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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die zu einer erhöhten Verschleißbeständigkeit führt.
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Aluminium und Aluminiumlegierungen haben in den letzten Jahren neben anderen Leichtbauwerkstoffen wie Magnesium, Titan und polymeren Verbundwerkstoffen aus ökonomischen und ökologischen Gründen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aluminiumlegierungen spielen dabei wegen der vergleichsweise geringen Sprödigkeit und der unkomplizierten Wärmebehandlung eine wichtige Rolle für den Leichtbau. Für zahlreiche Bauteile im Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik, bspw. für Motorblöcke, Zylinderköpfe oder Getriebegehäuse, werden jedoch auch erhöhte Anforderungen an die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gestellt, welche der Werkstoff Aluminium aufgrund seiner geringen Härte und seiner Neigung zur Kaltverschweißung ohne weitere Maßnahmen nur unzureichend erfüllen kann.
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Stand der Technik
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Zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von metallischen Bauteilen sind verschiedene Verfahren der Oberflächenvergütung bekannt. Neben den üblichen umweltbedenklichen Vergütungsverfahren wie Hartanodisieren, Cadmieren und Chromatieren wird auch versucht, alternative und umweltschonende Methoden einzusetzen. Hierzu gehören neben den rein chemischen (CVD: Chemical Vapor Deposition) und physikalischen (PVD: Physical Vapor Deposition) Gasphasenabscheideverfahren auch die Ionenstrahl-gestützten Abscheideverfahren. Eine Anwendung dieser Techniken bei Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ist jedoch problematisch, da Aluminiummaterialien vergleichsweise weiche Grundwerkstoffe sind. Somit besteht unter hoher mechanischer Belastung aufgrund der unzureichenden Stützfunktion durch das Bauteilmaterial selbst oder einer fehlenden tiefer reichenden Härtegradientenschicht die Gefahr einer frühzeitigen Zerstörung der aufgebrachten Hartstoffschicht durch ein Einbrechen in den Grundwerkstoff. Der Einsatz von Dünnschichten auf Aluminiummaterialien ist damit bisher auf Anwendungsfälle mit lokal geringen mechanischen Belastungen beschränkt und nur in Ausnahmefällen lohnenswert.
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Bei Stahlbauteilen werden zur Einstellung der erforderlichen Randschichthärte thermische Verfahren oder Plasmadiffusionsbehandlungen seit langem intensiv genutzt. Auf den so vorbereiteten Randschichten können dann die entsprechenden Dünnschichten abgeschieden werden und ihre Vorteile voll zur Geltung bringen. So beschreibt die
DE 10 2004 053 935 A1 ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus Stahl, bei dem das Durchhärten des Bauteils sowie die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt durchgeführt werden.
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Der Einsatz thermischer Verfahren führt bei Bauteilen aus Aluminium jedoch nicht zu der erforderlichen Randschichthärte. Eine Härtung der Randschichten von Aluminiumbauteilen mit der Technik der Plasmadiffusion, insbesondere der Plasmanitrierung, wurde zwar bereits von verschiedenen Autoren berichtet, führte jedoch bisher nicht zu Bauteilen, die in Verbindung mit einer aufgebrachten Dünnschicht die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit erfüllen.
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So generierten bspw. T. Arai et al., Proc. 1st Intern. Conf. Ion Nitriding, Cleveland, OH (1986) 37, bereits mit Hilfe eines Stickstoffplasmas harte Aluminiumnitrid-Diffusionsschichten auf Aluminiumoberflächen. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Sputtern von Aluminiumoxid und der schwer kontrollierbaren Diffusion von Stickstoff in Aluminium bei inakzeptabel hohen Temperaturen für die eingesetzten Bauteile können die durch Plasmadiffusion erzeugten Aluminiumnitridoberflächen jedoch nicht als Unterbau für moderne Hartstoffschichten in praxisrelevanten Anwendungen eingesetzt werden.
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Die
DE 198 15 019 B4 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf der Grundlage des Plasmanitrierens zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Aluminium-Werkstoffen.
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Sabina Gredelj et al., Radio frequency plasma nitriding of aluminium at higher power levels, in: This Solid Films 515 (2006) 1480–1485, zeigen die Verwendung von HF-Plasmen zur Realisierung des Nitrierschritts bei Aluminiumbauteilen. Auch hier besteht jedoch das Problem, dass durch die bei der Plasmanitrierung auftretenden hohen Temperaturen die vorgefertigten Aluminiumbauteile in ihrer Struktur geschädigt werden.
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Eine Randschichthärtung von Aluminiumbauteilen mit einer Aluminiumoxidschicht (Al2O3) ist zur Erzeugung eines Untergrundes für Hartstoffschichten nur unzureichend geeignet. Eine Aluminiumoxidschicht besitzt zwar eine höhere Härte als eine Aluminiumnitridschicht, ist aber wesentlich spröder und neigt in Schichtform zur Rissbildung. Weiterhin ist eine derartige Schicht nur geringfügig temperaturleitfähig und bildet als entscheidenden Nachteil keine gradierte Diffusionszone aus. Dadurch kann auch durch Eloxieren bzw. Hartanodisieren von Aluminiumbauteilen kein ausreichender Untergrund für nachfolgende Dünnschichtprozesse erzeugt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen anzugeben, das eine Vergütung von Bauteilen aus Aluminiummaterialien ermöglicht und zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit der Bauteile führt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich für metallische Bauteile aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einsetzen, die im Verlauf ihres Herstellungsprozesses nach einer Formgebung noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die für die Bildung des gewünschten inneren Werkstoffgefüges der Bauteile erforderlich ist. Eine derartige Wärmebehandlung ist auch unter dem Begriff des Lösungsglühens bekannt, um Legierungselemente homogen in der Matrix zu lösen und gleichmäßige, homogene Gefüge- und Werkstoffeigenschaften zu erhalten.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun die Härtung der Randschicht des Bauteils nicht nach dessen kompletter Fertigstellung, d. h. nach der Durchführung der Wärmebehandlung zum Lösungsglühen, sondern simultan mit der Wärmebehandlung durchgeführt. Hierzu wird der Prozess der Plasmadiffusion, vorzugsweise einer Plasmanitrierung, in der eingesetzten Plasmaanlage so in der Temperatur gesteuert, dass der für die Wärmebehandlung erforderliche Temperaturverlauf eingehalten wird. Plasmadiffusion und Wärmebehandlung erfolgen somit gleichzeitig, so dass das gewünschte homogene Werkstoffgefüge während des Plasmaprozesses gebildet und nicht durch hohe Temperaturen bei einem später erfolgenden Plasmadiffusionsprozess wieder gestört wird.
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Mit einer derartigen Vorgehensweise lässt sich bei Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ohne Zerstörung des Werkstoffgefüges eine gehärtete Randschicht erzeugen, die als Unterbau für die nachfolgende Aufbringung einer Dünnschicht, insbesondere einer Hartstoffschicht, gut geeignet ist.
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Ein derartiger Plasmadiffusions- oder Plasmanitrierungsprozess kann bspw. in einer Plasmaanlage durchgeführt werden, die für eine Plasmabehandlung mittels eines DC-Plasmas (Gleichstromplasma) ausgebildet ist. Beispielsweise können hierzu klassische Nitrieranlagen mit gepulster DC- bzw. MF-Generatoreinheit verwendet werden. Der Ausbau der Anlage muss jedoch die notwendige Temperaturführung zulassen, d. h. die geeigneten Temperaturen entweder über die Plasmaerzeugung oder unterstützt durch zusätzliche Wärmequellen, bspw. über einen beheizbaren Rezipienten, ermöglichen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch die Plasmadiffusion mit einem HF-Plasma durchgeführt. Eine geeignete Plasmaanlage ist bspw. aus der
WO 2007/042017 A1 bekannt. Der Einsatz eines HF-Plasmas zur Plasmanitrierung hat den Vorteil einer verbesserten Plasmaanalytik. Die Plasmaparameter lassen sich bei einem derartigen Plasma besser erfassen als bei einem DC-Plasma, so dass bspw. die Abtragung der auf Aluminiumbauteilen vorhandenen Aluminiumoxidschicht sowie die Plasmadiffusion selbst durch Erfassung der Plasmaparameter genauer gesteuert werden können. Dadurch werden qualitativ hochwertigere Randschichten und Randschichtoberflächen für die anschließende Beschichtung erzielt. Eine Erfassung von Plasmaparametern in DC-Plasmen ist demgegenüber ohne nachhaltige Beeinflussung des Plasmas nicht möglich.
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Der Einsatz einer Plasmaanlage zur Erzeugung eines HF-Plasmas hat auch den weiteren Vorteil, dass dann ein nachfolgender Beschichtungsprozess zur Aufbringung einer Dünnschicht, insbesondere einer Hartstoffschicht, unabhängig vom Material der aufzubringenden Schicht in der gleichen Plasmaanlage erfolgen kann. Dies betrifft insbesondere elektrisch nicht leitende Schichten, für die der Einsatz eines DC-Plasmas nicht möglich ist.
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Die Temperaturführung für die Wärmebehandlung des dem Plasmadiffusions- oder Plasmanitrierungsprozess unterzogenen Rohlings des Bauteils erfordert neben der Erwärmung und erforderlichen Haltezeit bei den entsprechenden Temperaturen auch eine anschließende Abschreckung. Diese Abschreckung erfolgt durch gezielte Injektion von flüssigem Stickstoff in die Plasmaanlage. Auf diese Weise muss das Bauteil für die Abschreckung nicht aus der Plasmaanlage entfernt werden. Prinzipiell ließe sich auch ein anderes flüssiges Gas bei entsprechend tiefen Temperaturen nutzen. Aufgrund der Nutzung von Stickstoff für die Plasmanitrierung bietet die Verwendung von flüssigem Stickstoff zur Abschreckung hier jedoch den Vorteil, dass keine Verunreinigung des Rezipienten durch andere Gase in Kauf genommen werden muss.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Oberflächenvergütung durch Kombination der Plasmanitrierung mit einer anschließenden Aufbringung einer Dünnschicht zur Erzeugung der gewünschten Oberflächeneigenschaften. Diese Kombination, auch als Duplexverfahren bezeichnet, erfolgt bei dem vorliegenden Verfahren vorzugsweise durchgängig in der gleichen Plasmaanlage mittels HF-Plasmadiffusion für die Plasmanitrierung und anschließender HF-Plasmaabscheidung durch PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) oder PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition). Dabei kann ohne Unterbrechung der Stickstoffatmosphäre von der Wärmebehandlung und dem simultanen Plasmanitrierungsprozess zum anschließenden Beschichtungsprozess übergegangen werden. Der unmittelbar im Anschluss an die Wärmebehandlung durchzuführende Auslagerungsschritt erfolgt dabei ebenfalls unter der Stickstoffatmosphäre, so dass hier eine zusätzlich Nachnitrierung der Bauteiloberfläche stattfindet. Ohne ein Brechen von Vakuum und Plasma kann der letzte Schritt der Beschichtung dann in einfacher Weise durch Austausch der Gase in der Plasmakammer gestartet werden.
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Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung einer oder mehrerer DLC-(Diamant Like Carbon) oder BN-(Bornitrid) Schichten. Diese Schichten weisen einen geringen Reibwert sowie einen hohen Verschleißwiderstand auf.
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Die Plasmadiffusionsbehandlung hat die Aufgabe, die Bauteiloberfläche zu Härten und die Haftung für die anschließend aufgebrachte DLC- oder BN-Schicht zu verbessern. Durch die Härtung des Randbereichs kann die Bauteiloberfläche die nachfolgende Beschichtung bei hohen Belastungen besser unterstützen und so die Belastbarkeit des Schichtsystems deutlich verbessern. Das Bauteil erhält dabei intern seine duktilen (zähen) Eigenschaften, die sich positiv auf Schwingfestigkeit und Bruchdehnung auswirken. Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Dünnschichten auf ein derart randschichtgehärtetes Bauteil aufbringen. Auch andere Schichten als DLC- oder BN-Schichten sind selbstverständlich möglich. Die DLC- bzw. BN-Schicht ist Funktionsträger für die tribologische Wechselwirkung des Bauteils mit einem Reibpartner im Einsatz. Die Erzeugung der Diffusionsschicht und des darauf aufgebrachten Schichtsystems durch plasmagestützte Prozesse bietet die verfahrenstechnisch attraktive Möglichkeit, beide Schritte in einem durchgängigen Prozess in einer einzigen Plasmaanlage zu realisieren. Damit wird für Bauteile aus Aluminium und Aluminiumlegierungen eine tragfähige Randschicht erzeugt, gefolgt von einer Beschichtung mit harten, chemisch resistenten, reib- und verschleißmindernden DLC- oder BN-Schichten. Derartige Bauteile lassen sich bspw. sehr vorteilhaft als Leichtbauteile im Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik einsetzen.
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Bei Einsatz von Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen muss vor jeder Plasmadiffusionsbehandlung die vorhandene Oxidschicht an der Bauteiloberfläche entfernt werden, da diese eine Diffusionsbarriere für Stickstoff und andere Elemente darstellt. Die Entfernung der Oxidschicht erfolgt beim vorliegenden Verfahren durch einen Sputterprozess, der sich in der eingesetzten Plasmaanlage ohne weiteres durchführen lässt. Im Anschluss an diesen Sputterprozess kann in der Plasmaanlage optional ein Vornitrieren bei einer für die verwendete Werkstofflegierung optimalen Temperatur erfolgen.
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Um die für die Plasmadiffusion und die simultane Wärmebehandlung notwendigen Temperaturen in der Plasmakammer bzw. dem Rezipienten zu erreichen, können gepulste DC-Generatoren hoher Leistung verwendet und mit einem beheizbaren Rezipienten kombiniert werden. Um den hohen Energieverbrauch einer derartigen Verfahrensführung drastisch zu reduzieren, wird jedoch vorzugsweise auf beheizbare Rezipientenwände verzichtet und ein anderes Anlagenkonzept vorgeschlagen, das auf der Nutzung von HF-Plasmen basiert. Ein großer Vorteil bei der Verwendung von hochfrequenten Strömen liegt in der Möglichkeit, eine vollständige thermische Entkopplung zwischen dem Innenleben der Anlage und der Durchführung zu realisieren, indem ein kapazitiver Übertrager eingesetzt wird. Um zusätzlich die Abstrahlung von Wärmeleistung zu behindern, werden alle Bauteile vorzugsweise in separaten Keramik- oder Glastöpfen behandelt (Topfnitrieren). Die HF-Zuleitung erfolgt über eine Keramik, welche lediglich von einem Metallfilm oder einer Metallhülse umgeben ist. Sollte eine Nachheizung erforderlich sein, kann außerhalb des Glaskessels ein Wärmestrahler angebracht werden. Es kann jedoch auch ein klassisch aufgebauter Kessel eingesetzt werden, wenn dieser die elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllt. Idealerweise ist dieser Kessel elektrisch und thermisch gegenüber dem Massesystem isoliert, wenn der Aufbau der Anlage dem Anlagenprinzip der
WO 2007/042017 A1 entspricht. Im Durchgangsbereich zwischen den beiden Kesselsystemen befindet sich dabei eine zweite Plasmaquelle. Diese Quelle kann eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle sein, die von einer Mittel- bzw. Hochfrequenz versorgt wird. Eine Mikrowellenquelle kann auch verwendet werden. Auf diese Weise findet eine Entkopplung von Ionenenergie und Plasmadichte statt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der Verfahrensführung gemäß einem Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines möglichen Ausführungsbeispiels nochmals erläutert, bei dem Bauteile aus einer Aluminiumlegierung mit einem Duplexverfahren in einer HF-Plasmaanlage oberflächenvergütet werden.
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Die 1 zeigt die unterschiedlichen Verfahrensabschnitte und Temperaturen, denen das Bauteil während des Verfahrens ausgesetzt ist. In einem ersten Schritt erfolgt eine Abtragung der Aluminiumoxid-Schicht von der Oberfläche der Bauteile durch Verwendung eines HF-Plasmas, das durch HF-Ströme angeregt wird. Durch den Sputterprozess kann die Aluminiumoxidschicht zuverlässig entfernt werden. Das Sputter-Ergebnis kann durch die Gaszusammensetzung, die HF-Parameter und den Prozessdruck massiv beeinflusst werden. Neben dem immer vorhandnen Anteil an Argon, sollte auch Wasserstoff dem Prozessgas zugesetzt werden. Der Zeitpunkt der vollständigen Entfernung der Schicht kann durch eine geeignete Plasmadiagnostik ermittelt werden, da sich die Plasmaeigenschaften aufgrund des Übergangs von einer elektrisch isolierenden Bauteiloberfläche (Aluminiumoxid-Schicht) zu einer elektrisch leitenden Bauteiloberfläche ändern. Im Anschluss an den Sputter-Schritt findet in diesem Beispiel durch Einbringen von Stickstoff in den Plasmakessel bzw. Rezipienten eine Vornitrierung statt. Das Vornitriren findet bei moderaten Temperaturen (< 400°C) statt. Die zur Anwendung kommenden Ionenenergien müssen sich mehrheitlich unter der Sputterschwelle befinden. Prozessdruck und Leistung sind dementsprechend zu wählen. Die Temperatur für die Vornitrierung orientiert sich dabei an der gewünschten Diffusionstiefe und Diffusionszeit. Dieser Prozessschritt ist optional. Der anschließende Hauptnitrierschritt mit gleichzeitigem Lösungsglühen findet bei den meisten Aluminiumlegierungen bei Temperaturen um etwa 500°C statt, vorzugsweise im Bereich zwischen 450°C und 550°C. Die Zeit für das Lösungsglühen ist beliebig wählbar und orientiert sich an der gewünschten Nitriertiefe. Die Temperatur wird hierbei durch geeignete Steuerung der Plasmaerzeugung in dem dargestellten Bereich gehalten. Der Prozessdruck und die HF-Leistung sind so aufeinander abzustimmen, dass die Sputterschwelle mehrheitlich nicht erreicht wird. Üblicherweise werden Prozessdrücke zwischen 100 Pa und 500 Pa angestrebt. Die zu behandelnden Aluminiumbauteile befinden sich hierbei in einem Topf aus Keramik oder Glas oder in einem anderen elektrisch und thermisch isolierenden Material, das den Temperaturverlauf während der Wärmebehandlung verträgt. Dieser Topf enthält ein Strahlungsschild welches die infrarote Wärmestrahlung behindert.
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Anschließend wird das für die Wärmebehandlung erforderliche Abschrecken der Bauteile durchgeführt. Dieser Schritt erfolgt in der gleichen Plasmaanlage durch gezielte Injektion von flüssigem Stickstoff, so dass die bereits bestehende Stickstoffatmosphäre dadurch nicht gestört wird.
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Der nach der Wärmebehandlung erforderliche Auslagerungsschritt über mehrere Stunden bei Temperaturen zwischen 100°C und 300°C erfolgt ebenfalls unter Stickstoffatmosphäre, so dass die Bauteile hierdurch nachnitriert werden. Die zur Anwendung kommenden Prozessparameter sind denen für das Vornitrieren ähnlich, wobei die notwendige HF-Leistung geringer ist. Nach dem Auslagerungsschritt wird schließlich ohne ein Brechen von Vakuum und Plasma der abschließende Beschichtungsschritt durchgeführt. Hierzu werden die Ausgangsgase im Plasmakessel bzw. Rezipienten ausgetauscht. Dieser Prozessteil entspricht einem marktüblichen Verfahren hinsichtlich ausgewählter Gase und Prozessparameter. Der Prozessdruck sinkt damit mit Beginn dieses Prozessschritts auf 0,5 bis 5 Pa. Durch Aufbringen einer DLC-Schicht auf die Bauteile wird bei diesem Schritt eine besonders verschleißfeste Oberfläche der Bauteile erhalten. Der ganze Prozess der Oberflächenvergütung erfolgt damit in einer einzigen Plasmaanlage ohne die Notwendigkeit die Bauteile zwischenzeitlich herausnehmen zu müssen.
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Besonders vorteilhaft wird eine Plasmaanlage für das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt, wie sie aus der
WO 2007/042017 A1 bekannt ist. Diese mit der Anlage verwirklichte eigenständige PACVD-Technologie ist weitgehend skalierfähig, arbeitet reinigungsfrei und ist durch räumlich verschobene Gegenelektroden hervorragend 3D-fähig, d. h. zur Behandlung von dreidimensionalen Bauteilen geeignet. Es handelt sich um einen Mehrquellenprozess der den gleichzeitigen Betrieb von kapazitiv und induktiv gekoppelten Plasmen vorsieht. Diese PACVD-Anlagentechnologie kann optional bei Bedarf auch durch eine spezielle Verschaltung von HF- und bipolar gepulster DC-Plasmaanregung der kapazitiv angekoppelten Substratelektrode ergänzt werden.
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Besonders vorteilhaft zum erfolgreichen Absputtern der AL2O3-Haut wird ein HF-angeregtes Plasma mit variabler Plasmadichte eingesetzt, die unabhängig von der Ionenenergie einstellbar ist, was sich mit der oben genannten Plasmaanlage erreichen lässt. Für den gleichmäßigen Aufbau einer Diffusionszone können im Rahmen einer Plasmadiagnostik Plasmaparameter des HF-Plasmas erfasst werden, um die Plasmanitrierung mit einem kontrollierten Mehrquellen-Hochfrequenzprozess durchzuführen. Das Aufbringen der DLC-Schicht im selben Rezipienten kann durch bekannte und etablierte Prozesse erfolgen.
