DE102007051023A1

DE102007051023A1 - Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils

Info

Publication number: DE102007051023A1
Application number: DE200710051023
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Schnagl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils, bei dem statisch geladene Partikel aus Beschichtungsmaterial erzeugt und in Richtung des zu beschichtenden Bauteils bewegt werden und wobei zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Bauteils in einem flachen Winkel zu der Bewegungsrichtung der Partikel ausgerichtet ist, werden die Partikel mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Felds zumindest teilweise abgelenkt werden, so dass sie unter einem ausreichend großen Winkel auf diesen Abschnitt der Oberfläche auftreffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils, bei dem statisch geladene Partikel aus Beschichtungsmaterial erzeugt und in Richtung des zu beschichtenden Bauteils bewegt werden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Oberflächen von Bauteilen mittels physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung zu beschichten.
Mit physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) wird eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren bezeichnet, bei denen die Schicht durch Kondensation eines Materialdampfs aus Beschichtungsmaterial gebildet wird. Der Beschichtungsprozess eines Bauteils mittels eines PVD-Verfahrens kann grob in drei Prozessschritte unterteilt werden. In dem ersten Verfahrensschritt wird der Beschichtungswerkstoff, der als feststoffförmiges Target vorliegt, verdampft oder zerstäubt. Als Beispiele für Verdampfungsverfahren können das thermische, das Elektronenstrahl-, Laserstrahl- und das Lichtbogenverdampfen sowie die Molekularstrahlepitaxie genannt werden. Ein Zerstäuben des Beschichtungsmaterials kann beispielsweise durch Sputtern (Kathodenzerstäubung) erfolgen. Der Transport des verdampften Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Oberfläche kann durch die Erzeugung von elektrischen Feldern unterstützt werden, durch die die Partikel des Beschichtungswerkstoffs, die zumindest zu einem Großteil statisch geladen vorliegen, in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an das zu beschichtende Bauteil eine negative Spannung angelegt wird. Beim Auftreffen der Dampfpartikel auf die beschichtende Oberfläche beginnen sich diese durch Kondensation abzulagern.
Mit den verschiedenen PVD-Verfahren können nahezu alle Metalle und auch Kunststoffe in sehr reiner Form abgeschieden werden. Sofern dem Prozess zusätzlich Reaktivgase, wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe, zugeführt werden, lassen sich auch Oxide, Nitride oder Karbide abscheiden.
Die chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) unterscheidet sich von der physikalischen im wesentlichen in der Art des Targets. Dieses liegt bei einem CVD Verfahren gasförmig vor.
Ein wesentlicher Nachteil des oben beschriebenen PVD- bzw. CVD-Verfahrens liegt in der geradlinigen Flugbahn der Partikel des verdampften Beschichtungsmaterials. Da für eine gute Haftung der Partikel auf der Oberfläche ein steiler, d. h. großer Einfallwinkel erforderlich ist, ist es bisher nicht möglich, komplex dreidimensional geformte Oberfläche qualitativ hochwertig mittels eines PVD- oder CVD Verfahrens zu beschichten, da die Partikel an den Abschnitten der Oberfläche, die einen zu spitzten Winkel mit der Flugrichtung der Partikel einschließen, nicht haften bleiben.
Insbesondere bei einer Beschichtung mit Kohlenstoff-Ionen hat der Auftreffwinkel der Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität und insbesondere die Härte der Beschichtung. Dies ist darin begründet, dass bei einer Beschichtung mit Kohlenstoff in der Regel die Ausbildung einer Beschichtung aus amorphem, d. h. diamantähnlichem Kohlenstoff angestrebt wird, der besonders hart und verschleißarm ist. Für die Umwandlung in amorphen Kohlenstoff sind jedoch sehr hohe Drücke im Auftreffpunkt der Partikel auf die Oberfläche notwendig, die bei den derzeitig erreichbaren Partikelgeschwindigkeiten lediglich bei einem sehr steilen Auf treffwinkel mit einer entsprechend hohen Kraftkomponente in Normalenrichtung zur Oberfläche erreicht werden können. Bei einem zu flachen Auftreffwinkel werden diese Drücke häufig nicht erreicht mit der Folge, dass die Beschichtung teilweise nicht die erforderliche Härte aufweist.
In der Regel werden daher mittels PVD- bzw. CVD-Verfahren lediglich vollkommen ebene Bauteile, wie z. B. Wafer, beschichtet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Beschichtung auch von komplex dreidimensional geformten Oberflächen von Bauteilen mittels eines PVD- bzw. CVD-Verfahrens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine konkrete Verwendung dieses Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Verfahren zum Beschichten einer komplex dreidimensional geformten Oberfläche eines Bauteils, bei dem Partikel aus Beschichtungsmaterial erzeugt werden, die zumindest teilweise statisch geladen sind, und die in Richtung des zu beschichtenden Bauteils bewegt werden, wobei die Bewegungsrichtung der Partikel in einem flachen Winkel zu zumindest einem Abschnitt der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils gerichtet ist, die geladenen Partikel mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Felds zumindest teilweise derart abzulenken, dass sie unter einem ausreichend großen Winkel auf diesen Abschnitt der Oberfläche auftreffen.
Unter einem flachen Winkel wird erfindungsgemäß ein Winkel verstanden, der dazu führt, dass die Partikel beim Auftreffen auf die Oberfläche eine Beschichtung ausbilden, die die Qualitätsanforderungen – im Gegensatz zu denjenigen Abschnitten der Oberfläche, die in eine ausreichend großen Winkel zu der Flugbahn der Partikel ausgerichtet sind – nicht erfüllt (z. B. keine ausreichende Haftung mit der Oberfläche eingehend; keine ausreichende Härte der Beschichtung, etc.) . Dementsprechend ist als ausreichend großer Winkel ein Winkel zu verstehen, der unter Berücksichtigung der weiteren Verfahrensparameter eine ausreichende Qualität der Beschichtung sicherstellt.
Vorteilhafterweise können die geladenen Partikel mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens erzeugt werden. Hierbei können die aus dem Stand der Technik bekannten PVD- bzw. CVD-Verfahren in allen ihren möglichen Abwandlungen zum Einsatz kommen. Diese PVD- bzw. CVD-Verfahren umfassen – wie bereits ausgeführt wurde – die Erzeugung statisch geladener Partkel aus Beschichtungswerkstoffs mittels beliebiger, insbesondere jedoch der oben aufgeführten Verfahren, einen durch die Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Felds gegebenenfalls unterstützten Transport der Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche und die Ausbildung der Beschichtung durch Kondensation der Partikel an der Oberfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Partikel mittels einer Ionen-Optik und insbesondere einer elektrischen oder magnetischen Linse abgelenkt werden. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher elektrischer oder magnetischer Linsen ist im Stand der Technik hinreichend bekannt. Derartige Linsen ermöglichen eine Beeinflussung der Flugbahn der Partikel, indem die Linse die Flugbahnen paralleler Partikel entweder fokussiert oder streut, so dass der Auftreffwinkel der Partikel auf der zu beschichtenden Oberfläche beeinflusst werden kann. Weiterhin bieten derartige Linsen eine einfache Möglichkeit durch eine Veränderung der Brennweite während des Beschichtungsprozesses die Flugbahn weiter zu beeinflussen, mit dem Ziel, z. B. eine möglichst gleichmäßige Schicht entstehen zu lassen.
Eine besondere Problematik bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich ergeben, wenn der Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial in Form eines Plasmas vorliegt. Bei einem Plasma handelt es sich um ein (teilweise) ionisiertes Gas, das einen hohen Anteil freier Ladungsträger (Ionen und Elektronen) enthält. Durch die unterschiedliche Ladung der Ionen (positiv) und der Elektronen (negativ) kann ein solches Plasma nach außen elektrisch neutral sein, so dass eine erfindungsgemäße Ablenkung des gesamten Plasmastroms schwierig ist. Insbesondere in diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Ablenkung der Ionen (des eigentlichen Beschichtungsmaterials) durch ein positiv geladenes Element (d. h. ein Element, dass gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche ein positives elektrisches Potential aufweist) abzulenken, wohingegen die in dem Plasma enthaltenen Elektronen in Richtung auf dieses Element abgelenkt werden.
Neben beliebigen weiteren Anwendungsfällen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft für eine Beschichtung von Zahnflanken von Zahnrädern. Diese konnten bisher aufgrund der steil stehenden Zahnflanken und dem in der Regel sehr schmalen Zahnzwischenraum nicht mittels eines PVD- oder. CVD-Verfahrens beschichtet werden. Aufgrund der symmetrischen Form eines Zahnrads kann eine zielgerichtete Ablenkung der geladenen Partikel erfindungsgemäß auf einfache Weise mittels eines in einem Zahnzwischenraum angeordneten, positiv geladenen Elements, beispielsweise einem Draht, erfolgen. Der Partikelstrom kann dadurch in zwei Teilströme aufgeteilt werden, die jeweils in Richtung einer den Zahnzwischenraum begrenzenden Zahnflanke abgelenkt werden.
Insbesondere wenn der Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial vorliegt kann das positiv geladene Element auch ein Flächenelement sein, das eine der den Zahnzwischenraum begrenzenden Zahnflanke im wesentlichen abdeckt und gegenüber der zweiten Zahnflanke ein positives Potential aufweist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die positiv geladenen Ionen durch das Flächenelement in Richtung auf die gegenüberliegende Zahnflan ke abgelenkt werden, während die negativ geladenen Elektronen des Plasmas in Richtung des Flächenelements beschleunigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1: in einer schematischen Darstellung die Beschichtung der Zahnflanken eines Zahnrads mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform;
2: in einer schematischen Darstellung die Beschichtung der Zahnflanken eines Zahnrads mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform;
3: in einer schematischen Darstellung die Beschichtung einer Bohrung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsform; und
4: in einer schematischen Darstellung die Beschichtung der Zahnflanken eines Zahnrads mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer vierten Ausführungsform.
In der 1 ist in einer schematischen Darstellung die Beschichtung der Zahnflanken eines Zahnrads 1 durch ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Hierzu wird der Beschichtungswerkstoff im Rahmen eines aus dem Stand der Technik bekannten PVD-Verfahrens verdampft und die Partikel dieses Dampfes in Richtung auf das zu beschichtende Zahnrad beschleunigt. In der 1 sind lediglich die Flugbahnen 2 einiger dieser Partikel dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass einige der Zahnflanken in einem sehr steilen Winkel zu den nahezu parallelen Flugbahnen 2 der einzelnen Partikel stehen. Diese Winkel sind zu steil, um – ohne eine erfindungsgemäße Ablenkung der Flugbahnen 2 der Partikel – eine ausreichende Haftung der auftreffenden Partikel auf diese Zahnflanken zu gewährleisten. Erfindungsgemäß werden die Partikel daher mittels Drähten 3, die jeweils in einem der Zahnzwischenräume angeordnet sind, und an denen eine positive Spannung an gelegt ist, in Richtung der Zahnflanken abgelenkt, wodurch der Auftreffwinkel der Partikel auf diese Zahnflanken ausreichend groß wird.
In der 2 ist ebenfalls in schematischer Darstellung die Beschichtung eines Zahnrads 11 im Rahmen eines PVD-Beschichtungsverfahrens dargestellt. Wiederum würde eine gradlinige, parallele Flugbahn 12 der einzelnen Partikel (positive geladene Kohlenstoffionen) zu einem sehr flachen Auftreffwinkel der Partikel auf die Zahnflanken führen. Um diesen Auftreffwinkel auf ein erforderliches Maß zu vergrößern, ist in einem Abstand vor dem Zahnrad ein elektrisches Feld in Form einer elektrischen Linse 14 angeordnet, durch das eine Fokussierung des Partikelstroms in dem Zahnzwischenraum erreicht wird. Nach der Fokussierung bewegen sich die Partikel geradlinig in Richtung auf die Zahnflanken weiter, wo sie unter einem ausreichend großen Auftreffwinkel auf diese auftreffen. Die Flugbahnen 12 verschiedener Partikel kreuzen sich dabei im Fokus.
In der 3 ist ein identischer Aufbau zu dem der 2 für die Beschichtung einer Bohrung vorgesehen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich auch Flächen, die parallel zu der ursprünglichen Flugbahn der Partikel des Beschichtungswerkstoffs angeordnet sind, im Rahmen eines PVD-Prozesses zu beschichten.
4 zeigt wiederum die Beschichtung der Zahnflanken eines (lediglich in einem Ausschnitt dargestellten) Zahnrads 21. Anstelle eines positiv geladenen Drahts ist in diesem Fall ein metallisches Blech 25 vorgesehen, dass im wesentlichen parallel zu einer der einen Zahnzwischenraum abgrenzenden Zahnflanken angeordnet ist. Das Blech 25 überdeckt diese Zahnflanke nahezu vollständig und weist ein positiveres Potential als das zu beschichtende Zahnrad auf. Eine solche Anordnung kann vorteilhafterweise dann zum Einsatz kommen, wenn der abzulenkende Partikelstrom als Plasmastrom vorliegt. Durch diese Anordnung kann erreicht werden, dass die positiv geladenen Ionen von dem Blech 25 abgelenkt werden, so dass sie in einem großen Winkel auf die gegenüberliegende Zahnflanke auftreffen. Die elektrisch geladenen Elektronen dagegen werden in Richtung auf das positiv geladene Blech 25 beschleunigt. Auf diese Weise kann eine Trennung der unterschiedlich geladenen Teilchen des Plasmas erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils, wobei statisch geladene Partikel aus Beschichtungsmaterial erzeugt und in Richtung des zu beschichtenden Bauteils bewegt werden und wobei zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Bauteils in einem flachen Winkel zu der Bewegungsrichtung der Partikel ausgerichtet st, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Felds zumindest teilweise abgelenkt werden, so dass sie unter einem ausreichend großen Winkel auf diesen Abschnitt der Oberfläche auftreffen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geladenen Partikel mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels einer elektrischen oder magnetischen Linse (14) abgelenkt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Linse (14) während des Beschichtungsprozesses verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels eines positiv geladenen Elements abgelenkt werden.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Beschichtung von Zahnflanken eines Zahnrads (1; 11).
Verwendung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels eines in dem Zahnzwischenraum angeordneten, positiv geladenen Elements (3; 25) abgelenkt werden.
Verwendung gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Flächenelement, dass eine der den Zahnzwischenraum begrenzenden Zahnflanke im wesentlichen abdeckt und gegenüber der zweiten Zahnflanke ein positives Potential aufweist.