ein bestimmter Abstand eingestellt. Das aufzudampfende Material ist in Verdampfertiegeln angeordnet und wird durch Elektronenbestrahlung verdampft. Während des Aufdampfens der Schicht werden der Verdampfer und der Trägerkörper relativ zueinander mit ungleichförmiger Geschwindigkeit bewegt. Die Geschwindigkeit der Linearbewegung erreicht ihre Maximalkomponente sowohl beim Ein- als auch beim Austritt durch diese Dampfkeule. Um darüber hinaus zu erreichen, dass die Abweichung der Schichtdicke der aufgedampften Schicht von der Maximalschichtdicke weniger als 15% beträgt, werden Teile des Dampfstroms mit Hilfe von Blenden ausgeblendet.
Nachteilig an dieser Art der Bedampfung ist, dass die Schichtdicke durch mehrere aufeinander abzustimmende Parameter festgelegt wird, sowie dass ein relativ komplexer Bewegungsablauf vorgegeben und überwacht bzw. geregelt werden muss. Zusätzlich sind noch konstruktive Maßnahmen zu setzen, um das gewünschte Schichtdickenverhältnis zu erreichen. Weiters muss, für den Fall, dass als Beschichtung eine Legierung erzeugt werden soll, diese bereits in der Verdampferquelle vorliegen. Nachteilig ist auch, dass es u. U. zu einer Anhäufung von Material an bestimmten Stellen kommen kann.
Aus der DE 197 53 656 C1 ist eine Einrichtung zur Vakuumbeschichtung von Gleitlagern mit mindestens einer Zwischenschicht und mindestens einer Gleitschicht bekannt, bestehend aus einer Reihe von Vakuumkammern, welche aneinander gereiht und durch Vakuumventile oder Druckstufen getrennt sind, wobei mindestens eine Vakuumkammer als Schleusenkammer zum Einbringen der unbeschichteten und/oder Ausbringen der beschichteten Gleitlager in das bzw. aus dem Vakuum dienen, wobei mindestens eine weitere Vakuumkammer zum Vorbehandeln der unbeschichteten Gleitlager durch einen Plasmaprozess dient und mindestens jeweils eine Vakuumkammer zum Aufbringen der Zwischenschicht und der Gleitschicht dienen, Vakuumpumpen, die mit Vakuumkammern verbunden sind, Stromversorgungs- und Steuereinrichtungen zur Durchführung der Beschichtungsprozesse sowie Mittel zum Transport mehrerer Gleitlager auf einer durch die Einrichtung verlaufenden Transportbahn, wobei die Gleitlager im Trägerkörper formschlüssig gehalten sind, diese Trägerkörper temperierbar sind, die Gleitlager mit einer einstellbaren Kraft in die Trägerkörper pressbar sind, in Transportrichtung nacheinander mindestens die Schleusenkammer, eine Vorbehandlungskammer, eine erste Beschichtungskammer, eine zweite Beschichtungskammer und eine Schleusenkammer angeordnet sind, die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Trägerkörper mit einer an in jeder Vakuumkammer ablaufenden Teilprozess anpassbaren Transportgeschwindigkeit bewegbar sind, in der Vorbehandlungskammer eine Ätzvorrichtung zum stationären magnetfeldunterstützten Plasmaätzen der Gleitlager angeordnet ist, in der ersten Beschichtungskammer eine Magnetron-Zerstäubungsquelle, in der mindestes ein Target zerstäubt wird, unter den Gleitlagern mit einem an die Geometrie der Gleitlager angepassten Abstand angeordnet ist, in der zweiten Beschichtungskammer ein Elektronenstrahlverdampfer mit einem Verdampfertiegel mit einem an die Geometrie der Gleitlager angepassten Abstand angeordnet ist, vor und hinter dem Bereich, in dem die Gleitlager der Elektronenstrahlbedampfung ausgesetzt werden, Pufferbereiche angeordnet sind.
Nachteilig an dieser Einrichtung ist insbesondere der komplexe Aufbau sowie die Notwendigkeit speziell geformte Trägerkörper für die Gleitlagerhalbschalen auszubilden, wobei diese Träger für jeden Gleitlagerdurchmesser speziell zu Verfügung gestellt werden müssen, um den entsprechenden Anpressdruck zu gewährleisten.
Weitere Elektronenstrahlbedampfungsverfahren von Gleitlagerhalbschalen sind z. B. aus der DE 198 24 308 C1 und der DE 198 24 310 C1 bekannt.
Die DE 36 06 529 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Schichtwerkstoffen durch Aufdampfen mindestens eines metallischen Werkstoffes auf ein metallisches Substrat. Dazu werden Stahlbänder oder Platinen bzw. Stahlstreifen in eine Beschichtungskammer eingeführt und unter Vakuum Beschichtungen in Form von einer oder mehrerer Schichten für Gleit- bzw. Reibzwecke auf einer Seite des Stahlträgers und auf der Rückseite gegebenenfalls eine Korrosionsschutzschicht aufgedampft. Das Beheizen des zu bedampfenden Substrates wird bevorzugt mittels Elektronenstrahlen vorgenommen, ebenso kann die Verdampfung des Werkstoffes mit einem Elektrodenstrahlverdampfer durchgeführt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Gleitlagers mittels eines PVD-Verfahrens zu vereinfachen und damit bei gleich bleibender Qualität des Gleitlagers eine entsprechende Kostenersparnis zu realisieren.
Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei dem eingangs genannten Beschichtungsverfahren die metallische Schicht aus einer Anzahl an Einzelschichten sequenziell aufgebaut wird, die ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 und einer oberen Grenze von 5000, wobei die metallische Schicht (12) mit einer Schichtdicke von größer 100 μm abgeschieden wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende prinzipielle Idee ist darin zu sehen, dass anstelle der bisher üblichen Beschichtung bereits fertig ausgeformter Lagerelemente nunmehr ein ebenes, streifenförmiges Vorprodukt beschichtet wird, das erst anschließend der Formgebung unterworfen wird. Mit bisher bekannten Beschichtungsverfahren sind ohne zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. die Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche mittels Plasma oder aber auch durch Maßnahmen in der Nachbearbeitung, wie z. B. eine Nachionisierung, keine duktilen, gleichmäßigen, dichten Schichten erzielbar. Dieses Problem ist umso gravierender, wenn dicke Schichten im 100 μm Bereich abgeschieden werden sollen, wie dies nach der Erfindung möglich ist.
Diese Probleme wurden durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren gelöst. Mit diesem Vorteil und dem weiters bereits angesprochenen Vorteil, dass nämlich die Beschichtung direkt auf dem Substrat erfolgen kann, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiters von Vorteil, nachdem nur Vorprodukte hergestellt werden, dass eine Maßbeschichtung nicht erforderlich ist, d. h. dass die Toleranzgröße in Abweichungen der Schichtdicke aufgrund der nachfolgenden Formgebung, insbesondere Verpressung, bzw. durch das nachfolgende Aufwalzen von gegebenenfalls weiteren Schichten, größer sein kann, sodass das Verfahren insgesamt bzw. die Beschichtungsanlage hierzu entsprechend vereinfacht werden kann. Es können aus diesen Vorprodukten in der Folge Lagerelemente hergestellt werden, die – qualitativ betrachtet – bis in die Bereiche der mechanischen Eigenschaften von qualitativ hochwertigen Sputter-Lagerelementen reichen, dabei jedoch zu Kosten von so genannten Bimetalllagern, welche auf herkömmliche, dem Stand der Technik entsprechende Art und Weise hergestellt werden.
Die metallische Schicht wird mit einer Schichtdicke von größer 100 μm, insbesondere größer 150 μm, bevorzugt größer 200 μm, beispielsweise 400 μm, abgeschieden, da damit eine ausreichende Schichtdicke für die formgebende Nachbearbeitung mit einhergehender Schichtdickenverringerung, d. h. die Maßfertigung mit engen Toleranzen, zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist es durch diese dicken Schichten möglich, ein Lagerelement mit einem entsprechenden Sicherheitsreservoir herzustellen, bevor dieses verschleißbedingt ausfällt.
Die Anzahl der Einzelschichten ist ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50, insbesondere 100, vorzugsweise 250, und einer oberen Grenze von 5000, insbesondere 4000, vorzugsweise 2500, da dadurch die Homogenität der metallischen Schicht aufgrund verminderter lokaler Konzentrationsgradienten einzelner Schichtbestandteile gesteigert werden kann. Andererseits ist damit der Vorteil zu erreichen, den Schichtaufbau bewusst mit Konzentrationsgradienten zu steuern bzw. ist es sogar möglich, zumindest Einzelschichten einer gänzlich anderen Zusammensetzung abzuscheiden, wobei gegebenenfalls in einem nachfolgenden Schritt durch Nachdiffusion wiederum eine entsprechende Homogenisierung über den Querschnitt der metallischen Schicht möglich ist.
Die Vorrichtungen zur Durchführung des Beschichtungsverfahrens können relativ einfach ausgeführt sein, d. h. dass sie keine mehrfachen Schleusenanlagen erfordern, um zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen den entsprechenden Transport zu diesen zu ermöglichen, in dem die Vorprodukte, d. h. die Substrate, während der Beschichtung auf trommelförmigen Substrathaltern angeordnet werden, wie dies z. B. bereits aus der von der Anmelderin stammenden DE 101 07 288 A1 für Lagerhalbschalen bekannt ist, deren Offenbarungsinhalt Teil dieser Beschreibung der Erfindung ist. Durch das Heiz- und/oder Kühlsystem, welches mit diesem Substrathalter wirkungsverbunden ist, können die Substrate auf einem Temperaturniveau vom Beginn der Behandlung an bis zum Ende der Beschichtung gehalten werden, welches die Direktbeschichtung von Substraten ermöglicht. Es ist dabei weiters von Vorteil, dass gegebenenfalls nach dem Aufdampfen der metallischen Schicht und unter Umständen durch eine gegebenenfalls erfolgende Temperaturerhöhung eine Diffusion zumindest einzelner Komponenten innerhalb der metallischen Schicht bzw. zwischen den Einzelschichten ermöglicht wird, wodurch eine weitere Vergleichmäßigung der Schichtzusammensetzung und damit eine Verbesserung der Eigenschaften des Vorproduktes erzielt werden kann. Des weiteren kann mit einer derartigen Vorrichtung erreicht werden, dass eine gewisse Nachverdichtung bzw. ein gezielter Beschuss zumindest einzelner der niedergeschlagenen, metallischen Einzelschichten mit Ionen, aus den diese Schichten gebildet werden, in ein und derselben Beschichtungskammer möglich ist, wobei durch Variation der Energie bzw. der Spannung im elektrischen Feld die Eigenschaften der metallischen Schicht, entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck des Vorproduktes angepasst, verändert werden können.
Weitere Ausführungsvarianten des Beschichtungsverfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 16 angegeben.
So ist es z. B. möglich, die Einzelschicht mit einer definierten Dicke ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 nm und einer oberen Grenze von 10 μm auf dem Substrat niederzuschlagen, um dadurch die Duktilität sowie die Gleichmäßigkeit der Schichten weiter zu erhöhen.
Dadurch, dass die Einzelschichten mit einer Oberflächenrauhigkeit erzeugt werden, die kleiner ist als die Oberflächenrauhigkeit des Substrates, wird die Ausbildung einer rauen, spröden Oberfläche durch lokales Kristallitwachstum vermieden und es damit wiederum eine weitere Steigerung der Homogenität der Schicht sowie eine Verbesserung der Feinstrukturierung erreichbar. Des Weiteren kann damit auch die Haftung der Schicht am metallischen Substrat verbessert werden.
Das Substrat kann eine Abweichung von einer mittleren Substratdicke aufweisen, die nicht größer ist als 200 μm, insbesondere nicht größer als 150 μm, vorzugsweise nicht größer als 100 μm, ist.
Durch die zyklische, insbesondere rotierende oder lineare, Bewegung des Substrates über der, insbesondere selben, Verdampferquelle können neben der eigentlichen Beschichtungsphase auch ausreichende Ruhephasen außerhalb der Verdampferquelle, d. h. der von dieser erzeugten Dampfkeule aus den Dampfpartikeln, zur Verfügung gestellt werden, in denen eine Diffusion von Einzelkomponenten der Schichten stattfinden kann, sodass daraus wiederum eine entsprechende Homogenisierung der Schichten resultiert.
Es ist dabei möglich, der rotierenden Bewegung die lineare zu überlagern, wodurch eine Beschichtung des Substrates mit einer schraubenlinienartigen Bewegung desselben erfolgen kann und damit auch größere Substrate beschichtet werden können.
Wie bereits erwähnt, kann außerhalb der zumindest einen Verdampfungsquelle eine Homogenisierung in der metallischen Schicht bzw. zwischen den Einzelschichten durch Diffusion zumindest einzelner Bestandteile der Schicht(en) durchgeführt werden, wobei diese gezielt, z. B. durch Veränderung der Geschwindigkeit, mit der das Substrat über der Verdampferquelle bewegt wird bzw. gegebenenfalls durch einen vollständigen Stillstand des Substrates außerhalb der Verdampferquelle beeinflusst werden kann.
Gegebenfalls kann dabei in diesen Zeiten außerhalb der Verdampferquelle die Temperatur erhöht und/oder erniedrigt werden, wobei es von Vorteil ist, wenn den einzelnen Substraten gegebenenfalls eine lokale Temperiereinrichtung im bzw. am Substrathalter zugeordnet ist, wie z. B. ein Peltierelement, sodass einzelne Substrate unabhängig von einer Grundtemperatur in der Beschichtungskammer temperiert werden können.
Das Substrat kann als Stahlstreifen ausgebildet sein, wodurch das durch das Beschichtungsverfahren hergestellte Vorprodukt eine ausreichende Dimensionsstabilität aufweist.
Von Vorteil ist weiters, wenn mehrere Verdampfungsquellen verwendet werden, in denen jeweils ein chemisches Reinelement als Target für den Aufbau der Beschichtung enthalten ist, da damit die Beschichtungszusammensetzung ausschließlich über die Menge an verdampften Partikeln aus diesen Verdampfungsquellen, d. h. den Verdampfertiegeln, bestimmt werden kann und zum Anderen auf unter Umständen teure bzw. aufwendige Vorlegierungen – eine Legeierungsbildung findet gegebenenfalls in der Gasphase bzw. während des Niederschlagens der Partikel statt – verzichtet werden kann.
Für die Verwendung des mit dem Beschichtungsverfahren hergestellten Vorproduktes als Lagerelement ist vorgesehen, dass als metallische Schicht ein Zwei- oder Mehrkomponentensystem aufgebaut wird, bestehend aus einem Basiselement, ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei, und dieses während der Beschichtung mit zumindest einem weiteren Element, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei, Zinn, Wismut, Zink, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Beryllium, mit der Maßgabe, dass das Legeierungselement ungleich dem Basiselement ist, legiert wird.
Wie bereits erwähnt, können aus diesen Komponenten Legierungen gebildet werden, wobei diese Legierungsbildung in der Gasphase bzw. während des Niederschlagens der einzelnen Komponenten auf dem metallischen Substrat stattfindet bzw. gegebenenfalls durch eine Nachreaktion bzw. Diffusion außerhalb der Verdampferquelle, sodass die Legierungszusammensetzung gezielt über die einzubringende Energie während des Beschichtungsverfahrens gesteuert werden kann.
Es ist andererseits aber auch möglich, dass die Komponenten einzeln hintereinander in Einzelschichten niedergeschlagen werden, um damit einerseits z. B. eine Art Sandwich-Aufbau zu ermöglichen, der gegebenenfalls mikroskopisch zwar aus unterschiedlichen Einzelschichten besteht, makroskopisch aber homogene Eigenschaften aufweisen kann, bzw. kann aus diesen Einzelschichten durch Nachbearbeitung, wie z. B. Nachdiffusion etc., auch eine metallische Schicht aufgebaut werden, welche mikroskopisch zumindest annähernd aus identen Einzelschichten besteht.
Bei der Verwendung des damit hergestellten Vorproduktes als Lagerelement kann auf der nicht beschichteten Oberfläche des Substrats eine zusätzliche Schicht aufgebracht werden, um diesem Lagerelement in der Verwendung eine ausreichende Dauerhaftigkeit gegen Reibkorrosion zu geben.
Bei Bedarf ist es möglich, zwischen der metallischen Schicht und dem Substrat eine Haftvermittlerschicht aufzubringen, um damit die Haftfestigkeit der metallischen Schicht auf dem Substrat noch zu steigern.
Es ist mit dem Beschichtungsverfahren auch möglich, gezielt zumindest eine äußerste Schicht der Einzelschichten mit einer definierten Porosität herzustellen, wobei gemäß einer Ausführungsvariante hierzu Poren erzeugt werden können, mit einem mittleren Porendurchmesser, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 μm und einer oberen Grenze von 10 μm, insbesondere einer unteren Grenze von 0,5 μm und einer oberen Grenze von 5 μm, wodurch es z. B. möglich wird, in diesen Poren ein Schmiermittel anzuordnen, um dadurch bei der Verwendung des Vorproduktes zur Herstellung eines Lagerelementes den Reibwiderstand zu verringern, der sich zwischen dem Lagerelement und einer gelagerten Welle ausbildet.
Das Beschichtungsverfahren kann dazu verwendet werden, die aufgebrachte metallische Schicht als Laufschicht für ein Lagerelement, insbesondere ein Gleitlager, auszubilden.
Als Energiequelle zur Erzeugung des Partikelstromes, d. h. der Dampfkeule über der Verdampferquelle, wird vorteilhafter Weise eine Elektronenstrahlquelle verwendet, da diese eine gezielte Positionierung des Energiestrahls durch magnetische Ablenkung der geladenen Teilchen, d. h. Elektronen, auf die Verdampferoberfläche ermöglicht.
Zumindest nach dem Auftragen der ersten Einzelschichten kann eine Strukturverbesserung dieser Einzelschichten durch Beschuss mit energiereichen Teilchen, die z. B. aus Gasteilchen und/oder Beschichtungsteilchen bestehen und Schwingungen in der Gitterstruktur dieser Einzelschicht(en) induzieren, erzielt werden, um damit die Duktilität der Schicht und deren dichte Struktur weiter zu verbessern.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, dass für den selben Zweck ein Anteil der verdampften Partikel ionisiert wird, um diese während des Abscheidens der Einzelschichten in einem zwischen dem Substrat und zumindest einer Elektrode aufgebauten elektrischen Feld in Richtung auf die Oberfläche des Substrates bzw. der bereits abgeschiedenen Einzelschichten und/oder in einem zwischen den Elektroden, zum Aufbau eines zumindest annähernd senkrecht zu dem Partikelstrom zwischen dem Substrathalter und der zumindest einen Verdampferquelle verlaufenden elektrischen Feld zu beschleunigen, wobei es von Vorteil ist, wenn eine Spannung zum Aufbau des elektrischen Feldes ausgewählt wird aus einem Bereich, mit einer unteren Grenze von 10 V und einer oberen Grenze von 800 V, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 50 V und einer oberen Grenze von 600 V, insbesondere mit einer unteren Grenze von 100 V und einer oberen Grenze von 400 V, wodurch diese ionisierten Partikel eine entsprechend hohe kinetische Energie erfahren.
Zur Verbesserung der Homogenität der metallischen Schicht ist es von Vorteil, wenn das metallische Substrat auf eine Temperatur temperiert wird, die mindestens 10°C unterhalb des Schmelzpunktes jenes zu verdampfenden Elementes mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liegt, um damit eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit innerhalb der metallischen Schicht bzw. zwischen Einzelschichten zu erreichen, sodass die Prozessdauer insgesamt verkürzt werden kann.
Das Beschichtungsverfahren kann mit einem Druck durchgeführt werden, der ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1.10^–7 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–2 mbar, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 1.10^–6 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–3 mbar, insbesondere mit einer unteren Grenze von 1.10^–5 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–4 mbar.
Es ist von Vorteil, wenn das Beschichtungsverfahren mit einer Abscheiderate durchgeführt wird ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,1 μm/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 0,03 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,07 μm/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 0,05 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,06 μm/sec, da damit der Schichtaufbau weitestgehend ungestört von äußeren Einflüssen erfolgen kann.
Der Substrathalter kann mit einer Geschwindigkeit bewegt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 m/sec und einer oberen Grenze von 10 m/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 1 m/sec und einer oberen Grenze von 7 m/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 3 m/sec und einer oberen Grenze von 6 m/sec, da damit den verdampften Partikeln eine ausreichende Zeit gegeben wird, um sich homogen zur Ausbildung der Einzelschichten auf dem Substrat bzw. den bereits abgeschiedenen Einzelschichten niederzuschlagen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass keine Vorlegierungen eingesetzt werden, sondern die Legierungsbildung über Reinelemente in der Gasphase bzw. den niedergeschlagenen Einzelschichten erfolgt, metastabile Phasen zumindest in einer äußersten Schicht der Einzelschichten abzuscheiden, die in der Folge während des Betriebes des fertigen Lagerelementes unterhalb einer so genannten Notfalltemperatur, d. h. wenn aufgrund der gegebenenfalls auftretenden Reibung bzw. durch zu hohe Öltemperaturen die Gefahr einer Fressbelastung auftritt, von metastabilen Phasen eine Phasenumwandlung zu stabilen Phasen erfahren, um damit beispielsweise Notlaufeigenschaften des Lagerelementes auszubilden bzw. diese zu verbessern.
Dazu können diese Komponenten zur Ausbildung der metastabilen Phasen ausgewählt werden aus Verbindungen die aus Elementen gebildet werden aus einer Gruppe umfassend Zinn, Silber, Kupfer, Aluminium, Mangan, Magnesium, Blei, Beryllium sowie Mischungen daraus.
Es ist weiters möglich, zumindest eine an der Substratoberfläche anliegende Einzelschicht zur Erhöhung der Festigkeit des Vorproduktes bzw. um einen „Härtegradienten” in Richtung von Substrat auf die metallische Schicht zu erhalten und damit sprunghafte Härteübergänge zu vermeiden, zu härten.
Es ist mit dem Beschichtungsverfahren auch möglich, aufgrund des Niederschlagens von mehreren Einzelschichten, ausgehend von einer innersten Einzelschicht an der Substratoberfläche in Richtung auf die äußerste Einzelschicht für zumindest eine Komponente einen Konzentrationsgradienten auszubilden, sodass also damit kein sprunghafter Übergang von mechanischen Eigenschaften innerhalb dieser Schicht bzw. vom Substrat auf die Schicht vorhanden ist und damit die Eigenschaften des Vorproduktes bei dessen Verwendung als Lagerelement, verbessert sind.
Mit dem Beschichtungsverfahren kann eine aufgedampfte Schicht oder zumindest eine Einzelschicht hergestellt werden, die im Vergleich zu Sputterschichten der gleichen Zusammensetzung eine um 30%, insbesondere 35%, vorzugsweise 40%, geringere Härte nach Vickers aufweist, wodurch die Bruchdehnung verbessert werden kann.
Wie bereits erwähnt, kann zwischen dem Basiselement und dem zumindest einem weiteren Element, welches auf dem metallischen Substrat zur Ausbildung einer metallischen Schicht niedergeschlagen werden, eine Legierung gebildet werden, wobei diese Legierung ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassen AlSn_xCu, AlSn_xSi, AlPb_x, CuSn_x, CuBi_x, CuSnBi_x, SnAl_x, SnSb_x, AlSn_x, AlSi, wobei x ein Wert sein kann, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 6 und einer oberen Grenze von 30, je nachdem ob eine Hartphase oder eine Weichphase gebildet werden soll, sodass also das Vorprodukt je nach dem gewünschte Verwendungsfall, wie z. B. Großlager oder Kleinlager, entsprechend angepasst hergestellt werden kann.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
1 Ausführungsvarianten einer Beschichtungsvorrichtung;
2 einen Ausschnitt aus einem Vorprodukt;
3 ein aus dem Vorprodukt hergestelltes Lagerelement in Form einer Gleitlagerhalbschale;
4 ein Rauheitsprofil einer Oberfläche eines Vorproduktes;
5 einen Querschliff eines Vorproduktes;
6 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberfläche in 500-facher Vergrößerung.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich, usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In 1 sind verschiedene Ausführungsvarianten einer Beschichtungsvorrichtung 1 in Form einer Vakuumverdampfungsanlage gezeigt. Dieses umfasst ein evakuierbares Gehäuse 2, an bzw. in dem zumindest eine Schleuse 3 zum Ein- und/oder Ausschleusen von zu beschichtenden Gegenständen in einen Innenraum 4 der Beschichtungsvorrichtung 1 angeordnet ist, sowie zumindest eine Vakuumpumpe.
Im Innenraum 4 des Gehäuses 2 sind bei dieser Ausführungsvariante zwei Energiequellen 5 in Form von Elektronenstahlverdampfern angeordnet. Selbstverständlich ist es möglich, auch nur eine dieser Energiequellen 5 bzw. mehr als zwei hiervon vorzusehen, insbesondere deswegen, da es bei der Ausbildung der Energiequelle 5 als Elektronenstrahlverdampfer möglich ist, mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern einen von der Energiequelle 5 ausgehenden Energiestrahl 6 abzulenken, sodass bei geeigneter Steuerung es möglich ist, mit nur einer Energiequelle 5 den Energiestrahl 6 in Art eines Sprungstrahlverfahrens auf mehrere Verdampfungsquellen 7, d. h. auf eine Oberfläche 8 eines in diesen angeordneten, zu verdampfenden Metalls 9, zu lenken. Andererseits ist es möglich, jeder einzelnen Verdampfungsquelle 7, d. h. einem entsprechenden Tiegel, eine eigene Energiequelle 5 zuzuordnen bzw. ist auch eine Bündelung der Energiestrahlen, beispielsweise zur Erhöhung der Energieleistung, für nur eine Verdampfungsquelle 7 mit mehreren Energiequellen 5 möglich.
Zur Steuerung kann der Beschichtungsvorrichtung 1 eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (nicht gezeigt) zugeordnet sein, wobei bereits jetzt darauf hingewiesen wird, dass mit dieser selbstverständlich auch weitere Komponenten der Beschichtungsvorrichtung 1 wirkungsverbunden sein können.
Als Energiequelle(n) 5 können prinzipiell alle bekannten Elektronenstrahlquellen, vorzugsweise Axialelektronenkanonen, eingesetzt werden. Diese können eine Leistung von einigen 100 kW, z. B. 600 kW aufweisen.
Bevorzugt sind die Energiequelle(n) 5 in einem seitlichen Bereich des Innenraums 4 des Gehäuses 2 angeordnet, jedoch können diese selbstverständlich auch an jeder anderen, beliebigen Stelle des Gehäuses 2 angeordnet sein, gegebenenfalls in eigens hierfür am Gehäuse 2 vorgesehenen Aufnahmen 10 (in 1 strichliert dargestellt), um damit z. B. für Wartungsarbeiten eine bessere Zugänglichkeit zu diesen Energiequellen 5 zu erreichen, da lediglich gewährleistet sein muss, dass die Energiestrahlen 6 die Oberfläche 8 des im Tiegel, d. h. der Verdampfungsquelle 7, enthaltenen Targets, d. h. Metalls 9, erreichen.
Die Verdampfungsquellen 7 mit dem darin enthaltenen Metall 9 sind unterhalb eines Substrathalters 11 angeordnet. Bei der gegenständlichen Ausführungsvariante sind drei Verdampfungsquellen 7 gezeigt, wobei sich diese Anzahl danach richten kann, aus wie vielen Einzelmaterialien, d. h. einzelnen Komponenten, eine metallische Schicht 12 (siehe 2) während der Beschichtung aufgebaut wird. Gegebenenfalls ist es weiters möglich, dass mehrere Verdampfungsquellen 7 das gleiche Metall 9, d. h. das gleiche Beschichtungsmaterial, zur Ausbildung der metallischen Schicht 12 enthalten, um dabei während einer Umdrehung des Substrathalters 11 gleichzeitig mehrere Vorprodukte 13 zu beschichten, da ein Partikelstrom 14, der aufgrund des Energieeintrages mit der Energiequelle 5 in das Beschichtungsmaterial, also das Metall 9 der gegenständlichen Ausführungsvariante, in Form einer Dampfkeule 15 entsteht, eine endliche Ausdehnung aufweist, sodass es unter Umständen von Vorteil ist, mehrere Verdampfungsquellen 7 nebeneinander mit dem gleichen Metall 9 anzuordnen, um dabei mehrere nebeneinander ausgebildete Dampfkeulen 15 zu erzeugen.
Die Verdampfungsquellen 7 können beheizbar, z. B. elektrisch, und/oder kühlbar, z. B. mit einem Fluid, wie z. B. Wasser, Luft, etc., sein. Des Weiteren ist es möglich, neben der diskontinuierlichen Vorlage des Metalls 9, z. B. als Schüttgut, dieses kontinuierlich als Strang oder Draht z. B. über den Boden des Tiegels zuzuführen.
Der oberhalb der Verdampfungsquellen 7 angeordnete Substrathalter 11 ist bei gegenständlicher Ausführungsvariante trommelförmig ausgebildet und mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden bzw. versehen, der eine Drehbewegung entsprechend Pfeil 16 ermöglicht. Auf diesem sind bevorzugt mehrere Vorprodukte 13, über den Umfang des Substrathalter 11 verteilt, gehaltert, wobei gegebenenfalls zwischen dem Substrathalter 11 und den Vorprodukten 13, beispielsweise zum Ausgleich der Oberflächenkrümmung des Substrathalters 11, entsprechende Adapter vorgesehen sein können, da erfindungsgemäß ebene Vorprodukte 13, wie dies in 2 dargestellt ist, mit dem Verfahren bzw. der Beschichtungsvorrichtung 1 erzeugt werden.
Zur ortsfesten Halterung der Vorprodukte 13 an der Oberfläche des Substrathalters 11 können Halteeinrichtungen 17, wie z. B. Federn, Haltewinkel, etc., am Substrathalter 11 angeordnet sein, bzw. kann unter Umständen zumindest die Oberfläche des Substrathalters 11 magnetisch ausgeführt sein – sofern dadurch der Energiestrahl 6 nicht negativ beeinflusst wird –, um die metallischen zu beschichtenden Gegenstände auf diesem zu halten. Diese Anordnung kann dabei in fixen Abständen zueinander vorgesehen sein bzw. gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist es möglich, diese Halteeinrichtungen 17 verstellbar über den Umfang am Substrathalter 11 anzuordnen, beispielsweise um damit unterschiedlich große Vorprodukte 13 erzeugen bzw. haltern zu können. Dazu ist es z. B. möglich, dass in der Oberfläche des Substrathalters 11 entsprechende Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen diese Halteeinrichtungen 17 z. B. verschiebbar gehaltert sind, bzw. können mehrere Bohrungen, z. B. in Art eines Lochbandes, über die Oberfläche des Substrathalters 11 verteilt angeordnet sein, wobei diese bevorzugt verschließbar sind, um, wenn in diesen keine Halteeinrichtungen 17 angeordnet werden, eine Beschichtung bzw. ein Aufdampfen von metallischem Material in diesen Bohrungen bzw. Öffnungen oder Durchbrüche zu vermeiden.
Zwischen der bzw. den Energiequelle(n) 5 und den Verdampfungsquellen 7 können Blenden 18, sog. Aperturblenden, angeordnet sein, wobei bevorzugt jeder Energiequelle 5 eine eigene Blende 18 zugeordnet ist. Damit kann der Energiestrahl 6 zur Gänze bzw. teilweise ausgeblendet werden, um beispielsweise einen bestimmten Beschichtungsverlauf zu ermöglichen, um, wenn z. B. in den Verdampfungsquellen 7, d. h. den Tiegeln, unterschiedliche Metalle 9 vorgelegt sind, zumindest einzelne dieser Metalle 9 während der Bedampfung auszublenden und damit eine bestimmte Legierungszusammensetzung bzw. Beschichtungszusammensetzung zu ermöglichen bzw. auf diese Art und Weise unterschiedliche Schichten aufzubauen. Die Blenden 18 sind bevorzugt wassergekühlt, um die Energie, welche über die Energiestrahlen 6 in die Blenden 18 eingebracht wird, abführen zu können. Jegliche andere Art der Kühlung, die hierfür geeignet ist, ist selbstverständlich möglich. Weiters können die Blenden 18 jede beliebige Ausgestaltung aufweisen, z. B. flächig und linear verschiebbar, zweigeteilt und verschwenkbar, etc..
Es ist bei dieser Ausführungsvariante der Beschichtungsvorrichtung 1 vorgesehen, dass zwischen den Verdampfungsquellen 7 und dem Substrathalter 11 zumindest eine Ionisierungsquelle 19 angeordnet ist, wobei mit zwischen im Sinne der Erfindung auch ein seitlicher Bereich, wie dies in 1 für die beiden jeweils äußersten Ionisierungsquellen 19 der Fall ist, mitumfasst ist.
Die Ionisierungsquelle 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form von Elektroden 20 ausgebildet. Diese sind, wie bereits erwähnt, zwischen den Verdampfungsquellen 7 und den Substrathalter 11 sowie seitlich von dem ausgebildeten Partikelstrom 14 in Form der Dampfkeule 15 und zwischen den Verdampfungsquellen 7 und dem Substrathalter 11 und/oder innerhalb dieser Dampfkeule(n) 15 angeordnet, wie dies aus 1 ersichtlich ist. Mit Hilfe dieser Ionisierungsquellen 19 ist es möglich, zumindest einen Teil des Partikelstromes 14, d. h. der darin enthaltenen Partikel zu ionisieren, sodass durch die gegebenenfalls daraus resultierende Beschleunigung der Partikel in Richtung auf die Substratoberfläche bzw. die Oberfläche bereits vorhandener Einzelschichten 21 (siehe 2) eine sehr dichte Struktur der Schicht 12 auf einem Substrat 22 (siehe 2) erzeugt wird, wobei gleichzeitig eine hohe Abscheidegeschwindigkeit durch höhere Energieeinbringung in die Partikel über die Energiequellen 5 in das bzw. die Metalle 9 ermöglicht werden kann.
Es ist also auf diese Weise möglich, in relativ kurzen Zeiträumen eine entsprechende Beschichtung mit homogener Verteilung des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat 22 zu erzeugen.
Anstelle der Elektroden 20 kann die Ionisierungsquelle 19 aber z. B. auch durch einen Laser gebildet sein bzw. sind andere aus dem Stand der Technik bekannte Ionisierungsquellen ebenso verwendbar, wobei gegebenenfalls auch Kombinationen mehrerer unterschiedlicher Ionisierungsquellen 19, also z. B. die Elektroden 20 mit einem Laser, einsetzbar sind.
Mit Hilfe der Ionisierungsquellen 19 ist es möglich, zwischen z. B. den Elektroden 20 eine Verwirbelung des verdampften Materials bzw. Metalls 9, d. h. der Partikel in dem Partikelstrom 14, zumindest teilweise zu erreichen, sodass die Homogenität des abgeschiedenen Materials dadurch weiter verbessert werden kann.
Es ist weiters zusätzlich oder alternativ dazu möglich, an den Substrathalter 11 eine sog. Bias-Spannung anzulegen, sodass zwischen diesem und den Verdampfungsquellen 7 ein elektrisches und/oder elektromagnetisches Feld zur Beschleunigung der Partikel, d. h. der Teilchen des Dampfstromes, aufgebaut wird, wobei die Spannung hinsichtlich des Spannungsverlaufes über die Dauer des Beschichtungsverfahrens mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuer- und/oder regelbar sein kann.
Die Homogenität der Schicht 12 bzw. Einzelschichten 21 kann weiters durch eine geeignete Temperatursteuerung, abhängig vom Beschichtungsmaterial, sowie der Beschichtungsgeschwindigkeit gesteigert werden, wobei hier wiederum die Verwendung von Elektronenstrahlverdampfern als Energiequelle 5 von Vorteil ist, da damit die spezifische lokale Temperatur und damit auch die spezifische lokale Verdampfungsgeschwindigkeit des bzw. der Metalle 9 gegebenenfalls durch die Teilabschattung des Energiestrahles 6 mit Hilfe der Blenden 18 besser kontrolliert werden kann.
Zur weiteren Steigerung der Qualität der Schicht 12 bzw. der Einzelschichten 21 bzw. um damit die Adhäsion zu verbessern, ist es möglich, in Umdrehungsrichtung des Substrathalters 11, gemäß Pfeil 16, den Verdampfungsquellen 7 nachgeordnet einen Magnetron 23, insbesondere einen Kathodenzerstäubungsmagnetron, bzw. allgemein eine Ionenquelle, anzuordnen, wie dies strichliert im linken oberen Quadranten des Gehäuses 2 in 1 dargestellt ist. Es kann damit ein Beschuss der Schicht 12 bzw. Einzelschichten 21 mit energiereichen Teilchen erfolgen. Dieser Magnetron 23 bzw. diese Ionenquelle kann neben der Erzeugung von Ionen für den Beschuss auch zur Herstellung einer Zwischenschicht, beispielsweise einer Diffusionssperrschicht oder einer Haftvermittlerschicht, dienen, die zwischen dem Substrat 22 und der Schicht 12 oder Einzelschichten 21 angeordnet werden kann. Möglich ist damit auch der Einbau von Metallen in sehr geringer Konzentration in die Schicht 12 bzw. Einzelschichten 21. Beispielsweise können durch diese Art einer Sputterquelle Spurenelement, wie z. B. Zr, Sc, etc., in der Schicht 12 eingebaut werden, welche schmelzmetallurgisch in diesen geringen Konzentrationen nur schwer einbringbar sind.
Andererseits ist damit auch eine weitere Verdichtung der Schichtstruktur der Einzelschichten 21 bzw. Schicht 12 möglich.
Ein derartiger Magnetron 23 kann aber auch für die Ionisierungsquellen 19 verwendet werden.
Es sind damit unter anderem auch höhere Härtewerte der Einzelschichten 21 bzw. der Schicht 12 erreichbar.
Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit die Oberfläche des Substrates 22 vorzubehandeln, wie dies strichpunktiert im rechten oberen Quadranten des Gehäuses 2 der Beschichtungsvorrichtung 1 nach 1 in Form einer Vorbehandlungseinrichtung 24 dargestellt ist. Diese Vorbehandlungseinrichtung 24 kann z. B. als Ätzvorrichtung ausgebildet sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise mit Glühkathoden, durch Sputterätzen, Diodensputtern, durch Plasamaktivierung, Koronaentladungsaktivierung. Gegebenfalls kann vor dieser Oberflächenbehandlung bzw. Aktivierung der Oberfläche des Substrates 22 eine weitere Vorbehandlung, z. B. in Form einer Entfettung bzw. generell Reinigung des Substrates 22, durchgeführt werden.
Der Substrathalter 11 kann temperierbar ausgebildet sein. Dazu kann z. B. im Inneren des trommelförmigen Substrathalters 11 ein Heiz- und/oder Kühlsystem 25 ausgebildet sein, um die Oberfläche des Substrathalters 11 und in weiterer Folge die Substrate 22 auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten bzw. mit einem definierten Temperaturverlauf zu beschichten. Dieses Heiz- und/oder Kühlsystem 25, wie dies strichdoppelpunktiert dargestellt ist, kann z. B. als Heiz- und/oder Kühlmantel ausgebildet sein und entsprechende Anschlüsse für einen Zulauf 26 und einen Ablauf 27 aufweisen, die mit einem entsprechenden Versorgungssystem (in 1 nicht dargestellt) strömungsverbunden sind. Zur Kühlung kann beispielsweise Öl, Wasser, Luft, etc. verwendet werden, wobei gegebenenfalls zur Abfuhr von überschüssiger Wärme diesem Heizung- und/oder Kühlsystem 25 zur Energierückgewinnung ein Wärmetauscher zugeordnet sein kann.
Es wird damit möglich, das Beschichtungsverfahren mit einer exakten Temperatursteuerung durchzuführen, sodass aufgrund dieser Beschichtungstemperatur bzw. des Beschichtungstemperaturverlaufes ebenfalls eine homogene dichte Struktur der Schicht 12 bzw. Einzelschichten 21 ausgebildet werden kann und somit gegebenenfalls auf die Ionisierungsquellen 19, die voranstehend 1 beschrieben worden sind, verzichtet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu diesen fluiddurchströmten Heiz- und/oder Kühlsystem 25 ist es ebenfalls möglich, im Inneren des Substrathalters 11 z. B. eine Widerstandsheizung in Form eines Heizdrahtes anzuordnen.
In 2 ist ein mit der Beschichtungsvorrichtung 1 nach 1 hergestelltes Vorprodukt 13 ausschnittsweise dargestellt. Dieses wird aus dem Substrat 22 sowie der darauf aufgedampften Schicht gebildet. Die Schicht 12 besteht aus Einzelschichten 21, wobei in 2 dies nur andeutungsweise dargestellt sind. Erfindungsgemäß sind zwischen 50 und 5000, insbesondere 100 und 4000, vorzugsweise 250 und 2500, Einzelschichten 21 auf das metallische Substrat 22 aufgebracht.
Obwohl in 2 die Einzelschichten 21 diskret dargestellt sind, ist es möglich, dass je nach Verfahrensführung diese Einzelschichten 21 zumindest makroskopisch nicht mehr unterscheidbar sind, beispielsweise wenn in einer Ruhephase des Beschichtungsverfahrens, also wenn das Substrat 22 aus dem Partikelstrom 14 bzw. der oder den Dampfkeule(n) durch die Umdrehung des Substrathalters 11 herausbefördert wird, eine Diffusion zumindest einzelner Bestandteile der Einzelschichten 21 stattfindet und damit eine Art „Vermischungseffekt” entsteht.
Erfindungsgemäß werden mit dem Hochrate-Bedampfungsverfahren dicke Beschichtungen erzeugt, wobei die Schicht 12 eine Schichtdicke von > 100 μm, insbesondere > 150 μm, bevorzugt > 200 μm, aufweist. Die Einzelschichten 21 können dabei eine Dicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 nm und einer oberen Grenze von 10 μm. Diese Schichtdicke der Einzelschichten 21 kann sich nach der Abscheidegeschwindigkeit richten bzw. der Höhe der eingebrachten Energie in die Verdampfungsquellen 7 bzw. nach der Höhe der auf die Partikel übertragenen, kinetischen Energie, mit der diese gegen die Oberfläche des Substrates 22 gegebenenfalls beschleunigt werden. Daneben kann sich diese Schichtdicke nach der jeweiligen Temperaturführung ausrichten.
Als Substrat wird vorzugsweise ein Stahlstreifen verwendet, wie dieser üblicherweise zur Herstellung von Lagerelementen, wie z. B. Gleitlagern, insbesondere Gleitlagerhalbschalen, Verwendung findet, nachdem das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Vorprodukten für die Fertigung von Lagerprodukten Verwendung findet.
Es ist aber auch möglich, anstelle des Stahlstreifens Substrate 22 einzusetzen, die z. B. aus einem Verbundwerkstoff, wie z. B. einem Cu-Pb-Sn-Verbundwerkstoff, Stahl/Aluminium- oder Stahl/Weißmetall-Verbundwerkstoff, ausgebildet sind.
Dabei kann auf dem metallischen Substrat 22, z. B. nach einem Sputterverfahren, einem PVD- oder nach einem galvanischen Verfahren auch eine Haftvermittler- bzw. Adhäsionsschicht – obwohl dies nach der Erfindung nicht erforderlich ist –, wie z. B. AlCu10, bzw. eine andersartige Funktionsschicht, welche im Bereich der Lagerelemente Verwendung findet, ausgebildet werden.
Derartige Funktionsschichten können beispielsweise als Diffusionssperrschichten ausgebildet sein, um eine möglicherweise stattfindende Diffusion von Bestandteilen zwischen der Schicht 12 und dem Substrat 22 bzw. einer unter der Diffusionsschicht angeordneten weiteren Funktionsschicht zu vermeiden. Daneben ist es selbstverständliche möglich, derartige Schichten vorab, z. B. durch Plattier- bzw. Walzverfahren, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufzubringen. Als Werkstoffe für derartige Zwischenschichten können z. B. Nickel-, Nickel-Chrom-, Nickel-Kupferlegierungen verwendet werden, beispielsweise CuSn, CuBe, AlZn, AlSn, AlSi, CuAl, CuAlFe, CuSnZn, CuZn.
Generell ist anzuführen, dass das Vorprodukt 13 – abgesehen von der Schicht 12 bzw. den Einzelschichten 21 – zwei- oder mehrschichtig ausgebildet sein kann, dass also zwischen dem Substrat 22 und der Schicht 12 zumindest einen weitere Schicht angeordnet ist.
Die Schicht 12 bzw. Einzelschichten 21 können Legierungen z. B. folgenden Typs bilden: AlSn_xCu, AlSn_xSi, AlPb_x, CuSn_x, CuBi_x, SnAl_x, SnSb_x, AlSn, AlCu, AlSi. Obwohl dies nicht beschränkend für die Erfindung ist, kann x eine Zahl sein, ausgewählt aus einem Bereich von 1 bis 30, insbesondere 3 bis 25, vorzugsweise 6 bis 20. Beispielsweise können im AlSnCu-Bereich AlSn6, AlSn50Cul, SnAl6, AlSnSi-System, AlSn6Si2, AlSn25Si8, SnAn20Si2, im CuSn-System CuSn12, SnCu6, im CuPb-System CuPb5, CuPb50, PbCu6, sowie im CuPbSn-System CuPb10Sn2, CuPb30Sn6, PbCu6Sn2 Legierungen bzw. Einzelschichten 21 für die Schicht 12 gebildet werden, wobei jede Zwischenstufe zwischen den einzelnen Legierungen ebenfalls möglich ist. Dazu können in den Verdampferquellen 7 entsprechende Metalle 9, die zum einen ein Basiselement, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Aluminium, Zink, Kupfer, Blei, sowie ein weiteres Element, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei, Zinn, Wismut, Zink, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Beryllium, Chrom, Kupfer, Aluminium mit der Maßgabe, dass das Legierungselement ungleich dem Basiselement ist, vorgelegt werden.
Bevorzugt werden nach dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren chemische Reinelement, d. h. reine Metalle 9, mit einem entsprechenden Reinheitsgrad verwendet, sodass eine Legierungsbildung erst im Partikelstrom 14 bzw. durch das Abscheiden der einzelnen Partikel aus der bzw. den Dampfkeule(n) auf der Oberfläche des Substrates 22 bzw. der Einzelschichten 21 und einer nachfolgenden Diffusion erfolgt. Einsetzbar sind auch sog. Sekundärmetalle aus Recyclingverfahren.
Zur Verbesserung der Eigenschaften der Einzelschichten 21 bzw. der Schicht 12 ist es von Vorteil, wenn diese mit einer Oberflächenrauhigkeit erzeugt werden, die kleiner ist als eine Oberflächenrauhigkeit des Substrats 22, wobei erzeugt im Sinne der Erfindung nicht unbedingt meint, dass diese Oberflächenrauhigkeit während der Beschichtung selbst, d. h. im Partikelstrom 14 durch das Abscheiden der Partikel auf die Substratoberfläche hergestellt wird, sondern durch die gegebenenfalls vorhandene nachfolgende Ruhephase es zu einer Oberflächenvergleichmäßigung im Hinblick auf die Rauhigkeit kommt, z. B. durch bereits erwähnten Ionenbeschuss der Oberfläche. Eine mechanische Bearbeitung erfolgt hierzu jedoch nicht.
Es ist dabei möglich, dass ein Substrat 22 verwendet wird mit einer Abweichung von einer mittleren Substratdicke, die nicht größer ist als 200 μm, insbesondere nicht größer als 150 μm, vorzugsweise nicht größer als 100 μm, ist.
Wie bereits erwähnt, kann die Beschichtung, d. h. die Schicht 12, homogen hergestellt werden, wobei dies einerseits bereits im Partikelstrom 14 erfolgen kann, oder aber infolge nachfolgender Diffusionsvorgänge außerhalb des Partikelstromes 14. Daneben ist es erfindungsgemäß auch möglich, eine ausgeprägte Multilayerstruktur, wie dies z. B. in 2 andeutungsweise dargestellt ist, zu erzeugen, wobei makroskopisch gesehen wiederum Homogenität bestehen kann, also die Zusammensetzung der Einzelschichten 21 zwischen einzelnen Schichten variieren kann, um damit ein entsprechendes Verhalten bzw. entsprechende Eigenschaften des Vorproduktes 13 zu erhalten. Diese Multilayerstruktur kann z. B. durch einen entsprechenden Temperaturverlauf mit der Beschichtungsvorrichtun 1, insbesondere des Heiz- und/oder Kühlsystems 25, erzeugt werden und ist dieser abhängig von den jeweils verwendeten Metallen 9 für die auszubildende Beschichtung. Daneben kann über das Temperaturverhalten bzw. den Temperaturverlauf, der mit diesem Heiz- und/oder Kühlsystem 25 eingestellt wird, auch das Diffusionsverhalten beeinflusst werden und somit durch entsprechende Steuerung die Ausbildung dieser Multilayerstruktur unterstützt werden.
Obwohl es Hauptzweck der Erfindung ist, homogene, dichte Schichten 12 bzw. dichte Schichten 12 mit Multilayerstruktur zu erzeugen, kann es von Vorteil sein, zumindest einzelne der Einzelschichten 21, insbesondere in oberflächennahen Bereichen, d. h. in jenen Bereichen, welche im späteren Verwendungsfall des Vorproduktes 13 als Lagerelement mit einem zu lagernden Teil, insbesondere einer Welle, in Kontakt stehen, mit einer gewissen Restporosität auszurüsten, beispielsweise um darin Schmiermittel, wie z. B. ein Schmieröl, aufnehmen zu lassen. Es können beispielsweise Poren erzeugt werden mit einem mittleren Porendurchmesser, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 μm und einer oberen Grenze von 10 μm. Diese Restporosität kann zum einen dadurch erreicht werden, dass in einem abschließenden Verfahrensverlauf die restlichen noch aufzubringenden Einzelschichten 21 mit höherer Umdrehungsgeschwindigkeit des Substrathalters 11 abgeschieden werden, sodass sich keine „durchgehende” Einzelschicht 21 ausbildet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es auch möglich, mit der Beschichtungsvorrichtung 1 einen entsprechenden Temperaturverlauf vorzugeben, um beispielsweise bei verminderter Temperatur und der aufgrund der geringeren Energieeinbringung in die Teilchen relativ geringeren Beweglichkeit derselben eine Diffusion bzw. einen Ausgleich bzw. eine Homogenisierung der Einzelschichten 21 zu verzögern bzw. in geringerem Ausmaß durchzuführen.
Mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren ist es weiters möglich, Elemente bzw. Metalle 9 in äußerst geringen Mengen, d. h. Konzentrationen, wie z. B. Zirkonium, Scandium, Yttrium, etc., in die bzw. zumindest eine der Einzelschichten 21 einzulagern, beispielsweise mit einer Konzentration von 0,01 bis 0,1%. Diese Metalle 9 können dabei bereits in den Verdampfungsquellen 7 vorgelegt sein bzw. in einem nachfolgenden Schritt aus einer zusätzlichen Quelle, z. B. einer entsprechende Kathode, in die Schicht 12 eingebracht werden. Es ist damit also möglich, Spurenelement, welche schmelzmetallurgisch in diesen geringen Konzentrationen nicht sinnvoll in Legierungen eingebaut werden, herzustellen.
Des weiteren kann durch zusätzliche Quellen in der so genannten Nichtbedampfungsphase auch eine chemische Reaktion stattfinden, um besondere Schichten auszubilden, wie z. B. Härteschichten, wie z. B. Nitrid-, Bord- oder Oxidschichten, etc.
Es ist auf diese Weise also möglich, zumindest eine an der Substratoberfläche anliegende Einzelschicht 21 zu härten, um beispielsweise einen Härtegradienten in der Schicht 12 zu erzeugen.
Des weiteren kann durch geeignete Steuerung des Verfahrens, d. h. entsprechende Energieeinbringung in die Verdampfungsquellen 7 bzw. Abschattung einzelner Verdampfungsquellen 7 bzw. wenn zur Umlenkung des Energiestrahls 6 Magnete verwendet werden, durch entsprechende Steuerung dieser Magnete, ein Konzentrationsgradient für zumindest einzelne Metalle 9 innerhalb der Schicht 12 bzw. der Einzelschichten 21 erzeugt werden.
Es ist weiters möglich, das Beschichtungsverfahren derart zu steuern, dass in der Schicht 12 bzw. in zumindest einer äußeren Einzelschicht 21 der Schicht 12 Komponenten abgeschieden werden, die im späteren Betrieb des aus dem Vorprodukt 13 gefertigten Lagerelementes eine Phasenumwandlung erfahren, sodass also dem Lagerelement ein Notlaufverhalten bei Eintreten einer Notfalltemperatur im Lager, also bei einer erhöhten Temperatur, ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann derart betrieben werden, dass eine Spannung zum Aufbau des elektrischen Feldes zwischen dem Substrathalter 11 und den Verdampfungsquellen 7 ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 V und einer oberen Grenze von 800 V, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 50 V und einer oberen Grenze von 600 V, insbesondere mit einer unteren Grenze von 100 V und einer oberen Grenze von 400 V.
Des weiteren kann das metallische Substrat 22 auf eine Temperatur temperiert werden, die mindestens 10°C unterhalb des Schmelzpunktes des zu verdampfenden Elementes mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liegt, wobei diese Temperierung vorteilhafter Weise bereits vor Beginn der Beschichtung durchgeführt wird.
Dabei können durch entsprechende Temperaturführung auch die Eigenschaften der Schicht 12 beeinflusst werden. Beispielsweise werden durch niedrigere Temperaturen amorphe Schichten ausgebildet und kann durch erhöhte Temperatur eine „strukturierte” Schicht 12 ausgebildet werden. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, einen entsprechenden Temperaturverlauf während des Beschichtungsverfahrens durchzuführen, sodass also sowohl amorphe als auch nicht amorphe Einzelschichten 21 sowie sämtliche Übergänge hierzu gebildet werden.
Die Eigenschaften der Schicht 12 können weiters durch die Abscheiderate der Partikel aus dem Partikelstrom 14 beeinflusst werden, wobei diese Abscheiderate ausgewählt sein kann aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,1 μm/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 0,03 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,07 μm/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 0,05 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,06 μm/sec.
Dabei kann der Substrathalter 11 mit einer Geschwindigkeit betrieben werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 m/sec und einer oberen Grenze von 10 m/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 1 m/sec und einer oberen Grenze von 7 m/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 3 m/sec und einer oberen Grenze von 6 m/sec. Des weiteren ist es möglich, das Verfahren bei einem Druck durchzuführen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1.10^–7 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–2 mbar, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 1.10^–6 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–3 mbar, insbesondere mit einer unteren Grenze von 1.10^–5 mbar und einer oberen Grenze von 2.10^–4.
Selbstverständlich ist es möglich, die einzelnen Parameter aufeinander abzustimmen bzw. Parameter während des Beschichtungsverfahrens zu verändern.
Die die Phasenumwandlung ausbildenden Komponenten bzw. Komponente können ausgewählt sein aus einer Gruppe von Verbindungen die aus Elementen gebildet werden aus einer Gruppe umfassend Zinn, Silber, Kupfer, Aluminium, Mangan, Magnesium, Blei, Beryllium sowie Mischungen daraus.
Weiters können die Eigenschaften durch einen Abstand zwischen dem Substrathalter 11 und den Verdampfungsquellen 7 beeinflusst werden, indem eine Variation der Abscheidemenge aufgrund eines mehr oder weniger tiefen Eintauchens der Substrate 22 in die Dampfkeule 15 erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist es möglich, über den Abstand der Verdampfungsquellen 7 zueinander einen mehr oder weniger großen Überschneidungsbereich einzelner Dampfkeulen 15 zu erhalten, sodass über diesen Abstand ebenfalls eine entsprechende Durchmischung der einzelnen Partikel aus den verschiedenen Verdampfungsquellen 7 in mehr oder weniger großem Ausmaß erreicht wird. Gegebenenfalls ist es dabei möglich, dass dieser Abstand sowie der Abstand der Verdampfungsquellen 7 zum Substrat 22 während des Beschichtungsverfahrens verändert wird, beispielsweise indem die Verdampfungsquellen 7 höhen- und/oder seitenverstellbar ausgebildet sind, wobei diese mit einem Motor, z. B. einem Schrittmotor, wirkungsverbunden sein können.
Durch entsprechende Wahl dieser Parameter bzw. generell durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren ist es möglich, aufgrund der Abscheidung von Einzelschichten 22 sehr feinkörnige Vorprodukte 13 mit extrem hoher Belastbarkeit herzustellen, wobei, wie erwähnt, die Vorbehandlung, wie sich anhand von Versuchen gezeigt hat, keine bzw. vernachlässigbare Nebeneffekt erzeugen, sodass diese Vorbehandlung sehr einfach gestaltet werden kann, beispielsweise in einer einfachen Reinigung, womit wiederum das Verfahren selbst kostengünstiger ausgeführt werden kann.
Das Substrat 22 kann anfangs beheizt werden und in späteren Stadien des Beschichtungsverfahrens gekühlt werden, um es auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten.
Dabei kann ein entsprechendes thermisches Gleichgewicht und somit eine entsprechende Struktur(veränderung) erreicht werden.
Ein thermisches Gleichgewicht kann auch durch die Rotationsgeschwindigkeit des Substrathalters 11 eingestellt werden, indem die Kondensationswärme auf den Wärmeverlust durch Strahlung abgeglichen wird.
Über Sputterkathoden kann beispielsweise eine Haftschicht, sollte dies gewünscht sein, aufgebracht werden.
Da die Verdampfungsquellen 7 eine endliche Größe aufweisen, ist vorgesehen, für größere Substrate 22 den Substrathalter 11 linear verschiebbar auszubilden, also beispielsweise in Richtung einer Drehachse 28 des Substrathalters 11. Dadurch wird eine spiralförmige Beschichtung größerer Oberflächen ermöglicht.
Von Vorteil ist dabei, um einheitliche, d. h. homogenere Schichten 12 zu erzeugen, wenn die Bewegung durch Rotation und die linearer Bewegung derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich die aufgebrachten Beschichtungsteilstücke in Randbereichen zumindest teilweise überlappen.
In 2 ist strichliert weiters dargestellt, dass auf einer unbehandelten Oberfläche 29 des Substrates 22, d. h. der Oberfläche, welche am Substrat 22 der Schicht 12 gegenüberliegend ist, zumindest eine weitere Funktionsschicht, wie z. B. eine Korrosionsschutzschicht, insbesondere eine Schicht gegen reibenden Verschleiß, wie z. B. eine Schicht aus CuSn6 oder CuSn, etc., angeordnet werden kann. Zudem kann aber die erfindungsgemäße Beschichtung auch zweiseitig erfolgen, also beispielsweise auf dieser zweiten Oberfläche ebenfalls eine Laufschicht für ein Lagerelement ausgebildet werden.
3 zeigt schließlich den Anwendungsfall des Vorproduktes 13 nach 2 in Form eines Lagerelementes, insbesondere einer Gleitlagerhalbschale 30. Diese entsteht durch entsprechende nachfolgende Verformung bzw. Umformung aus dem Vorprodukt 13 und weist das Substrat 22 sowie zumindest die Schicht 12 auf.
Das Lagerelement kann aber auch in Form eines Volllagers, einer Lagerbuchse etc. ausgebildet sein.
Die Schicht 12 weist in derartigen Lagerelementen eine geringere Dicke auf, wobei unter Umständen bis zu 60% der ursprünglichen Schichtdicke aufgrund der Stoßverdichtung bzw. generell durch die Umformung verloren gehen. Es ist aus diesem Grund nicht zwingend erforderlich, auf eine regelmäßige Schichtdicke bei den Einzelschichten 21 zu achten.
Die 4 bis 6 zeigen schließlich zum einen ein Rauheitsprofil und zum anderen eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Querschiffes sowie eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer Oberfläche der Schicht 12 eines erfindungsgemäß hergestellten Vorproduktes 13 nach 2. Dieses besteht aus einem Substrat 22 aus einem Stahlstreifen sowie aus einer AlSn20Cu-Legierung, welche die Schicht 12 bildet. Der Stahlstreifen hat dabei eine Dimension von 3000 × 260 × 3 mm und wurde dieser auf dem Substrathalter 11 nach 1 mit einem Durchmesser von 1000 mm angeordnet. Es wurden dabei 100 Einzelschichten 21 erzeugt, mit einer Dicke von jeweils 1 μm bei einer Temperatur von 150°C.
Wie nun insbesondere 4 zeigt, konnte eine sehr ebenmäßige Oberfläche der Schicht 12 erzeugt werden, wobei ein arithmetischer Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4287 0,951 μm und eine maximale Rauheitsprofilhöhe Rz nach DIN EN ISO 4287 6,287 μm bzw. R3z 4,843 μm beträgt.
Aus 5 ist dazu ersichtlich, dass die Schicht 12 homogen aufgebaut ist und lichtmikroskopisch keinerlei Einzelschichten zu unterscheiden sind. Des weiteren ist aus dieser Figur ersichtlich, dass obwohl keine Haftvermittlungsschicht aufgebracht wird, keine Haftungsfehler zwischen dem Substrat 22 und der Schicht 12 vorhanden sind.
Sowohl 5 als auch 6 belegen die Feinkörnigkeit der Oberfläche der Schicht 12, wobei der Querschliff nach 5 ungeätzt ist und die Rasterelektronenmikroskop der Oberfläche eine 500-fache Vergrößerung derselben zeigt.
Die Gesamtschichtdicke, welche aus 12 ersichtlich ist, beträgt zwischen 90 und 91 μm.
Die AlSn20Cu-Schicht wies dabei folgende Werte für die Mikrohärte auf:
39,1/38,8/39,2/38,7/38,8 UMHV5p
37,4/38,3/38,5/36,5/37,9 UMHV10p
Die Härteangaben beziehen sich auf eine Vickers-Mikrohärtemessung mit 0,0005 bzw. 0,001 Kilopond Prüfkraft lt. der Norm DIN EN ISO 6507-1.
Die Härte nach Vickers wurde mit HV > 50 gemessen.
Es wurden allerdings auch Schichten 12 in weiteren Versuchen erzeugt mit HV > 60.

Die Zusammensetzung der Schicht 12 wurde an 10 Zonen vermessen und ergab folgendes Ergebnis:

	Al Gew.-%	Sn Gew.-%	Cu Gew.-%
Zone 1	83,17	15,52	1,31
Zone 2	83,47	14,30	2,22
Zone 3	84,06	14,93	1,10
Zone 4	80,58	18,12	1,30
Zone 5	84,71	14,32	0,97
Zone 6	76,88	21,88	1,25
Zone 7	81,61	16,57	1,76
Zone 8	82,24	17,37	0,39
Zone 9	78,97	19,62	1,41
Zone 10	78,76	17,92	0,85

Wie die einzelnen Messwerte darstellen, konnte also mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren bereits in noch nicht optimierten Vorversuchen eine sehr homogene, einheitliche Schicht 12 erzeugt werden.
Generell ist festzuhalten, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Gasphase aufgedampfte Schichten 12 herstellbar sind, die im Vergleich zu Sputterschichten der gleichen Zusammensetzung eine um 30%, insbesondere 35%, vorzugsweise 40%, geringere Härte nach Vickers aufweisen. Die erfindungsgemäße Schicht 12 weist eine höhere Bruchdehnung aufgrund höherer Zähigkeit im Vergleich zu Sputterschichten auf.
Darüber hinaus können Schichten 12 hergestellt werden, die – im Vergleich zu Sputterschichten – keine Spurenelemente aus der Verdampfungsquelle 7 aufweisen.
Zudem sind bleifreie Schichten kostengünstig herstellbar.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Beschichtungsvorrichtung 1 und des Vorproduktes 13 sowie des Lagerelementes diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Bezugszeichenliste

1: Beschichtungsvorrichtung
2: Gehäuse
3: Schleuse
4: Innenraum
5: Energiequelle
6: Energiestrahl
7: Verdampfungsquelle
8: Oberfläche
9: Metall
10: Aufnahme
11: Substrathalter
12: Schicht
13: Vorprodukt
14: Partikelstrom
15: Dampfkeule
16: Pfeil
17: Halteeinrichtung
18: Blende
19: Ionisierungsquelle
20: Elektrode
21: Einzelschicht
22: Substrat
23: Magnetron
24: Vorbehandlungseinrichtung
25: Kühlsystem
26: Zulauf
27: Ablauf
28: Drehlachse
29: Oberfläche
30: Gleitlagerhalbschale

Claims

Beschichtungsverfahren zum Herstellen eines streifenförmigen Vorproduktes für ein Lagerelement, bei dem auf einem ebenen, metallischen Substrat (22), das von einem Substrathalter (11) gehaltert ist, aus der Gasphase eine aus mehreren Einzelschichten bestehende metallische Schicht (12) aus Partikeln unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Energiequelle (5) aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle (7) bildenden Behälter verdampft werden, und wobei als metallische Schicht (12) ein Zwei- oder Mehrkomponentensystem aufgebaut wird, bestehend aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei, legiert mit zumindest einem weiteren Element ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei, Zinn, Wismut, Zink, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Beryllium mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) aus einer Anzahl an Einzelschichten (21) sequenziell aufgebaut wird, die ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 und einer oberen Grenze von 5000, wobei die metallische Schicht (12) mit einer Schichtdicke von größer 100 μm abgeschieden wird.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschichten (21) mit einer definierten Schichtdicke ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 nm und einer oberen Grenze von 10 μm auf dem Substrat (22) niedergeschlagen werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Einzelschichten (21) ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 100, vorzugsweise 250, und einer oberen Grenze 4000, vorzugsweise 2500.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschichten (21) mit einer Oberflächenrauhigkeit erzeugt werden, die kleiner ist als die Oberflächenrauhigkeit des Substrats (22).
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (22) verwendet wird, mit einer Abweichung von einer mittleren Substratdicke die nicht größer ist als 200 μm, insbesondere nicht größer als 150 μm, vorzugsweise nicht größer als 100 μm.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der zumindest einen Verdampfungsquelle (7) eine Homogenisierung in der metallischen Schicht (12) oder zwischen den Einzelschichten (21) durch Diffusion zumindest einzelner Bestandteile der Schicht(en) (12, 21) durchgeführt wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen zumindest der ersten Einzelschichten (21) eine Strukturverbesserung dieser Einzelschichten (21) durch Beschuss mit energiereichen Teilchen durchgeführt wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der verdampften Partikel ionisiert wird, um diese während des Abscheidens der Einzelschichten (21) in einem zwischen dem Substrat (22) und zumindest einer Elektrode (20) aufgebauten elektrischen Feld in Richtung auf die Oberfläche des Substrates oder der bereits abgeschiedenen Einzelschichten und/oder in einem zwischen den Elektroden, zum Aufbau eines zumindest annähernd senkrecht zu dem Partikelstrom zwischen dem Substrathalter und der zumindest einen Verdampferquelle verlaufenden elektrischen Feld zu beschleunigen.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung zum Aufbau des elektrischen Feldes ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 V und einer oberen Grenze von 800 V, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 50 V und einer oberen Grenze von 600 V, insbesondere mit einer unteren Grenze von 100 V und einer oberen Grenze von 400 V.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat (22) auf eine Temperatur temperiert wird, die mindestens 10°C unterhalb des Schmelzpunktes jenes zu verdampfenden Elementes mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liegt.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer Abscheiderate durchgeführt wird ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,1 μm/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 0,03 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,07 μm/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 0,05 μm/sec und einer oberen Grenze von 0,06 μm/sec.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter (11) mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,01 m/sec und einer oberen Grenze von 10 m/sec, vorzugsweise mit einer unteren Grenze von 1 m/sec und einer oberen Grenze von 7 m/sec, insbesondere mit einer unteren Grenze von 3 m/sec und einer oberen Grenze von 6 m/sec.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau zumindest einer äußersten Schicht der Einzelschichten (21) Komponenten abgeschieden werden, die eine Phasenumwandlung von einer metastabilen in eine stabile Phase während des Betriebes des fertigen Lagerelementes unterhalb einer Notfalltemperatur erfahren.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten zur Ausbildung der metastabilen Phasen ausgewählt werden aus Verbindungen die aus Elementen gebildet werden aus einer Gruppe umfassend Zinn, Silber, Kupfer, Aluminium, Mangan, Magnesium, Blei, Beryllium sowie Mischungen daraus.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine an der Substratoberfläche anliegende Einzelschicht (21) gehärtet wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer innersten Einzelschicht (21) an der Substratoberfläche in Richtung auf die äußerste Einzelschicht (21) für zumindest eine Komponente ein Konzentrationsgradient gebildet wird.