DE102008046673A1

DE102008046673A1 - Verbundkörper

Info

Publication number: DE102008046673A1
Application number: DE102008046673A
Authority: DE
Inventors: Axel Rost
Original assignee: Grohe AG
Current assignee: Grohe AG
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11
Also published as: CN102149850A; EP2331729A1; WO2010028778A1; US20110165435A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht auf Substraten aus Kunststoff (1c) oder Metall, insbesondere Edelstahl (1e), Messing (1b), Aluminium (1a) oder Zink (1d) ist vorgesehen, dass auf dem Substrat eine Schicht aus Kohlenstoff (5) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und auf der Kohlenstoffschicht (5) eine Hartstoffschicht (6) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verbundkörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Patentanspruch 8.
Die Erfindung betrifft Verbundkörper und Beschichtungen von Gebrauchsgegenständen wie beispielsweise Sanitärarmaturen und Installationsprodukte, Brauseköpfe, Ausläufe oder Rosetten und Abdeckplatten, die zum einen resistent gegenüber Korrosion, Reibung und chemischer Beanspruchung sein müssen und andererseits eine dekorative Oberfläche mit vorbestimmter Farbgebung aufweisen sollen. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zum Aufbringen dekorativer Schichten bekannt. Neben nasschemischen Verfahren wie galvanischen Prozessen sind Verfahren wie PVD (Physical Vapor deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) und Lackierverfahren sowie deren Kombinationen bekannt, mittels derer Schichten mit bestimmten Farbgebungen auf den Gegenständen abgeschieden werden können.
Weiterhin ist es bekannt, mittels der Physikalischen Methoden (PVD) wie Arc-(Lichtbogen-), Sputter-, Elektronenstrahlverdampfungs- oder Laserstrahlverdampfungsverfahren Hartstoff- und Verschleißschutzschichten zur Vergütung von Oberflächen und beispielsweise zur Herstellung von Spanabhebenden Werkzeugen zu verwenden. Die Eigenschaften der Schichten werden durch die Abscheidetechnologie und die Prozessführung bestimmt. Weiterhin werden die Schichteigenschaften durch die chemische Zusammensetzung definiert. Vor allem durch die Arc- und Sputter-Technologie sind aufgrund der möglichen Target-Zusammensetzungen und Wahl der Reaktionsgase unterschiedlichste Schichtaufbauten und -zusammensetzungen erzielbar.
Aus der EP 1 033 416 A1 ist es beispielsweise bekannt, auf einem Substrat wenigsten eine Korrosionsschutzschicht und eine äußere Schicht aus Zirkon, Stickstoff, Kohlenstoff und/oder Hafnium mittels PVD-Beschichtung herzustellen, wobei die äußere Schicht unter Luft- oder Wassereinwirkung eine Passivschicht bildet.
Weiterhin ist es aus der DE 100 05 614 A1 bekannt, einen Gegenstand mit bestimmten Schichtabfolgen mittels PVD-Technik herzustellen, wobei die Schichten abwechselnd aus Kohlenstoff und Karbid bestehen. Die Karbidschichten bestehen wiederum aus einem Karbid mindestens eines Elements in Form eines Metalls und/oder Silizium und/oder Bor. Die oberste Schicht der Schichtabfolge besteht dabei aus Kohlenstoff, der vorwiegend sp₃-Bindungen und eine Schichtdicke von ca. 500 nm aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzusehen, mit dem eine Beschichtung mit niedriger Abnutzung, jedoch relativ hoher Härte auf beinahe beliebigen Gegenständen erzeugt werden kann, sowie Gegenstände mit einer solchen Beschichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Mit der Erfindung wird ein Verbundkörper aus einem Substrat und einer Beschichtung bereitgestellt, wobei das Substrat aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Messing, Aluminium, Zink oder Edelstahl, und die Beschichtung aus einer Schicht aus Kohlenstoff und einer Hartstoffschicht, die mittels eines PVD-Verfahrens auf der Kohlenstoffschicht hergestellt wird, besteht. Unter Beschichten wird das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück verstanden. Schicht und Substrat bilden einen Verbundkörper aus unterschiedlichen Stoffen. Die Schicht übernimmt die Kontaktfunktion, wie Schutz gegen chemischen oder korrosiven Angriff und gegen Tribobeanspruchung, beeinflusst das Reibverhalten oder dient optischen oder dekorativen Zwecken, während das Substrat die Tragfunktion übernimmt, wobei seine Eigenschaften der spezifischen Beanspruchung ohne Rücksicht auf das Kontaktverhalten angepasst werden können. Durch Aufbringen von Mehrfachschichten werden weitere Eigenschaftsvorteile erreicht. Im vorliegenden Fall werden durch die Anordnung von Kohlenstoffschicht und anschließender Hartstoffschicht an der Oberfläche des Verbundkörpers größere Härten erzielt als durch Aufbringen der Hartstoffschicht allein hätten erzeugt werden können. Die Härtewerte stellen ein direktes Vergleichsmaß für den abrasiven Verschleißwiderstand eines Werkstoffs oder Körpers dar. Daraus wird deutlich, dass die Verschleißfestigkeit des Verbundköpers durch das Aufbringen der Kohlenstoffschicht trotz ihrer Anordnung unterhalb der Hartstoffschicht, die auch als dekorative Oberflächenschicht dient, erhöht wird.
Die Kohlenstoffschicht ist dabei als amorpher Kohlenstoff mit beliebigen sp²·sp³ Hybridisierungsverhältnissen vorgesehen. Für diese Schichten wird der Begriff „diamantähnlicher Kohlenstoff” oder „DLC” (Diamond like Coating oder Diamond like Carbon) verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verbundkörper mit einer Hartstoffschicht aus Zirkonium, Titan, Chrom, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram, einer Legierung von Titan und Aluminium oder einer Verbindung aus Zirkonium, Titan, Chrom, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram mit Kohlenstoff, Stickstoff oder deren Kombinationen vorgesehen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Zwischenschicht zwischen Substrat und Kohlenstoffschicht eine metallische Schicht oder Schichtfolge angeordnet ist.
Als metallische Schicht auf dem Substrat ist beispielsweise Kupfer oder Nickel vorgesehen. Die Schichtabfolge ist dabei im Wesentlichen von der Art des Substrates abhängig. Eine weitere metallische Schicht kann aus Nickel oder/ und Chrom vorgesehen sein. Je nach gewünschtem Glanzgrad sind auch galvanische Schichtfolgen aus Kupfer, Nickel und darauf folgend Chrom möglich.
Bei Substraten aus Messing bestehen die Zwischenschichten aus einer ersten Nickel- und einer darauf folgenden Chromschicht. Bei einem Substrat aus Aluminium wird zunächst eine Kupferschicht, danach eine Nickel- und zuletzt eine Chromschicht angeordnet. Je nach gewünschter Oberfläche können hierbei die Schichtdicken variieren. Da die erste Schicht auch zum Einebnen der Oberflächenstruktur des Substrats dient, weist diese wenigstens eine Schichtdicke von 15 μm auf. Die darauf folgenden Schichten aus Kupfer oder Nickel sind ebenfalls mit einer Schichtdicke von wenigstens 10 μm vorgesehen. Bei den Nickelschichten wird die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit bereits durch die Wahl des Nickels beeinflusst, je nachdem ob eine Glanznickel- oder Mattnickelschicht angeordnet ist. Die abschließende dekorative Hartstoffschicht weist wenigstens eine Schichtdicke von 0,2 μm auf.
Weiterhin wird mit der Erfindung ein Verfahren zu Herstellung von Verbundkörpern durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht auf Substraten aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Edelstahl, Messing, Aluminium oder Zink bereitgestellt, bei welchem auf dem Substrat eine Schicht aus Kohlenstoff mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und auf der Kohlenstoffschicht eine Hartstoffschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden wird.
Zum Aufbringen der Kohlenstoffschicht wird das Substrat in eine Vakuumkammer eines Reaktors zur chemischen Gasphasenabscheidung gelegt und die Luft aus der Kammer ausgepumpt. Anschließend wird die Kohlenstoffschicht durch eines der folgenden herkömmlichen Verfahren abgeschieden: direkte Ionenstrahlabscheidung, Doppelionenabscheidung, Glimmentladungs-, RF-Plasma-, Gleichstromplasma- oder Mikrowellenplasmaabscheidung aus einem Kohlenstoff enthaltenden Gas oder einem Kohlenstoff enthaltenden Dampf, der auch mit Wasserstoff, Stickstoff enthaltenden Gasen, Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Inertgas vermischt sein kann. Weiterhin sind Verfahren wie Elektronenstrahlverdampfung, ionengestützte Verdampfung, Ionenstrahl-Katho denzerstäubung oder ionengestütztes Aufsputtern aus einem festen Kohlenstofftarget oder Kombinationen aus den genannten Verfahren möglich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor Aufbringen der Kohlenstoffschicht wenigstens eine metallische Schicht auf dem Substrat aufgebracht wird. Diese können mittels eines nasschemischen oder galvanischen Verfahrens aufgebracht werden.
Die Beschichtung eignet sich besonders für Gegenstände, die einer häufigen chemischen Belastung oder Reibung bzw. einer Kombination aus beiden Belastungen ausgesetzt sind. Daher ist es vorteilhaft, einen durch die Erfindung bereitgestellten Verbundkörper für Gegenstände wie beispielsweise Sanitärarmaturen und Teile davon, für Installationselemente, Brausen, Ausläufe, Rosetten, Abdeckplatten, Druckplatten und/oder Betätigungselemente zu verwenden.
Weiterhin ist es auch möglich, die genannten Gegenstände frei von Nickel- oder Chrom(VI)-Verbindungen herzustellen indem auf diese metallischen Zwischenschichten verzichtet wird. Für derartige Gegenstände, deren Substrat beispielsweise aus Messing besteht, wird zum Einebnen der Oberfläche und zur Erzeugung eines bestimmten Glanzgrades eine Kupferschicht galvanisch aufgebracht. Dass die Härte der Kupferschicht gegenüber Nickel und Chrom gering ist, ist dabei unerheblich. Die gewünschten Oberflächeneigenschaften werden anschließend durch das Aufbringen und die Kombination von DLC- und Hartstoffschicht erzielt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungsunterlagen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Schichten. Es zeigt in der Zeichnung die
1 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Gegenstandes;
2 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Gegenstandes;
3 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines dritten erfindungsgemäßen Gegenstandes;
4 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines vierten erfindungsgemäßen Gegenstandes;
5 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines fünften erfindungsgemäßen Gegenstandes.
Der in 1 dargestellte Gegenstand weist ein Grundmaterial 1a aus Aluminium auf. Auf dem Grundmaterial 1a wurde anschließend in einem galvanischen Prozess eine Kupferschicht 2 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 20 μm abgeschieden. Mittels weiterer galvanischer Verfahrensschritte wurde eine Nickelschicht 3 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 15 μm abgeschieden. Anschließend wurde eine Chromschicht 4 mit einer Dicke von vorzugsweise 0,3 μm aufgebracht. Im Anschluss an die metallischen Schichten 2, 3, 4 wurde eine diamantähnliche oder amorphe Kohlenstoffschicht (DLC) 5 im CVD-Prozess mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 1 μm abgeschieden. Die Kohlenstoffschicht weist dabei eine weitgehend flächig aufgebaute Struktur auf. Die Härte dieser Schicht, die mittels Hexan als Reaktionsgas abgeschieden wurde, beträgt ungefähr 3000 Vickershärten (HV).
Im Anschluss daran wurde zur Erreichung einer Chromoptik eine Hartstoffschicht aus Chrom, Chromcarbid oder Chromcarbonitrid mittels PVD-Verfahrens aufgebracht. Die Schichtdicke einer PVD-Schicht 6 beträgt hierbei vorzugsweise 0,2 μm. Bei einer Bestimmung der Härte an der Oberfläche des fertig gestellten Verbundkörpers konnte dabei ein Wert gemessen werden, der deutlich höher war als die Härte der PVD-Schicht 6 alleine. Die Erhöhung des Härtewertes aus der Kombination der Schichten 5 und 6 gegenüber der PVD-Schicht 6 für sich allein genommen lag dabei bei ca. 30 Prozent.
Der in 2 dargestellte Gegenstand weist ein Grundmaterial 1b aus Messing auf. Auf dem Grundmaterial wurde in einem galvanischen Prozess eine Nickelschicht 3 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 15 μm und anschließend eine Chromschicht 4 mit einer Dicke von vorzugsweise 0,3 μm abgeschieden. Im Anschluss an die metallischen Schichten 3, 4 wurde zunächst eine diamantähnliche oder amorphe Kohlenstoffschicht 5 im CVD-Prozess mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 1 μm und abschließend eine Hartstoffschicht 6 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 0,2 μm aufgebracht.
Der in 3 dargestellte Gegenstand weist ein Grundmaterial 1c aus Kunststoff, vorzugsweise ABS auf. Auf dem Grundmaterial 1c wurde anschließend in einem galvanischen Prozess eine Kupferschicht 2 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 20 μm abgeschieden. Mittels weiterer galvanischer Verfahrensschritte wurde eine Nickelschicht 3 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 15 μm und anschließend eine Chromschicht 4 mit einer Dicke von vorzugsweise 0,3 bis 0,4 μm aufgebracht. Die darauf folgende Kohlenstoff- und Hartstoffschicht entspricht dem Aufbau der Schichten 5 und 6 des Verbundkörpers aus 1 und 2.
Der in 4 dargestellte Gegenstand weist ein Grundmaterial 1d aus Zinkdruckguss auf. Auf dem Grundmaterial 1d wurde in einem galvanischen Prozess eine Kupferschicht 2 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 20 μm abgeschieden. Mittels weiterer galvanischer Verfahrensschritte wurden eine Nickelschicht 3 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 20 μm und eine Chromschicht 4 mit einer Dicke von vorzugsweise 0,3 bis 0,4 μm aufgebracht. Die darauf folgende Kohlenstoff- und Hartstoffschicht entspricht dem Aufbau der Schichten 5 und 6 des Verbundkörpers aus den 1 bis 3.
Der in 5 dargestellte Gegenstand weist ein Grundmaterial 1e aus Edelstahl auf. Direkt auf dem Grundmaterial 1e wurde eine diamantähnliche oder amorphe Kohlenstoffschicht 5 im CVD-Prozess mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 1 μm abgeschieden. Die abschließende Oberflächenschicht besteht wiederum aus einer Chromschicht oder Hartstoffschicht mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 0,2 μm, die mittels PVD-Verfahrens hergestellt wurde.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die Eigenschaften der DLC-Schicht, die durch eine hohe Korrosions-, Kratz- und Verschleißfestigkeit gekennzeichnet sind, auch nach dem Aufbringen der PVD-Schicht erhalten bleiben. Somit kann die Farbgebung der Gegenstände im Anschluss an die DLC-Schicht gestaltet werden, ohne die gewünschten Anforderungen an Härte und Abriebfestigkeiten wesentlich zu beeinflussen.

1a: Substrat, Aluminium
1b: Substrat, Messing
1c: Substrat, Kunststoff
1d: Substrat, Zink (Zindruckguss)
1e: Substrat, Edelstahl
2: Kupfer
3: Nickel
4: Chrom
5: Kohlenstoff (DLC)
6: Hartstoffschicht/PVD-Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1033416 A1 [0004]
- DE 10005614 A1 [0005]

Claims

Verbundkörper aus einem Substrat und einer Beschichtung im Wesentlichen umfassend: – ein Substrat (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) bestehend aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Messing, Aluminium, Zink oder Edelstahl, – eine Beschichtung aus – einer Schicht aus Kohlenstoff (5) – und einer Hartstoffschicht (6), die mittels PVD-Verfahrens auf der Kohlenstoffschicht (5) hergestellt wird.
Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffschicht (5) amorpher Kohlenstoff mit beliebigen sp²·sp³ Hybridisierungsverhältnissen vorgesehen ist.
Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (6) aus Zirkonium, Titan, Chrom, (Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram), einer Legierung von Titan und Aluminium oder einer Verbindung aus Zirkonium, Titan, Chrom, (Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram) mit Kohlenstoff, Stickstoff, Bor oder Silizium oder deren Kombinationen vorgesehen ist.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht zwischen Substrat (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) und Kohlenstoffschicht (5) eine metallische Schicht oder Schichtfolge (2, 3, 4) angeordnet ist.
Verbundkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Schicht (2, 3) aus Kupfer oder Nickel vorgesehen ist.
Verbundkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Schichtfolge aus Kupfer (2) und Nickel (3) vorgesehen ist, wobei die Kupferschicht angrenzend an das Substrat angeordnet ist.
Verbundkörper nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere metallische Schicht aus Chrom (4) vorgesehen ist.
Verfahren zu Herstellung von Verbundkörpern durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht auf Substraten (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) aus Kunststoff (1c) oder Metall, insbesondere Edelstahl (1e), Messing (1b), Aluminium (1a) oder Zink (1d) dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) eine Schicht aus Kohlenstoff (5) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und auf der Kohlenstoffschicht (5) eine Hartstoffschicht (6) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aufbringen der Kohlenstoffschicht (5) wenigstens eine metallische Schicht (2, 3, 4) auf dem Substrat (1a, 1b, 1c, 1d) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht oder Schichtfolge (2, 3, 4) mittels eines nasschemischen oder galvanischen Verfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht oder metallischen Schichten aus Kupfer (2) oder/und Nickel (3) vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere metallische Schicht aus Chrom (4) vorgesehen ist.
Verwendung eines Verbundkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 hergestellten Verbundkörpers für Sanitärarmaturen und Teile davon, Brausen, Installationselemente, Rosetten, Abdeckplatten, Druckplatten und/oder Betätigungselemente.