DE102009060924A1 - A structure containing a solid lubricant (solid lubricant structure), in particular a solid lubricant structure formed for a vacuum tribological application, and a production method thereof - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Festschmierstoffstruktur, insbesondere für eine vakuumtribologische Anwendung ausgebildete Festschmierstoffstruktur, mit einer Substratbasis (1) und einem angrenzend an diese und/oder verbunden mit dieser Substratbasis (1) ausgebildeten Schichtsystem (2), wobei dieses Schichtsystem (2) mindestens eine Schicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC umfasst, wobei entweder im Schichtsystem (2) oder sowohl im Schichtsystem (2), als auch in der Substratbasis (1) eine Vielzahl einzelner, eine Vertiefungsstruktur (3) ausbildende Vertiefungen (3a, 3b, ...) ausgebildet ist, und wobei mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Vertiefungen (3a, 3b, ...) zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt ist/sind.The present invention relates to a solid lubricant structure, in particular a solid lubricant structure designed for vacuum-tribological use, with a substrate base (1) and a layer system (2) formed adjacent to this and / or connected to this substrate base (1), this layer system (2) at least one layer (2a) containing or consisting of diamond-like / m carbon DLC, wherein either in the layer system (2) or both in the layer system (2) and in the substrate base (1) a plurality of individual, a recess structure (3) forming Depressions (3a, 3b, ...) is formed, and wherein at least one of, preferably several of, preferably all of the depressions (3a, 3b, ...) is / are at least partially filled with at least one solid lubricant (4).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur, die einen Festschmierstoff enthält, insbesondere auf eine für vakuumtribologische Anwendungen ausgebildete Festschmierstoffstruktur, sowie auf ein Herstellungsverfahren für eine solche Festschmierstoffstruktur.The present invention relates to a structure containing a solid lubricant, more particularly to a solid lubricant structure formed for vacuum tribological applications, and to a manufacturing method of such a solid lubricant structure.
Festschmierstoffe, die unter ungünstigen Bedingungen (z. B. im Hochvakuum oder unter Schutzgasatmosphären) eingesetzt werden können, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt (
Ein Nachteil dieser Lösungen ist zum einen die geringe mechanische Stabilität der relativ weichen Festschmierstoffe und damit der Materialverlust schon bei mäßiger Beanspruchung. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass insbesondere beim meistens verwendeten MoS2 unter Feuchtigkeit (d. h. schon an Normalluft) der Reibwert auf etwa 0,4 ansteigt. Zugleich wird die Lebensdauer drastisch verkürzt. Somit ist die Verwendung der bekannten technischen Lösungen unter wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. zwischen Vakuum und Luft) zumindest kritisch zu sehen.A disadvantage of these solutions is on the one hand the low mechanical stability of the relatively soft solid lubricants and thus the loss of material even under moderate stress. A further disadvantage is that, in particular in the case of MoS 2 which is mostly used under moisture (ie already at normal air), the coefficient of friction increases to about 0.4. At the same time, the service life is drastically shortened. Thus, the use of the known technical solutions under changing environmental conditions (eg between vacuum and air) is to be seen at least critically.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, eine Festschmierstoffstruktur (sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Struktur) zur Verfügung zu stellen, die unter beliebigen geschmierten und ungeschmierten Bedingungen einen niedrigen Reibwert und einen geringen Verschleiß sowie eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, die auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. von Luft in Vakuum oder umgekehrt) ohne deutliche Verkürzung ihrer Lebensdauer eingesetzt werden kann, die einfach hergestellt werden kann und die unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung ist, thermisch stabil ist und ein stabiles Ausgasungsverhalten zeigt.The object of the present invention is, starting from the prior art, to provide a solid lubricant structure (as well as a production method for such a structure) which has a low coefficient of friction and low wear as well as sufficient mechanical stability under any lubricated and unlubricated conditions which can be used even under changing environmental conditions (eg of air in vacuum or vice versa) without significant shortening of their life, which can be easily manufactured and which is insensitive to ionizing radiation, is thermally stable and exhibits a stable outgassing behavior.
Diese Aufgabe wird durch eine Festschmierstoffstruktur gemäß Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Struktur und des Herstellungsverfahrens lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungemäße Verwendungen sind in Anspruch 16 beschrieben.This object is achieved by a solid lubricant structure according to
Nachfolgend wird die Erfindung zunächst allgemein, dann anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele in Kombination gezeigten Einzelmerkmale müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung (deren Schutzbereich durch die Ansprüche bestimmt ist) nicht genau in der in den Beispielen gezeigten Konfiguration verwirklicht werden, sondern können im Rahmen der Erfindung auch in andersartigen Kombinationen realisiert werden. Insbesondere können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch weggelassen werden.The invention will first be described in general terms, then with reference to several embodiments. In the context of the present invention (the scope of which is defined by the claims), the individual features shown in combination within the scope of the exemplary embodiments need not be realized exactly in the configuration shown in the examples, but can also be realized in other combinations within the scope of the invention. In particular, individual features of the embodiments shown may also be omitted.
Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, eine Oberfläche (beispielsweise einer Substratbasis, die zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Festschmierstoffstruktur verwendet wird) durch Einbringen von Vertiefungen zu modifizieren. Diese Modifikation wird kombiniert mit einer Beschichtung der Oberfläche mit einem Schichtsystem, das mindestens eine Schicht, die einen diamantartigen Kohlenstoff (DLC von engl. Diamond like Carbon) enthält oder daraus besteht, umfasst. Das Schichtsystem kann dabei auch mehrere solche diamantartigen Kohlenstoff enthaltende oder daraus bestehende Einzelschichten umfassen. In die Vertiefungen wird Festschmierstoff (z. B. MoS2) eingebracht. Durch die Kombination einer Tiefenstrukturierung der Oberfläche mit der vorbeschriebenen DLC-Beschichtung und mit dem Einbringen des Festschmierstoffs in die entstandenen Vertiefungen kann ein vorteilhaftes Reib-/Gleitverhalten auch unter ungünstigen Schmierbedingungen wie z. B. im Vakuum gewährleistet werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Tiefenstrukturierung bzw. die Oberflächenmodifikation mittels eines Lasers (Laserstrukturierung).The basic idea of the invention is based on modifying a surface (for example a substrate base used to build up a solid lubricant structure according to the invention) by introducing depressions. This modification is combined with a coating of the surface with a layer system comprising at least one layer containing or consisting of diamond-like carbon (DLC). The layer system can also comprise a plurality of such diamond-like carbon-containing or consisting of individual layers. Solid lubricant (eg MoS 2 ) is introduced into the recesses. By combining a deep structuring of the surface with the above DLC coating and with the introduction of the solid lubricant in the resulting wells, an advantageous friction / sliding behavior even under unfavorable lubrication conditions such. B. be ensured in a vacuum. Advantageously, the deep structuring or the surface modification takes place by means of a laser (laser structuring).
Die vorliegende Erfindung löst die vorstehende Aufgabe somit durch eine Kombination einer laserstrukturierten, DLC-beschichteten Oberfläche mit einem Festschmierstoff, der in die Mikrovertiefungen der in die Oberfläche einstrukturierten Vertiefungsstruktur eingebracht wird.The present invention thus achieves the above object by a combination of a laser-structured, DLC-coated surface with a solid lubricant, which is introduced into the microwells of the recessed structure structured in the surface.
Wird nachfolgend im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einer (eine Vielzahl einzelner Vertiefungen aufweisenden) Vertiefungsstruktur bzw. kurz von einer Vertiefung in einem Substrat, in einem Schichtsystem und/oder in einer Schicht gesprochen, so sind darunter ganz allgemein in eine Oberfläche (des Substrats, des Schichtsystems und/oder einer Einzelschicht des Schichtsystems) eingelassene Ausbuchtungen (Hohlräume wie z. B. Gräben o. ä.) zu verstehen. Hierzu muss die betrachtete Struktur (z. B. einzelne Schicht) nicht unbedingt eine Variation in ihrer (Schicht-)Dicke aufweisen, ggf. kann eine solche Vertiefung in einer Oberfläche dieser Struktur bzw. Schicht auch dadurch realisiert sein, dass (bei gleicher Schichtdicke der Schicht) die darunter liegende Struktur (z. B. Substrat bzw. Substratbasis) eine Dickenvariation bzw. Vertiefungsstruktur aufweist. Wird so z. B. ein in seiner Dicke sinusförmig schwankendes Substrat mit einer DLC-Schicht konstanter Dicke beschichtet, so bilden die Minima des sinusförmigen Verlaufs nicht nur Vertiefungen der Substratbasis, sondern auch Vertiefungen der DLC-Schicht.If, in the context of the present invention, a depression structure (having a multiplicity of individual depressions) or, for short, a depression in a substrate, in a layer system and / or in a layer is mentioned below, then in a surface (of the substrate, the layer system and / or a single layer of the layer system) recessed bulges (cavities such as trenches or the like) to understand. For this purpose, the considered structure (eg individual layer) does not necessarily have a variation in its (layer) thickness, if necessary, such a depression in a surface of this structure or layer can also be realized by (for the same layer thickness the layer) the underlying structure (eg substrate or substrate base) has a thickness variation or recess structure. Is so z. For example, when a substrate sinusoidally varying in thickness is coated with a DLC layer of constant thickness, the minima of the sinusoidal waveform not only form recesses of the substrate base but also depressions of the DLC layer.
Eine erfindungsgemäße Festschmierstoffstruktur weist somit eine Substratbasis (z. B. Teil einer Werkzeugfläche) und ein angrenzend an diese und/oder verbunden mit dieser ausgebildetes Schichtsystem auf. Das Schichtsystem enthält mindestens eine (ggf. auch mehrere) Schicht(en), die aus diamantartigem Kohlenstoff besteht/en oder diesen enthält/enthalten. Im Schichtsystem (oder auch in einer oder mehrerer Einzelschichten dieses Systems) alleine oder auch sowohl im Schichtsystem (oder zumindest in einer Schicht dieses Systems) als auch in der Substratbasis ist eine Vielzahl einzelner Vertiefungen ausgebildet. Die Gesamtheit der Menge an Vertiefungen wird nachfolgend auch als Vertiefungsstruktur bezeichnet. Schließlich sind zumindest einige der Vertiefungen jeweils zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff gefüllt.A solid lubricant structure according to the invention thus has a substrate base (eg part of a tool surface) and a layer system formed adjacent to and / or connected thereto. The layer system contains at least one (possibly also several) layer (s) which consists of diamond-like carbon or contain this / contain. In the layer system (or in one or more individual layers of this system) alone or both in the layer system (or at least in one layer of this system) and in the substrate base a plurality of individual recesses is formed. The totality of the amount of depressions is also referred to below as a recess structure. Finally, at least some of the recesses are each at least partially filled with at least one solid lubricant.
Grundsätzlich ist es somit erfindungsgemäß möglich, die Vertiefungsstruktur ausschließlich im Schichtsystem (z. B. auch beidseitig begrenzt durch weitere DLC-Einzelschichten ohne Vertiefungen) auszubilden, ebenso ist es jedoch möglich, bereits in der Substratbasis Vertiefungen z. B. in Grabenform vorzusehen und die die Vertiefungen aufweisende Oberfläche der Substratbasis dann mit dem DLC-Schichtsystem mit konstanter Dicke zu beschichten (sodass sich die Vertiefungen der Substratbasis auf das DLC-Schichtsystem übertragen) und schließlich die Vertiefungen im DLC-Schichtsystem mit dem Festschmierstoff aufzufüllen. Die Vertiefungen können somit lediglich innerhalb des Schichtsystems selbst verlaufen oder auch vom Schichtsystem bis hinein in die Substratbasis.In principle, it is therefore possible according to the invention to form the depression structure exclusively in the layer system (eg also bounded on both sides by further DLC monolayers without depressions), but it is likewise possible to form depressions, for example, in the substrate base. Trenching and then coating the surface of the substrate base having the recesses with the DLC layer system of constant thickness (so that the recesses of the substrate base are transferred to the DLC layer system) and finally filling the recesses in the DLC layer system with the solid lubricant , The depressions can thus run only within the layer system itself or from the layer system to the substrate base.
Es ist somit möglich, dass Abschnitte der Vertiefungen lediglich in den einzelnen Schichten (oder in der einzigen Schicht) des Schichtsystems ausgebildet sind, nicht jedoch in der Substratbasis; ebenso ist es möglich, Vertiefungsabschnitte sowohl im Schichtsystem (oder zumindest in einzelnen Schichten desselben) als auch in der Substratbasis vorzusehen.It is thus possible that portions of the recesses are formed only in the individual layers (or in the single layer) of the layer system, but not in the substrate base; it is also possible to provide recess sections both in the layer system (or at least in individual layers thereof) and in the substrate base.
Vorteilhafterweise ist eine in einer Richtung oder in zwei (z. B. senkrecht aufeinander stehenden) Richtungen periodische Vertiefungsstruktur im Schichtsystem und/oder in der Substratbasis realisiert. Besonders vorteilhafte Abstände benachbarter einzelner Vertiefungen einer solchen Vertiefungsstruktur (der entsprechende Abstand entspricht dann der Periodizität der Vertiefungen), besonders vorteilhafte Ausdehnungen der Vertiefungen senkrecht zur Schichtebene bzw. Substratoberfläche (Tiefenausdehnung), besonders bevorzugte laterale Ausdehnungen (in der Schichtebene) der einzelnen Vertiefungen und besonders vorteilhafte Aspektverhältnisse werden nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben. Unter dem Aspektverhältnis einer Vertiefung wird dabei das Verhältnis von ihrer Tiefenausdehnung (senkrecht zur Schichtebene) und ihrer lateralen Ausdehnung (in der Schichtebene) verstanden.Advantageously, a periodic recess structure in the layer system and / or in the substrate base is realized in one direction or in two (for example, perpendicular to one another) directions. Particularly advantageous distances of adjacent individual depressions of such a depression structure (the corresponding distance then corresponds to the periodicity of the depressions), particularly advantageous expansions of the depressions perpendicular to the layer plane or substrate surface (depth extent), particularly preferred lateral expansions (in the layer plane) of the individual wells and especially Advantageous aspect ratios will be described in detail below. The aspect ratio of a depression is understood to be the ratio of its depth extent (perpendicular to the layer plane) and its lateral extent (in the layer plane).
Besonders vorteilhafte periodische Vertiefungsstrukturen sind eindimensionale oder auch zweidimensionale (d. h. bei letzterem sich unter einem Winkel von z. B. 900 kreuzende) Grabenstrukturen bestehend aus einer Vielzahl einzelner, linienförmiger, parallel zueinander und jeweils mit konstantem Grabenabstand voneinander verlaufender Gräben. Ebenso ist es jedoch möglich, periodische Vertiefungsstrukturen, die eine Vielzahl von einzelnen Löchern umfassen, vorzusehen (Punktmuster). Diese Lochstrukturen können in einer oder auch in zwei Richtungen bzw. Dimensionen periodisch ausgebildet werden. Diese zweidimensionalen Strukturen können mit Mehrstrahlinterferenzen oder auch mit Hilfe von Mikrolinsenarrays realisiert werden (siehe nachfolgend).Particularly advantageous periodic dimple structures are one-dimensional or else two-dimensional trench structures (that is to say intersecting in the latter at an angle of, for example, 900) consisting of a multiplicity of individual, linear trenches running parallel to each other and each with a constant trench spacing. However, it is also possible to provide periodic pit structures comprising a plurality of individual holes (dot patterns). These hole structures can be formed periodically in one or in two directions or dimensions. These two-dimensional structures can be realized with multi-beam interference or with the help of microlens arrays (see below).
In einer weiteren vorteilhaften Variante besteht das vorbeschriebene Schichtsystem aus genau einer einzelnen Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff DLC. Ebenso ist es möglich, das Schichtsystem aus mehreren solcher DLC-Schichten auszubilden. Die eine oder mehreren DLC-Einzelschicht(en) enthält/enthalten vorteilhafterweise vorwiegend amorphen Kohlenstoff, der in einer Mischung aus grafitartigen und diamantartigen chemischen Bindungen vorliegt. Der Aufbau solcher Schichten ist dem Fachmann bekannt, sie sind beispielsweise in der
Vorteilhafterweise kann/können die einzelnen Kohlenstoffschicht(en) eine Vickershärte zwischen 1 000 HV und 8 000 HV und/oder eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 50 μm aufweisen. Die einzelnen Schichten können dabei auch als Gradientenschichten ausgebildet werden, bei denen der Kohlenstoffanteil und/oder das Verhältnis von grafitartig zu diamantartig gebundenen Kohlenstoffatomen in Richtung senkrecht zur Schichtebene zur Substratbasis hin zu- oder abnimmt.Advantageously, the individual carbon layer (s) may have a Vickers hardness between 1000 HV and 8000 HV and / or a layer thickness between 2 nm and 50 μm. The individual layers can also be formed as gradient layers in which the carbon content and / or the ratio of graphitic to diamond-like bound carbon atoms in Direction perpendicular to the layer plane to the substrate base increases or decreases.
Um die Haftung des Schichtsystems bzw. der DLC-Schichten auf der Substratbasis sicher zu stellen oder zu verbessern, können zwischen den Schichten bzw. dem Schichtsystem und der Substratbasis Haftvermittlerschichten vorgesehen sein. Die vorbeschriebenen Vertiefungen können dann auch in diesen Haftvermittlerschichten ausgebildet werden.In order to ensure or improve the adhesion of the layer system or of the DLC layers to the substrate base, adhesion promoter layers can be provided between the layers or the layer system and the substrate base. The above-described depressions can then also be formed in these adhesion promoter layers.
Als Substratbasis kann eine Keramik, ein Metall und/oder ein Kunststoff verwendet werden. Auch entsprechende Materialkombinationen sind denkbar. Die Substratbasis kann beispielsweise die Oberfläche eines Bauteils oder eines Werkzeugs sein.As a substrate base, a ceramic, a metal and / or a plastic can be used. Also appropriate material combinations are conceivable. The substrate base may be, for example, the surface of a component or a tool.
Bei einem erfindungemäßen Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoffstruktur wird auf einer Substratbasis ein mindestens eine DLC-Schicht enthaltendes Schichtsystem aufgebracht, wobei ggf. vor dem Aufbringen des Schichtsystems auf der Substratbasis eine Haftvermittlerschicht abgeschieden werden kann. Die vorbeschriebene Vertiefungsstruktur wird entweder nur im Schichtsystem, oder sowohl im Schichtsystem als auch in der Substratbasis und ggf. der Haftvermittlerschicht ausgebildet. Die Vertiefungen werden dann zumindest abschnittweise mit mindestens einem Festschmierstoff befüllt.In a production method according to the invention for a solid lubricant structure, a layer system containing at least one DLC layer is applied to a substrate base, it being possible to deposit an adhesion promoter layer before application of the layer system to the substrate base. The above-described recess structure is formed either only in the layer system or both in the layer system and in the substrate base and, if appropriate, the adhesion promoter layer. The recesses are then filled at least in sections with at least one solid lubricant.
In einer ersten vorteilhaften Herstellungsvariante ist es möglich, die Substratbasis (z. B. über ein Mikrolinsen-Array oder auch mithilfe eines direkten Laserinterferenzverfahrens, siehe nachfolgend) mit Laserstrahlung zu bestrahlen, um in die Oberfläche der Substratbasis erfindungsgemäß Vertiefungen einzuarbeiten. Anschließend kann das DLC-Schichtsystem auf der tiefenstrukturierten Oberfläche der Substratbasis abgeschieden werden (ggf. nach vorherigem Abscheiden von Haftvermittlerschichten). Auf diese Art und Weise übertragen sich – ein Abscheiden des Schichtsystems bzw. der einzelnen Schichten dieses Systems mit konstanter Dicke vorausgesetzt – die Vertiefungsstrukturen der Substratbasis in der Form unverändert auch auf das Schichtsystem. In die somit auch im Schichtsystem ausgebildeten Vertiefungen kann schließlich (wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird) der Festschmierstoff eingebracht werden.In a first advantageous production variant, it is possible to irradiate the substrate base (eg via a microlens array or also by means of a direct laser interference method, see below) with laser radiation in order to incorporate recesses into the surface of the substrate base according to the invention. Subsequently, the DLC layer system can be deposited on the deep-structured surface of the substrate base (possibly after previous deposition of adhesion promoter layers). In this way, assuming a deposition of the layer system or of the individual layers of this system with a constant thickness, the depression structures of the substrate base in the form are also transferred unchanged to the layer system. In the wells thus formed in the layer system can finally (as will be described in detail below), the solid lubricant are introduced.
Alternativ oder ggf. auch in Kombination mit dieser Vorgehensweise ist es ebenso möglich auf einer (z. B. ebenen oder gekrümmten) Oberfläche einer vertiefungslosen Substratbasis zunächst das DLC-Schichtsystem abzuscheiden, bevor durch Laserbestrahlung des auf der Substratbasis aufgebrachten Schichtssystems schließlich die Vertiefungen der Vertiefungsstruktur in das Schichtsystem und/oder die Substratbasis eingebracht werden. Auch hier können Haftvermittlerschichten abgeschieden werden, bevor das Schichtsystem mit der Substratbasis verbunden wird. Nach der Laserbestrahlung des bereits aufgebrachten Schichtsystems bzw. der Tiefenstrukturierung von Substratbasis und/oder Schichtsystem kann eine weitere Abscheidung einer oder mehrerer DLC-Einzelschichten erfolgen, bevor dann schließlich in die durch die Laserstrukturierung erzeugten Vertiefungen der Festschmierstoff eingebracht wird.Alternatively or possibly also in combination with this procedure, it is likewise possible first to deposit the DLC layer system on a (eg flat or curved) surface of a recessless substrate base, before finally exposing the depressions of the recess structure by laser irradiation of the layer system applied to the substrate base be introduced into the layer system and / or the substrate base. Bonding agent layers can also be deposited here before the layer system is connected to the substrate base. After the laser irradiation of the already applied layer system or the deep structuring of the substrate base and / or layer system, a further deposition of one or more DLC monolayers can take place before finally the solid lubricant is introduced into the recesses produced by the laser structuring.
In einer vorteilhaften Variante erfolgt die Laserbestrahlung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems dadurch, dass ein Laserstrahl über ein Mikrolinsen-Array (das den Laserstrahl in mehrere Einzelstrahlen auftrennt) auf eine definierte Fläche (nachfolgend: Fokusfläche) gestrahlt wird (vorteilhafterweise fokussiert eingestrahlt wird). Die Substratbasis und/oder das Schichtsystem wird dann, in Laserstrahlrichtung gesehen, hinter dem Mikrolinsen-Array an einer vordefinierten Position angeordnet. Diese Position kann in einem definierten Abstand vor der Fokusfläche, auf Höhe der Fokusfläche oder auch in einem definierten Abstand hinter der Fokusfläche liegen: Je nach Einstellung kann damit die laterale Ausdehnung und/oder die Tiefenausdehnung der einzelnen Vertiefungen der Vertiefungsstruktur auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden (minimale Strukturgröße bei Anordnung von Substratbasis und/oder Schichtsystem im Bereich der Fokusfläche, mit wachsendem oder sinkendem Abstand zur Fokusfläche vergrößert sich die Ausdehnung der einstrukturierten Vertiefungen).In an advantageous variant, the laser irradiation of the substrate base and / or of the layer system takes place in that a laser beam is irradiated (advantageously focused) via a microlens array (which separates the laser beam into a plurality of individual beams) onto a defined surface (hereinafter: focus area). , The substrate base and / or the layer system is then, viewed in the laser beam direction, arranged behind the microlens array at a predefined position. This position can lie at a defined distance in front of the focus area, at the height of the focus area or at a defined distance behind the focus area: Depending on the setting, the lateral extent and / or the depth extent of the individual cavities of the recess structure can be set to a predetermined value (Minimum structure size with arrangement of substrate base and / or layer system in the area of the focus area, with increasing or decreasing distance to the focus area, the extent of the structured depressions increases).
Alternativ dazu ist es auch möglich, mehrere kohärente Laserstrahlen unter vordefinierten Winkeln in einem Überlagerungsbereich zur Interferenz zu bringen. Die Substratbasis und/oder das Schichtsystem wird hierbei an einer vordefinierten Position im Interferenz- bzw. Überlagerungsbereich positioniert. Durch die im Interferenzbereich entstehenden Interferenzmuster können an deren Maxima je nach Positionierung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems die gewünschten (periodischen) Strukturen mit den gewünschten lateralen Ausdehnungen und/oder Tiefenausdehnungen realisiert werden. Die mehreren Laserstrahlen können dabei mithilfe von Strahlteilern erzeugt und dann über Strahlumlenker (z. B. Spiegel) aus verschiedenen Richtungen bzw. unter den gewünschten Winkeln in den Überlagerungsbereich eingestrahlt werden.Alternatively, it is also possible to cause a plurality of coherent laser beams to interfere at predefined angles in a superposition area. The substrate base and / or the layer system is hereby positioned at a predefined position in the interference or overlay region. Depending on the positioning of the substrate base and / or the layer system, the desired (periodic) structures with the desired lateral expansions and / or depth expansions can be realized at their maxima by the interference patterns arising in the interference region. The multiple laser beams can be generated by means of beam splitters and then beamed via beam deflectors (eg mirrors) from different directions or at the desired angles into the overlapping area.
Die Laserbestrahlung kann gepulst oder auch kontinuierlich sein; Laser mit Emissionen im sichtbaren oder im infraroten Bereich sind ebenso einsetzbar wie Laser mit Emissionswellenlängen im UV-Bereich.The laser irradiation can be pulsed or continuous; Lasers with emissions in the visible or in the infrared range are just as applicable as lasers with emission wavelengths in the UV range.
Vorteilhafterweise erfolgt das Aufbringen des Schichtsystems auf die Substratbasis (oder auf entsprechende Haftvermittlerschichten) mittels eines Beschichtungsverfahrens. Die chemische Gasphasenabscheidung kann ebenso eingesetzt werden wie die physikalische. Ein Aufbringen des Schichtsystems ist insbesondere mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, mittels Magnetronsputtern und/oder mittels eines Vakuumbogenverfahrens möglich. Auch die Haftvermittlerschichten können entsprechend abgeschieden werden.Advantageously, the coating system is applied to the substrate base (or to corresponding adhesion promoter layers) by means of a coating method. Chemical vapor deposition can be used as well the physical. An application of the layer system is possible in particular by means of plasma-assisted chemical vapor deposition, by magnetron sputtering and / or by means of a vacuum arc process. The adhesion promoter layers can also be deposited accordingly.
Das Füllen der Vertiefungen mit Festschmierstoff kann durch ein mechanisches Einbringen von in Pastenform vorliegendem Festschmierstoff erfolgen. Auch in Pulverform mit mindestens einem organischen und/oder anorganischen Bindemittel vermischt vorliegender Festschmierstoff kann eingebracht werden. Alternativ ist eine Spraydeposition eines in flüssiger Form vorliegenden Festschmierstoffs ebenso möglich wie ein Eintauchen der in der Substratbasis und/oder dem Schichtsystem eingebrachten Vertiefungen in eine festschmierstoffhaltige Flüssigkeit.The filling of the wells with solid lubricant can be done by mechanical introduction of present in paste form of solid lubricant. Also in powder form mixed with at least one organic and / or inorganic binder present solid lubricant can be introduced. Alternatively, a spray position of a solid lubricant present in liquid form is possible, as is immersion of the depressions introduced in the substrate base and / or the layer system into a solid lubricant-containing liquid.
Nach dem Einbringen des Festschmierstoffs in die Vertiefungen kann eine Nachbehandlung in Form von Trocknen, Aushärten, Sintern und/oder Brennen erfolgen.After the introduction of the solid lubricant in the wells, a post-treatment in the form of drying, curing, sintering and / or firing can take place.
Erfindungsgemäß kann somit eine planare oder konturierte Oberfläche eines Bauteils oder eines Werkzeugs vor oder auch nach der Beschichtung mit einer DLC-Schicht mit einer μm- oder auch nm-Tiefenstruktur durch direkte Laserinterferenz und/oder durch Einsatz von Mikrolinsen-Arrays unter Nutzung von bevorzugt gepulster Laserstrahlung im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich und/oder im IR-Bereich strukturiert werden. Dabei ist es ebenso möglich zunächst ein Kunststoff-, Keramik- oder Metallsubstrat mit dem Laser zu strukturieren, bevor eine Beschichtung mit der DLC-Schicht erfolgt, wie auch zunächst die DLC-Schicht auf einem entsprechenden Substrat abzuscheiden und dann die Laserstrukturierung nach der Abscheidung durchzuführen. Im letzteren Fall kann nach der Laserstrukturierung erneut DLC-beschichtet werden.Thus, according to the invention, a planar or contoured surface of a component or a tool before or even after coating with a DLC layer with a μm or nm depth structure by direct laser interference and / or by using microlens arrays using preferably pulsed Laser radiation in the UV range, in the visible range and / or in the IR range are structured. It is also possible first to pattern a plastic, ceramic or metal substrate with the laser before coating with the DLC layer, as well as first to deposit the DLC layer on a corresponding substrate and then perform the laser patterning after deposition , In the latter case, after the laser structuring again DLC-coated.
Die DLC-Beschichtung kann mithilfe von PVD-Verfahren (z. B. Arc-Verdampfung oder Magnetronsputtern), durch PECVD-Verfahren oder auch durch eine Kombination beider Verfahren hergestellt werden. Einfachschichten, Mehrfachschichten oder auch Gradientenschichten können als DLC-Schichten abgeschieden werden. Vorteilhafterweise werden Schichten aus amorphem Kohlenstoff z. B. vom Typ a-C, ta-C, a-C:H und/oder ta-C:H sowie ggf. auch mit einem Metall oder anderen Elementen dotierte Typen wie z. B. a-C:H:W als DLC-Schichten abgeschieden (vgl.
Die durch die Laserstrukturierung eingebrachten Strukturen können wie folgt ausgebildet sein:
- – linienartige Muster mit periodischem Abstand d (Periode p ist gleich Linienabstand d).
- – kreuzartige Muster erreicht durch Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit einem spezifischen Rotationswinkel von z. B. 30°, 60° oder 90°.
- – kombinierte kreuzartige Muster mit unterschiedlichen Linienabständen d1 und d2.
- – verschiedene Anordnungen von Vertiefungen z. B. in Form von Löchern mit unterschiedlichen Abständen.
- – beliebige Formen von Vertiefungen bzw. Löchern mit einem Mikrolinsen-Array über der zu strukturierenden Substratbasis und/oder Schicht.
- – beliebige Formen von Vertiefungen über ein Verschieben der Substratbasis und/oder Schichtstruktur während der Bestrahlung über ein Mikrolinsen-Array.
- – beliebige Formen von Vertiefungen mit einer Verschiebung der Bestrahlungsoptik während/zwischen den Bestrahlungen über ein Mikrolinsen-Array.
- – linienartige Muster über ein Mikrolinsen-Array.
- – kreuzartige Muster durch Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit einem Mikrolinsen-Array.
- – auch beliebige Kombinationen der vorbeschriebenen Musterstrukturen sind denkbar.
- - Line-like pattern with periodic distance d (period p is equal to line distance d).
- - Cross-like pattern achieved by multiple irradiation with line patterns with a specific rotation angle of z. B. 30 °, 60 ° or 90 °.
- - Combined cross-like patterns with different line spacing d 1 and d 2 .
- - Different arrangements of wells z. B. in the form of holes with different distances.
- Any shapes of pits or holes with a microlens array over the substrate base and / or layer to be patterned.
- Any shapes of depressions via a displacement of the substrate base and / or layer structure during the irradiation via a microlens array.
- Any shapes of pits with a shift of the irradiation optics during / between the irradiations via a microlens array.
- Line-like patterns over a microlens array.
- - Cross-type patterns by multiple irradiation with line patterns with a microlens array.
- - Any combinations of the above pattern structures are conceivable.
Die so erzeugten Strukturen werden schließlich mit einem Festschmierstoff gefüllt, sodass die Strukturen zumindest teilweise ausgefüllt sind. Überschüssiger Festschmierstoff kann ggf. auf der gefüllten Oberfläche verbleiben. Der Festschmierstoff kann aus Sulfiden (z. B. MoS2, WS2), Seleniden (beispielsweise NbSe2), Grafit, Kunststoff (z. B. PTFE-Partikel) und/oder aus Weichmetallen (z. B. Al, Co, Pb) oder auch aus einer beliebigen Mischung der vorgenannten Stoffe bestehen. Er kann in pulverförmiger oder auch in mit Flüssigkeit gebundener Form vorliegen. Der Festschmierstoff kann beispielsweise über Eintauchen, Spritzen oder auch durch einfachen manuellen Auftrag in die Vertiefungen eingebracht und ggf. (z. B. durch Sintern oder Wärmetrocknung) nachbehandelt werden.The structures thus produced are finally filled with a solid lubricant, so that the structures are at least partially filled. Excess solid lubricant may possibly remain on the filled surface. The solid lubricant may consist of sulphides (eg MoS 2 , WS 2 ), selenides (for example NbSe 2 ), graphite, plastic (eg PTFE particles) and / or of soft metals (eg Al, Co, Pb) or also consist of any mixture of the aforementioned substances. It can be present in powdered or else in liquid-bound form. The solid lubricant can be introduced, for example, by immersion, spraying or by simple manual application in the wells and optionally aftertreated (eg by sintering or heat drying).
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Festschmierstoffstrukturen liegt der größte Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die erzeugten Oberflächen unter schwierigsten Umgebungs- und/oder Schmierbedingungen (insbesondere also auch im Vakuum) gute Gleit- und Verschleißschutzeigenschaften aufweisen.Compared to the solid lubricant structures known from the prior art, the greatest advantage of the present invention lies in the fact that the surfaces produced have good sliding and anti-wear properties under the most difficult ambient and / or lubricating conditions (in particular even in a vacuum).
Ein weiterer Vorteil liegt in der großen Toleranzbreite von Umgebungsbedingungen, unter denen die erfindungsgemäße Oberfläche ihre Gleiteigenschaften beibehält.Another advantage lies in the wide tolerance range of environmental conditions under which the surface according to the invention retains its sliding properties.
Von reinen DLC-Beschichtungen ist bekannt, dass sie unter Mischreibungsbedingungen sowie in Normalatmosphäre gute Gleit- und Verschleißschutzeigenschaften aufweisen, unter sehr trockener Luft, Schutzgas, Vakuum oder sonstigen schwierigen Umgebungsbedingungen ihre vorteilhaften Eigenschaften jedoch verlieren und hohe Reibwerte und starken Verschleiß erzeugen. Durch die erfindungsgemäß z. B. über eine Laserstrukturierung eingebrachten Vertiefungen und deren Auffüllung mit Festschmierstoff in Kombination mit der DLC-Beschichtung wird ein Reservoir an Schmierstoff bereitgestellt, das auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen immer den nötigen Schmierstoff bereithält, ohne dass dieser rasch verbraucht wird. Somit ist eine erfindungsgemäß modifizierte bzw. eine mit gefüllten Tiefenstrukturen versehene modifizierte DLC-Schicht nahezu universell einsetzbar. Die Erfindung kann im Bereich von allen tribologisch belasteten Komponenten und Bauteilen, insbesondere bei Komponenten und Bauteilen, die aufgrund starker Belastungen, konstruktiver Aspekte oder aufgrund der herrschenden Umgebungsbedingungen ansonsten nur unzureichend mit Schmierstoff versorgt werden, eingesetzt werden. Pure DLC coatings are known to exhibit good anti-slip and anti-wear properties under mixed-friction conditions as well as in normal atmospheres but lose their advantageous properties under very dry air, inert gas, vacuum or other difficult environmental conditions, producing high coefficients of friction and high wear. By the invention z. B. introduced via a laser structuring wells and their filling with solid lubricant in combination with the DLC coating, a reservoir of lubricant is provided, which always holds the necessary lubricant even under unfavorable environmental conditions, without this is consumed quickly. Thus, a modified DLC layer modified according to the invention or provided with filled depth structures can be used almost universally. The invention can be used in the range of all tribologically loaded components and components, in particular for components and components that are otherwise insufficiently supplied with lubricant due to heavy loads, constructive aspects or due to the prevailing environmental conditions.
Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäß modifizierten Oberflächen bzw. die erfindungsgemäßen Festschmierstoffstrukturen für mechanische Komponenten wie Lager, Getriebe oder Führungen bei Anwendungen in Vakuum (beispielsweise bei Weltraumanwendungen wie Satellitenverstellsystemen oder bei Vakuumpumpen) sowie unter Schutzgas (z. B. bei Anwendungen in der Mikroelektronik).In particular, the surfaces modified according to the invention or the solid lubricant structures according to the invention are suitable for mechanical components such as bearings, gears or guides in vacuum applications (for example in space applications such as satellite positioning systems or in vacuum pumps) and under protective gas (eg in microelectronics applications).
Weitere Beispiele für die Anwendung erfindungsgemäßer Festschmierstoffstrukturen sind tribologisch stark belastete Teile z. B. im Automobilbereich (Verteilerpumpen, Einspritzkomponenten, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Zahnräder in Getrieben). Schließlich sind trocken laufende Reib-/Gleitpaarungen (z. B. für Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen oder auch in Flugzeuganwendungen) Einsatzgebiete für erfindungsgemäße Festschmierstoffstrukturen.Further examples of the application of solid lubricant structures according to the invention are tribologically highly stressed parts, for. In the automotive sector (distributor pumps, injection components, piston rings, piston pins, gears in gears). Finally, dry running friction / sliding pairings (eg for machine tools, textile machines or even in aircraft applications) are fields of use for solid lubricant structures according to the invention.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
Es zeigen:Show it:
Sofern nachfolgend nichts anderes gesagt ist, beziehen sich die Ausführungsbeispiele auf eine Festschmierstoffstruktur, die eine Substratbasis aus gehärtetem Stahl, z. B. 100Cr6, aufweist, auf der mittels eines PVD-Beschichtungsverfahrens eine 2,5 μm dicke homogene Schicht aus ta-C abgeschieden ist. Vor dem Abscheiden wird die Substratbasis (nachfolgend auch als Bauteil bezeichnet) in üblicher Weise gereinigt und es wird in der Beschichtungskammer zunächst eine Plasmareinigung und eine Abscheidung einer Haftvermittlungsschicht durchgeführt, bevor dann schließlich die homogene Schicht aus ta-C aufbeschichtet wird. Die Abscheidung der ta-C-Schicht erfolgt mit einem gepulsten Vakuumbogenverfahren, z. B. mit einem Laser-Arc-Verfahren aus einer Grafitkathode. Dabei wird vorzugsweise die Beschichtung mit einem Plasmafilter durchgeführt, um eine möglichst glatte Schicht abzuscheiden.Unless otherwise stated below, the embodiments relate to a solid lubricant structure comprising a hardened steel substrate base, e.g. B. 100Cr6, on which by means of a PVD coating process, a 2.5 micron thick homogeneous layer of Ta-C is deposited. Before depositing, the substrate base (hereinafter also referred to as a component) is cleaned in a conventional manner and first a plasma cleaning and a deposition of an adhesion-promoting layer are carried out in the coating chamber, before finally the homogeneous layer of ta-C is coated. The deposition of the ta-C layer is carried out using a pulsed vacuum arc method, for. B. with a laser arc process from a graphite cathode. In this case, the coating is preferably carried out with a plasma filter in order to deposit the smoothest possible layer.
Nach der Laserstrukturierung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems vor oder nach der Beschichtung der Substratbasis (die Laserstrukturierung wird nachfolgend noch ausführlich beschrieben), wird der Festschmierstoff auf die dergestalt strukturierte Oberfläche aufgebracht. Die Aufbringung des Festschmierstoffs kann in konventioneller Weise erfolgen, so wie z. B. in B.
Beim in
Die hier periodische Vertiefungsstruktur
Nach Einbringen der Vertiefungsstruktur
In
Das Mikrolinsen-Array
Mithilfe eines in den drei Translationsrichtungen x, y und z eines Kartesischen Koordinatensystems bewegbaren Verschiebetisches
Zur Einstellung der Strukturgröße der Vertiefungsstruktur
Anstelle eines Verschiebetisches (mit oder ohne Rotationsachse) kann auch ein Roboter verwendet werden. Hierbei können sowohl die Komponenten
Beim in den
Im Strahlengang nach der Blende
Die in den
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