DE102010052971A1 - Workpiece with Si-DLC coating and process for the production of coatings - Google Patents
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Abstract
Ein Werkstück 13 umfasst einen Grundkörper 1, gegebenenfalls eine Haftschicht 2 und/oder mehrere Vermittlerschichten (3, 4, 30, 40, 5) und eine Si-DLC enthaltende Deckschicht 6 mit einem Wasserstoffgehalt von 5 bis 20 atom-%. Ein Verfahren zum PVD-Beschichten von Werkstücken, umfasst einen oder mehrere Schritte S1 bis SN, mit N = 1, 2, 3, ..., wobei im Schritt SN eine Si-DLC enthaltende Deckschicht mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Silizium-haltigem Target und gegebenenfalls einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Graphit-Target in einer Atmosphäre mit einem nominellen Wasserstoffgehalt von kleiner 30 atom-% abgeschieden wird.A workpiece 13 comprises a base body 1, optionally an adhesive layer 2 and / or several mediating layers (3, 4, 30, 40, 5) and a Si-DLC-containing cover layer 6 with a hydrogen content of 5 to 20 atom%. A method for PVD coating workpieces comprises one or more steps S1 to SN, with N = 1, 2, 3, ..., where in step SN a Si-DLC-containing cover layer by means of one or more magnetron cathodes with silicon-containing Target and optionally one or more magnetron cathodes with graphite target is deposited in an atmosphere with a nominal hydrogen content of less than 30 atom%.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück umfassend einen Grundkörper, gegebenenfalls eine oder mehrere Vermittlerschichten und eine Si-DLC enthaltende Deckschicht, sowie ein Verfahren zum PVD-Beschichten von Werkstücken, umfassend einen oder mehrere Schritte S1 bis SN, mit N = 1, 2, 3, ..., wobei im Schritt SN eine Si-DLC enthaltende Deckschicht mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Silizium-haltigem Target und gegebenenfalls einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Graphit-Target abgeschieden wird.The present invention relates to a workpiece comprising a base body, optionally one or more intermediate layers and a top layer containing Si-DLC, and a method for PVD coating of workpieces comprising one or more steps S 1 to S N , where N = 1, 2 , 3, ..., wherein in step S N a cover layer containing Si-DLC is deposited by means of one or more magnetron cathodes with a silicon-containing target and optionally one or more magnetron cathodes with graphite target.
Die Verwendung von tribologischen Si-DLC-Schichten ist im Stand der Technik bekannt.
Die
Einen gepulsten Plasmastrahl verwendet das in der
Verschiedene CVD Verfahren bzw. mit solchen Verfahren hergestellte Si-DLC/DLC Mischschichten werden in den folgenden Dokumenten beschrieben: Die
Die
Der in der
Ein CVD Verfahren mit unabhängig vom Beschichtungsplasma erzeugter Substratspannung wird in der
Einige der im Stand der Technik bekannten tribologischen Si-DLC-Beschichtungen weisen eine hohe Harte von über 15 GPa und einen Gleitreibungs-Koeffizienten μ von kleiner 0,2 auf. Jedoch genügt die Verschleißbeständigkeit und damit die Laufleistung der mit den bekannten Si-DLC-Schichten ausgerüsteten Komponenten, wie Zahnräder und Wellen für Antriebe, Motorenteile aus einem Verbrennungsmotor, Getriebeteile aus einem Automobilgetriebe, Pleuel, Getriebeteile, ein Zahnräder, Wellen, Lagerschalen, Wälzlager, Kugellager, Nadellager, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Zylinderlaufbuchsen, Teilen von Treibstoffeinspritzvorrichtung z. B. für die Direkteinspritzung von Diesel oder Benzin für Automobilmotoren, Teilen aus dem Ventiltrieb eines Automotors, Tassenstößel, Schlepphebel, Kipphebel, Ventilstößel, Linearführungen, Schliessbügel für Automobiltüren, Gleitbuchsen nicht in jedem Fall den hohen Anforderungen der Automobil- und Flugindustrie.Some of the tribological Si-DLC coatings known in the prior art have a high hardness of over 15 GPa and a sliding friction coefficient μ of less than 0.2. However, the wear resistance and thus the mileage of the components equipped with the known Si-DLC layers, such as gears and shafts for drives, engine components from an internal combustion engine, transmission parts from an automotive transmission, connecting rods, gear parts, gears, shafts, bearings, rolling bearings, Ball bearings, needle roller bearings, piston rings, piston pins, cylinder liners, parts of fuel injection device z. As for the direct injection of diesel or gasoline for automotive engines, parts of the valve train of a car engine, bucket tappets, drag lever, rocker arm, valve lifters, linear guides, closing bracket for automotive doors, sliding bushings not in any case the high demands of the automotive and aviation industry.
Dementsprechend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, Komponenten bzw. Werkstücke mit einer tribologischen Beschichtung bereitzustellen, die zusätzlich zu einer hohen Härte und einem niedrigen Gleitreibungs-Koeffizienten eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Accordingly, it is an object of the present invention to provide tribological coating components having high wear resistance in addition to a high hardness and a low sliding friction coefficient.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück umfassend einen Grundkörper, gegebenenfalls eine oder mehrere Vermittlerschichten und eine Si-DLC enthaltende Deckschicht, wobei die Deckschicht einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 20 atom-% aufweist.This object is achieved by a workpiece comprising a base body, optionally one or more intermediate layers and a top layer containing Si-DLC, wherein the cover layer has a hydrogen content of 5 to 20 atomic%.
Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Werkstücke sind dadurch gekennzeichnet, dass:
- – die Deckschicht einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 18 atom-%, vorzugsweise 5 bis 15 atom-%, und insbesondere 5 bis 10 atom-% aufweist;
- – die Deckschicht eine Dicke von 0,4 bis 5,0 μm, vorzugsweise 0,6 bis 3,0 μm, und insbesondere 0,8 bis 2,0 μm hat;
- – die Deckschicht eine Härte HUplast von 15 bis 40 GPa, vorzugsweise 20 bis 40 GPa, und insbesondere 25 bis 40 GPa aufweist;
- – die Deckschicht einen Reibungskoeffizienten u von 0,05 bis 0,20, vorzugsweise 0,05 bis 0,15, und insbesondere 0,05 bis 0,12 aufweist;
- – die Deckschicht gemäß Kalotest mit Al2O3-Pulver in Glyzerin einen Verschleißkoeffizient von 0,5 × 10–15 bis 3,0 × 1015 m3/(N·m), vorzugsweise 0,5 × 10–15 bis 2,5 × 10–15 m3/(N·m), und insbesondere 0,5 × 10–15 bis 1,5 × 10–15 m3/(N·m) aufweist;
- – die Deckschicht eine mittels Rockwell A Test für Grundkörper aus Hartmetall oder mittels Rockwell C Test für sonstige Grundkörper gemessene Haftfestigkeit HF1 bis HF4, vorzugsweise HF1 bis HF3, und insbesondere HF1 bis HF2 aufweist;
- – die Deckschicht einen Si-Gehalt von 5 bis 50 atom-%, vorzugsweise 5 bis 30 atom-%, und insbesondere 5 bis 25 atom-% aufweist;
- – die Deckschicht einen Gehalt von 0,01 bis 6,0 atom-% eines Additivs gewählt aus Bor, Schwefel und Mischungen davon, aufweist;
- – die Deckschicht eine oder mehrere Doppellagen umfasst, die wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus DLC oder wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus Me-DLC bestehen, wobei Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist;
- – die Deckschicht ein erstes Schichtsystem mit einer oder mehreren Doppellagen und ein zweites Schichtsystem mit einer oder mehreren Doppellagen umfasst, wobei die Doppellagen des ersten und des zweiten Schichtsystems wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus DLC bestehen, das Verhältnis der Dicken der DLC-Lagen zu den Si-DLC-Lagen in dem ersten Schichtsystem größer/gleich 0,9, vorzugsweise größer 1,2 ist und das Verhältnis der Dicken der DLC-Lagen zu den Si-DLC-Lagen in dem zweiten Schichtsystem kleiner 0,9, vorzugsweise kleiner 0,8 ist;
- – die alternierenden Lagen aus Si-DLC und DLC bzw. Me-DLC jeweils eine Dicke von 0,1 bis 100 nm, vorzugsweise 1 bis 10 nm, und insbesondere 1 bis 5 nm haben;
- – der mittlere Silizium-Anteil der
Deckschicht 5 bis 50 atom-%, vorzugsweise 5 bis 30 atom-%, und insbesondere 5 bis 25 atom-% beträgt und vorzugsweise mit zunehmendem Abstand vom Grundkörper ansteigt; - – das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper angeordnete und zum Grundkörper benachbarte Haftschicht aus Ti, V, Cr, CrN, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si oder Ni umfasst;
- – das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnete und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbarte erste Vermittlerschicht aus SiCx, MeCx oder WCx umfasst sowie gegebenenfalls eine zwischen der ersten Vermittlerschicht und der Deckschicht angeordnete und zur ersten Vermittlerschicht benachbarte zweite Vermittlerschicht aus DLC, Si-DLC oder Me-DLC, insbesondere aus W-DLC umfasst und in den Vermittlerschichten die folgenden Materialpaarungen vorliegen:
- wobei Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist;
- – ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (SiCx/WCx), (SiCx/MeCx), (WCx/SiCx) oder (MeCx/SiCx) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem eine Schicht oder zwei Schichten gewählt aus SiCx, (SiCx/DLC), (SiCx/Si-DLC), (SiCx/Me-DLC), insbesondere (SiCx/W-DLC), oder MeCx, (MeCx/DLC), (MeCx/Si-DLC), (MeCx/Me-DLC), insbesondere (MeCx/W-DLC), wobei MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist, umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen:
- wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist;
- – ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (SiCx/DLC), (SiCx/Si-DLC), (SiCx/Me-DLC), insbesondere (SiCx/W-DLC) oder (MeCx/DLC), (MeCx/Si-DLC), (MeCx/Me-DLC), insbesondere (MeCx/W-DLC) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem zwei Schichten gewählt aus (SiCx/DLC), (SiCx/Si-DLC), (SiCx/Me-DLC), insbesondere (SiCx/W-DLC) oder (MeCx/DLC), (MeCx/Si-DLC), (MeCx/Me-DLC), insbesondere (MeCx/W-DLC) umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen:
- wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist;
- – ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten gewählt aus (Si-DLC/SiCx), (Si-DLC/MeCx), vorzugsweise (Si-DLC/WCx) oder (Me-DLC/SiCx), insbesondere (W-DLC/SiCx), (Me-DLC/MeCx), insbesondere (W-DLC/WCx) oder (DLC/SiCx), (DLC/MeCx), vorzugsweise (DLC/WCx) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem zwei Schichten gewählt aus (SiCx/DLC), (MeCx/DLC), (SiCx/Si-DLC), (MeCx/Si-DLC), (SiCx/Me-DLC), insbesondere (SiCx/W-DLC) oder (MeCx/Me-DLC), insbesondere (MeCx/W-DLC) umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen:
- wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist;
- – das Werkstück ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (Si-DLC/DLC), (Si-DLC/Me-DLC), insbesondere (Si-DLC/W-DLC) oder (DLC/Si-DLC), (DLC/Me-DLC), insbesondere (DLC/W-DLC) oder (Me-DLC/Si-DLC), insbesondere (W-DLC/Si-DLC), (Me-DLC/DLC), insbesondere (W-DLC/DLC) sowie gegebenenfalls eine zwischen der Deckschicht und dem Schichtsystem angeordnete und zum Schichtsystem benachbarte Vermittlerschicht aus DLC, Si-DLC oder Me-DLC, insbesondere aus W-DLC umfasst und in dem Schichtsystem und der Vermittlerschicht die folgenden Materialpaarungen vorliegen:
- wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist;
- – das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper angeordnete und zur Deckschicht benachbarte Schicht aus DLC umfasst;
- – der Grundkörper aus einem Werkstoff gewählt aus Stahl, Stahllegierungen, Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Keramikmaterial, Hartmetall, Wolfram, Wolframlegierungen, Tantal, Tantallegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Silizium, Siliziumverbindungen, Bronze, Kunststoff oder einer Mischung aus diesen Werkstoffen besteht; und
- – das Werkstück ein Motorenteil aus einem Verbrennungsmotor, ein Getriebeteil aus einem Automobilgetriebe, ein Pleuel, ein Getriebeteil, ein Zahnrad, eine Welle, eine Lagerschale, ein Wälzlager, ein Kugellager, ein Nadellager, ein Kolbenring, ein Kolbenbolzen, eine Zylinderlaufbuchse, ein Teil einer Treibstoffeinspritzvorrichtung z. B. für die Direkteinspritzung von Diesel oder Benzin für Automobilmotoren, ein Teil aus dem Ventiltrieb eines Automotors, ein Tassenstößel, ein Schlepphebel, ein Kipphebel, ein Ventilstößel, eine Linearführung, ein Schließbügel für Automobiltüren, eine Gleitbuchse oder eine Solarzelle ist.
- - The top layer has a hydrogen content of 5 to 18 atomic%, preferably 5 to 15 atomic%, and in particular 5 to 10 atomic%;
- - The cover layer has a thickness of 0.4 to 5.0 microns, preferably 0.6 to 3.0 microns, and in particular 0.8 to 2.0 microns;
- - The top layer has a hardness HU plast of 15 to 40 GPa, preferably 20 to 40 GPa, and in particular 25 to 40 GPa;
- The cover layer has a coefficient of friction u of from 0.05 to 0.20, preferably from 0.05 to 0.15, and in particular from 0.05 to 0.12;
- - The cover layer according to Kalotest with Al 2 O 3 powder in glycerol a wear coefficient of 0.5 × 10 -15 to 3.0 × 10 15 m 3 / (N · m), preferably 0.5 × 10 -15 to 2 , 5 × 10 -15 m 3 / (N · m), and especially 0.5 × 10 -15 to 1.5 × 10 -15 m 3 / (N × m);
- - The top layer has a measured by Rockwell A test for hard metal bodies or by Rockwell C test for other basic body adhesion HF1 to HF4, preferably HF1 to HF3, and in particular HF1 to HF2;
- The top layer has an Si content of 5 to 50 atom%, preferably 5 to 30 atom%, and in particular 5 to 25 atom%;
- The topcoat has a content of from 0.01 to 6.0 atomic% of an additive selected from boron, sulfur and mixtures thereof;
- The cover layer comprises one or more double layers alternately consisting of layers of Si-DLC and layers of DLC or alternately of layers of Si-DLC and layers of Me-DLC, Me-DLC preferably being in the form of W-DLC;
- The cover layer comprises a first layer system with one or more double layers and a second layer system with one or more double layers, wherein the double layers of the first and the second layer system consist alternately of layers of Si-DLC and layers of DLC, the ratio of the thicknesses of the DLC Layers to the Si-DLC layers in the first layer system is greater than or equal to 0.9, preferably greater than 1.2, and the ratio of the thicknesses of the DLC layers to the Si-DLC layers in the second layer system is less than 0.9 , preferably less than 0.8;
- The alternating layers of Si-DLC and DLC or Me-DLC each have a thickness of 0.1 to 100 nm, preferably 1 to 10 nm, and in particular 1 to 5 nm;
- - The average silicon content of the
cover layer 5 to 50 atomic%, preferably 5 to 30 atomic%, and in particular 5 to 25 atomic% and preferably increases with increasing distance from the base body; - The workpiece comprises an adhesion layer of Ti, V, Cr, CrN, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si or Ni which is arranged between the cover layer and the base body and is adjacent to the base body;
- The workpiece comprises a first mediator layer of SiC x , MeC x or WC x arranged between the cover layer and the main body or the adhesion layer and adjacent to the main body or to the adhesion layer and optionally a second disposed between the first mediator layer and the cover layer and adjacent to the first mediator layer Comprising DLC, Si-DLC or Me-DLC mediator layer, in particular of W-DLC, and in the mediator layers the following material pairings are present:
- wherein Me-DLC is preferably carried out as W-DLC;
- A first layer system consisting of one or more double layers of (SiC x / WC x ), (SiC x / MeC x ), (WC x / SiC x ) arranged between the cover layer and the main body or the adhesive layer and adjacent to the main body or to the adhesion layer or (MeC x / SiC x ) and optionally a second layer system arranged between the cover layer and the first layer system and adjacent to the first layer system, wherein the second layer system comprises a layer or two layers selected from SiC x , (SiC x / DLC), ( SiC x / Si-DLC), (SiC x / Me-DLC), in particular (SiC x / W-DLC), or MeC x , (MeC x / DLC), (MeC x / Si-DLC), (MeC x / Me-DLC), in particular (MeC x / W-DLC), where MeC x is preferably in the form of WC x , and in the layer systems the following material pairings are present:
- where n is an integer greater than or equal to 1 and Me-DLC is preferably designed as W-DLC and MeC x, preferably as WC x ;
- A first layer system consisting of one or more double layers of (SiC x / DLC), (SiC x / Si-DLC), (SiC x / Me-DLC) and arranged between the cover layer and the main body or the adhesion layer and adjacent to the main body or to the adhesion layer ), in particular (SiC x / W-DLC) or (MeC x / DLC), (MeC x / Si-DLC), (MeC x / Me-DLC), in particular (MeC x / W-DLC) and optionally an intermediate The second layer system comprises two layers selected from (SiC x / DLC), (SiC x / Si-DLC), (SiC x / Me-DLC), in particular (SiC x / W-DLC) or (MeC x / DLC), (MeC x / Si-DLC), (MeC x / Me-DLC), in particular (MeC x / W-DLC) and in the layer systems the following Material pairings are available:
- where n is an integer greater than or equal to 1 and Me-DLC is preferably designed as W-DLC and MeC x, preferably as WC x ;
- - a valve disposed between the cover layer and the base body or the adhesive layer and adjacent to the base body or to the adhesion layer first layer system of one or more double layers selected from (Si-DLC / SiC x) (Si-DLC / MeC x), preferably (Si DLC / WC x ) or (Me-DLC / SiC x ), in particular (W-DLC / SiC x ), (Me-DLC / MeC x ), in particular (W-DLC / WC x ) or (DLC / SiC x ) , (DLC / MeC x ), preferably (DLC / WC x ) and optionally between the top layer and the first layer system and second layer system adjacent to the first layer system, the second layer system comprising two layers selected from (SiC x / DLC), (MeC x / DLC), (SiC x / Si-DLC), (MeC x / Si-DLC), (SiC x / Me-DLC), in particular (SiC x / W-DLC) or (MeC x / Me-DLC), in particular (MeC x / W-DLC) and in the layer systems the following material pairings are present:
- where n is an integer greater than or equal to 1 and Me-DLC is preferably designed as W-DLC and MeC x, preferably as WC x ;
- The workpiece comprises a layer system consisting of one or more double layers of (Si-DLC / DLC), (Si-DLC / Me-DLC), (Si-DLC / Me-DLC), which is arranged between the cover layer and the main body or the adhesion layer and adjacent to the main body or to the adhesion layer. DLC / W-DLC) or (DLC / Si-DLC), (DLC / Me-DLC), in particular (DLC / W-DLC) or (Me-DLC / Si-DLC), in particular (W-DLC / Si-DLC). DLC), (Me-DLC / DLC), in particular (W-DLC / DLC) and, if appropriate, an intermediate layer of DLC, Si-DLC or Me-DLC, in particular W-DLC, arranged between the cover layer and the layer system and adjacent to the layer system and in the layer system and the mediator layer the following material pairings are present:
- where n is an integer greater than or equal to 1 and Me-DLC is preferably designed as W-DLC;
- The workpiece comprises a layer of DLC disposed between the cover layer and the base body and adjacent to the cover layer;
- The base body is made of a material selected from steel, steel alloys, titanium, titanium alloys, aluminum, aluminum alloys, magnesium, magnesium alloys, copper, copper alloys, ceramic material, hard metal, tungsten, tungsten alloys, tantalum, tantalum alloys, nickel, nickel alloys, silicon, silicon compounds, bronze, Plastic or a mixture of these materials; and
- The workpiece is an engine part of an internal combustion engine, a transmission part of an automotive transmission, a connecting rod, a gear part, a gear, a shaft, a bearing shell, a rolling bearing, a ball bearing, a needle bearing, a piston ring, a piston pin, a cylinder liner, a part a fuel injection device z. For example, for the direct injection of diesel or gasoline for automotive engines, a part of the valve train of a car engine, a bucket tappet, a drag lever, a rocker arm, a valve lifter, a linear guide, a locking bar for automobile doors, a sliding bush or a solar cell.
Diamant-artiger Kohlenstoff bzw. DLC sowie Verfahren zum Abscheiden von Beschichtungen aus DLC mittels CVD und/oder PVD sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. In DLC-Schichten sind die Kohlenstoffatome in einem dreidimensionalen unregelmäßigen Gitter angeordnet, wobei ein großer Teil der Kohlenstoffatome sp3-hybridisiert und jeweils mit vier benachbarten Kohlenstoffatomen kovalent gebunden ist.Diamond-like carbon or DLC and methods for depositing coatings from DLC by CVD and / or PVD are well known in the art. In DLC layers, the carbon atoms are arranged in a three-dimensional irregular lattice with a large portion of the carbon atoms being sp 3 -hybridized and each covalently bonded to four adjacent carbon atoms.
Im Rahmen der Erfindung bezeichnen die Abkürzungen ”SiCx”, ”MeCx” und ”WCx” Schichtmaterialien, die einen metallischen oder carbidischen Charakter aufweisen und die insbesondere überwiegend aus Silizium oder Siliziumcarbid (SiC), aus einem Metall, gewählt aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Ni oder Metallcarbid (MeC), bzw. aus Wolfram oder Wolframcarbid (WC) bestehen. In reinem SiC, MeC oder WC beträgt das stöchiometrische Verhältnis von Si, Me bzw. W zu C genau 1 atom-% zu 1 atom-%. Die in der vorliegenden Anmeldung mit ”SiCx”, ”MeCx” und ”WCx” bezeichneten Schichtmaterialien weisen in der Regel eine von reinem SiC, MeC bzw. WC abweichende Stöchiometrie auf, wobei X das Verhältnis des Kohlenstoffanteils relativ zum Silizium-, Metall- bzw. Wolframanteil angibt und typischerweise im Bereich 0,1 < X < 2,0 liegt, d. h. je 1 atom-% Silizium, Metall bzw. Wolfram enthalten die Schichten 0,1 bis 2,0 atom-% Kohlenstoff. Derartige Schichten bestehen im Allgemeinen aus einer Mischung mehrerer Phasen, z. B. aus SiC-, MeC- oder WC-Kristalliten, die in eine Matrix aus metallischem Silizium, Metall bzw. Wolfram (X < 1) oder eine Matrix aus graphitartigem, sp2-hybridisiertem oder ggf. diamantartigem, sp3-hybridisiertem Kohlenstoff (1 < X < 2) eingebettet sind. Erfindungsgemäß sind zudem ”gradierte” SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten vorgesehen, in denen X, d. h. das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenstoff zu Silizium, Metall bzw. Wolfram durch gezielte Änderung der Abscheideparameter derart variiert wird, dass es stetig zu oder abnimmt. Im Rahmen der Erfindung sind vor Allem SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten mit zunehmendem X bzw. Kohlenstoffgehalt vorgesehen, um einen mehr oder minder kontinuierlichen Übergang zu einer nachfolgend abgeschiedenen Deckschicht aus Si-DLC oder Vermittlerschichten aus DLC oder Me-DLC zu schaffen. Derartig gradierte SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten reduzieren die thermische Fehlanpassung und verbessern die Haftung. In the context of the invention, the abbreviations "SiC x ", "MeC x " and "WC x " denote layer materials which have a metallic or carbidic character and in particular predominantly of silicon or silicon carbide (SiC), of a metal selected from Ti, Consist of tungsten or tungsten carbide (WC). In pure SiC, MeC or WC, the stoichiometric ratio of Si, Me or W to C is exactly 1 atomic% to 1 atomic%. The layer materials referred to in the present application as "SiC x ", "MeC x " and "WC x " generally have a stoichiometry other than pure SiC, MeC or WC, where X is the ratio of the carbon fraction relative to the silicon, Indicates metal or tungsten content and is typically in the range 0.1 <X <2.0, ie each 1 atom% of silicon, metal or tungsten, the layers contain 0.1 to 2.0 atomic% carbon. Such layers generally consist of a mixture of several phases, eg. B. from SiC, MeC or WC crystallites, in a matrix of metallic silicon, metal or tungsten (X <1) or a matrix of graphitic, sp 2 -hybridized or possibly diamond-like, sp 3 -hybridized carbon (1 <X <2) are embedded. According to the invention also "graded" SiC x -, MeC x - or WC x layers are provided in which X, that is, the stoichiometric ratio of carbon to silicon, metal or tungsten varying the deposition parameters by selectively changing such that it steadily or decreases. , MeC x - - Within the scope of the invention, above all, SiC x are or WC x layers with increasing X or carbon content provided to a more or less continuous transition to a subsequently deposited layer of Si-DLC or intermediary layers of DLC or metal To create DLC. Such graded SiC x , MeC x or WC x layers reduce thermal mismatch and improve adhesion.
Im Weiteren bezeichnet der Begriff ”Me-DLC” Schichtmaterialien aus Diamant-artigem Kohlenstoff (DLC), die bis zu 40 atom-%, insbesondere 5 bis 15 atom-% eines Metalls, gewählt aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Ni und W enthalten, wobei Wolfram bevorzugt ist.Hereinafter, the term "Me-DLC" designates diamond-like carbon (DLC) layer materials containing up to 40 atomic%, in particular 5 to 15 atomic%, of a metal selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Ni and W, with tungsten being preferred.
Neben einer Härte HUplast von bis zu 40 GPa und einem niedrigen Reibungskoeffizienten μ von 0,05 bis 0,20 zeichnet sich die Beschichtung auf den erfindungsgemäß beschichteten Werkstücken durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Im Gegensatz zu Schichten aus DLC und Me-DLC, die bereits ab 350°C degradieren, halten erfindungsgemäße Deckschichten aus Si-DLC mit einem Siliziumgehalt von größer 5 atom-% im bestimmungsgemäßen Betrieb Temperaturen von bis zu 500°C stand.In addition to a hardness HU plast of up to 40 GPa and a low coefficient of friction μ of 0.05 to 0.20, the coating is characterized on the inventively coated workpieces by a high temperature resistance. In contrast to layers of DLC and Me-DLC, which degrade already from 350 ° C, cover layers of Si-DLC according to the invention with a silicon content of greater than 5 atomic% during normal operation temperatures of up to 500 ° C stand.
Die Erfindung hat im Weiteren die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einem Beschichtungssystem der vorstehend beschriebenen Art bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend einen oder mehrere Schritte S1 bis SN, mit N = 1, 2, 3, ..., wobei im Schritt SN eine Si-DLC enthaltende Deckschicht mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Silizium-haltigem Target und gegebenenfalls einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Graphit-Target abgeschieden wird und die Abscheidung in einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt von kleiner 30 atom-%, vorzugsweise kleiner 20 atom-%, insbesondere kleiner 15 atom-%, und besonders bevorzugt kleiner 10 atom-% ausgeführt wird.The invention has the further object to provide a method for producing workpieces with a coating system of the type described above. This object is achieved by a method comprising one or more steps S 1 to S N , where N = 1, 2, 3,..., Where in step S N a cover layer comprising Si-DLC is provided by means of one or more magnetron cathodes with silicon containing target and optionally one or more magnetron cathodes with graphite target and the deposition in an atmosphere having a hydrogen content of less than 30 atomic%, preferably less than 20 atomic%, more preferably less than 15 atomic%, and more preferably less than 10 atom% is executed.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass:
- – im Schritt SN der Atmosphäre ein inertes, aus Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton oder einer Mischung davon bestehendes Sputtergas oder ein aus einer Mischung von inerten Gasen und Acetylen (C2H2) bestehendes Sputtergas zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Gasflüsse von inertem Gas zu Acetylen von 95:5 bis 50:50 beträgt;
- – im Schritt SN ein oder mehrere Targets aus Materialien gewählt aus Si, SiC, einer Mischung aus Si und SiC, einer Mischung aus Graphit und SiC, einer Mischung aus Graphit und Si, einer Mischung aus Graphit und Si und SiC, W, WC, Ti, TiC, V, VC, Cr, CrC, Zr, ZrC, Nb, NbC, Mo, Mo2C, Hf, HfC, Ta, TaC, Ni oder NiCx verwendet werden;
- – das Verfahren einen oder mehrere Schritte S1 bis SN-1, mit N = 2, 3, ... umfasst, wobei durch Magnetronsputtern eines oder mehrerer Targets aus Materialien gewählt aus Graphit, W, WC, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si, Ni und SiC oder einer Mischung dieser Materialien in einem inerten oder reaktiven, gegebenenfalls wasserstoffhaltigen Plasma eine Haftschicht und/oder eine oder mehrere Vermittlerschichten bzw. Schichtsysteme abgeschieden werden;
- – in einem oder mehreren der Schritte S1 bis SN Targets verwendet werden, die einen Dotierstoff, wie Bor oder Schwefel enthalten;
- – in einem oder mehreren der Schritte S1 bis SN Gase verwendet werden, die einen Dotierstoff, wie Bor oder Schwefel enthalten;
- – umbalancierte Magnetronkathoden verwendet und/oder an die zu beschichtenden Werkstücke ein Biaspotential von bis zu –300 V, vorzugsweise von –50 bis –200 V, und insbesondere von –100 bis –200 V angelegt wird; und
- – vor Ausführung der Schritte S1 bis SN die Oberfläche der Werkstücke mittels Ionenätzen vorbehandelt wird.
- - In step S N of the atmosphere, an inert, from argon, neon, helium, xenon, krypton or a mixture thereof existing sputtering gas or a mixture of inert gases and acetylene (C 2 H 2 ) existing sputtering gas is supplied, wherein the ratio the gas flows from inert gas to acetylene is from 95: 5 to 50:50;
- In step S N, one or more targets of materials selected from Si, SiC, a mixture of Si and SiC, a mixture of graphite and SiC, a mixture of graphite and Si, a mixture of graphite and Si and SiC, W, WC be used x Ti, TiC, V, VC, Cr, CrC, Zr, ZrC, Nb, NbC, Mo, Mo 2 C, Hf, HfC, Ta, TaC, Ni or NiC;
- The method comprises one or more steps S 1 to S N-1 , where N = 2, 3,..., Wherein by magnetron sputtering one or more targets of materials selected from graphite, W, WC, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si, Ni and SiC or a mixture of these materials in an inert or reactive, optionally hydrogen-containing plasma, an adhesive layer and / or one or more intermediary layers or layer systems are deposited;
- In one or more of the steps S 1 to S N, targets are used which contain a dopant, such as boron or sulfur;
- In one or more of steps S 1 to S N, gases containing a dopant such as boron or sulfur are used;
- - used balanced magnetron cathodes and / or applied to the workpieces to be coated, a bias potential of up to -300 V, preferably from -50 to -200 V, and in particular from -100 to -200 V is applied; and
- - Before performing steps S 1 to S N, the surface of the workpieces is pretreated by means of ion etching.
Erfindungsgemäß erfolgt die Abscheidung der Deckschicht und der optionalen Vermittlerschichten in einer Atmosphäre, umfassend ein inertes, aus Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton oder einer Mischung davon bestehendes Gas und ggf. ein oder mehrere Reaktivgase, wie Acetylen (C2H2), Methan (CH4), Stickstoff (N2), Silane (SimHn), insbesondere Monosilan (SiH4), Organosilane, insbesondere Tetramethylsilan (C4H12Si) und Hexamethyldisiloxan (C6H18OSi2) und Organosilazane. According to the invention, the deposition of the outer layer and the optional mediator layers takes place in an atmosphere comprising an inert gas consisting of argon, neon, helium, xenon, krypton or a mixture thereof and optionally one or more reactive gases, such as acetylene (C 2 H 2 ). , Methane (CH 4 ), nitrogen (N 2 ), silanes (Si m H n ), in particular monosilane (SiH 4 ), organosilanes, in particular tetramethylsilane (C 4 H 12 Si) and hexamethyldisiloxane (C 6 H 18 OSi 2 ) and Organosilazane.
Die Atmosphäre bzw. das Plasma, in dem die Abscheidung der Deckschicht aus Si-DLC erfolgt, hat einen Wasserstoffgehalt von nominell kleiner 30 atom-%. Im Rahmen der Erfindung bezieht sich die nominelle Angabe des Wasserstoffgehaltes auf vollständig dissoziierte Gasmoleküle. Wird z. B. eine Mischung aus 80 vol.-% Argon (Ar) und 20 vol.-% Acetylen (C2H2) als Atmosphäre für die Abscheidung verwendet, so wird der nominelle Wasserstoffgehalt gemäß der folgenden Gleichung (I) berechnet:
Nach Gleichung (I) werden sämtliche Gasmoleküle bzw. -atome als vollständig dissoziiert betrachtet. Während der Abscheidung bzw. während des Sputterns wird der Atmosphäre kontinuierlich frisches Gas zugeführt. Die pro Zeiteinheit zugeführte Menge der verschiedenen Gase bzw. der Gasfluss wird mittels, einschlägig als Massflow-Controllern (MFC) bezeichneten Reglern eingestellt, die über eine Speicher-programmierbare-Steuerung (SPS) oder einen Computer programmatisch angesteuert werden. Üblicherweise wird der Gasfluss in der Einheit ”standard cubic centimeter per minute” (sccm) angegeben. Während der Abscheidung der Deckschicht aus Si-DLC wird die Menge der pro Minute zugeführten bzw. eingelassenen Gase jeweils so geregelt, dass in dem resultierenden Gasgemisch der gemäß Gleichung (I) berechnete nominelle Wasserstoffgehalt kleiner/gleich 30 atom-% ist. Die tatsächliche stöchiometrische Zusammensetzung der Atmosphäre bzw. des Plasmas, in dem die Abscheidung erfolgt, weicht aufgrund verschiedener Effekte, wie z. B. der von der Gasspezies abhängigen Pumpleistung von Turbomolekularpumpen, der gasartabhängigen Leitwerte der Vakuumverrohrung und Ventile zwischen Pumpe(n) und Rezipient und der Einlagerung der Gasatome in der abgeschiedenen Schicht von dem nach Gleichung (I) berechneten nominellen Wert ab. Der nominelle Wert ist mittels MFC präzise regelbar und wird deshalb zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet.According to equation (I), all gas molecules or atoms are considered to be completely dissociated. During deposition or during sputtering, fresh gas is continuously supplied to the atmosphere. The amount of different gases or gas flow supplied per unit of time is adjusted by means of regulators referred to as Massflow Controllers (MFC), which are programmatically controlled by a programmable logic controller (PLC) or a computer. Usually, the gas flow is given in the unit "standard cubic centimeter per minute" (sccm). During the deposition of the Si-DLC cap layer, the amount of gas introduced per minute is controlled so that, in the resulting gas mixture, the nominal hydrogen content calculated in accordance with equation (I) is less than or equal to 30 atomic%. The actual stoichiometric composition of the atmosphere or the plasma in which the deposition takes place differs due to various effects, such. B. the dependent on the gas species pumping power of turbomolecular pumps, the gasartabhängigen conductances of the vacuum piping and valves between the pump (s) and recipient and the incorporation of the gas atoms in the deposited layer of the calculated according to equation (I) nominal value. The nominal value can be precisely controlled by means of MFC and is therefore used to describe the method according to the invention.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobeiThe invention is explained in more detail below with reference to figures, wherein
- (i) m × SiC + n × C mit m = 1
bis 6, n = 0bis 5 und 1 ≤ m + n ≤ 6; - (ii) k × Si + n × C mit k = 1
bis 6, n = 0bis 5 und 1 ≤ k + n ≤ 6; und - (iii) k × Si + m × SiC + n × C mit k = 1
bis 5, m = 1bis 5, n = 0bis 4 und 2 ≤ k + m + n ≤ 6
- (i) m × SiC + n × C where m = 1 to 6, n = 0 to 5 and 1 ≦ m + n ≦ 6;
- (ii) k × Si + n × C where k = 1 to 6, n = 0 to 5, and 1 ≦ k + n ≦ 6; and
- (iii) k × Si + m × SiC + n × C where k = 1 to 5, m = 1 to 5, n = 0 to 4, and 2 ≦ k + m + n ≦ 6
Je nach Wahl der Targetmaterialien und des Sputtergases werden der Silizium- und Wasserstoffgehalt der Deckschicht
Gegebenenfalls beinhalten die Si-, SiC- und Graphit-Targets Zusatzstoffe wie Bor, Aluminium, Wolfram, Vanadium und/oder Schwefel, welche den Reibungskoeffizienten u der Deckschicht
Die Deckschicht
Werden für die Abscheidung der Deckschicht
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die zu beschichtenden Werkstücke während des Beschichtungsvorgangs mittels eines Planetenantriebs innerhalb der PVD-Beschichtungsvorrichtung durch die Beschichtungszonen bewegt und vorzugsweise mittels Magnetronkathoden, die in Verbindung mit elektromagnetischen Feldspulen ein tunnelartiges Magnetfeld und ein großvolumiges Plasma erzeugen, unter Anwendung eines negativen Substratpotentials bewirkten Ionenbeschusses beschichtet. Die zu beschichtenden Werkstücke sind auf Substrathaltern befestigt. Die Substrathalter sind auf einem Drehteller gelagert und um ihre Längsachse rotierbar. Während der Abscheidung der Deckschicht
ωD ≡ Drehteller-Winkelgeschwindigkeit; ωS ≡ Substrathalter-Winkelgeschwindigkeit; und Δφ ≡ Winkelversatz zwischen Substrathalter und DrehtellerIn a preferred embodiment of the invention, the workpieces to be coated are moved through the coating zones during the coating process by means of a planetary drive within the PVD coating apparatus and preferably by means of a magnetron cathode, which generates a tunnel-like magnetic field and a large-volume plasma in conjunction with electromagnetic field coils Substrate potential caused ion bombardment coated. The workpieces to be coated are mounted on substrate holders. The substrate holders are mounted on a turntable and rotatable about its longitudinal axis. During the deposition of the
ω D ≡ turntable angular velocity; ω S ≡ substrate holder angular velocity; and Δφ ≡ angular offset between substrate holder and turntable
Vorzugsweise ist das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten ωS/ωD eine gebrochen rationale, insbesondere irrationale Zahl, so dass die Bahn s(t) nicht stationär ist.Preferably, the ratio of the angular velocities ω S / ω D is a fractionally rational, in particular irrational number, so that the path s (t) is not stationary.
Bei einer vollständigen Rotation des Drehtellers wird jedes Werkstück einmal durch die Beschichtungszone vor jeder der Magnetronkathoden geführt. Je nach Silizium- und Kohlenstoffgehalt der verschiedenen Beschichtungszonen wird dabei auf dem Werkstück eine dünne Lage aus Si-DLC oder DLC abgeschieden. Folglich weist die Deckschicht
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Siliziumgehalt der Deckschicht
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Beginnend mit dem Grundkörper
Wie in
Die Dicke der Schichten
Die Haftschicht
Besteht der Grundkörper
Zur Kompensation der thermischen Fehlanpassung werden zweckmäßigerweise eine erste Vermittlerschicht
Die Dicke der alternierenden Schichten
Beispielsweise wird zunächst mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit SiC-Target eine Si-DLC-Schicht erzeugt. Hieran anschließend wird die Magnetronkathode mit SiC-Target abgeschaltet bzw. heruntergeregelt und eine oder mehrere Magnetronkathoden mit WC-Target eingeschaltet, um eine W-DLC-Schicht abzuscheiden. Die vorstehenden Sputterschritte werden ggf. mehrfach wiederholt, um ein Schichtsystem
Demgegenüber werden bei der Abscheidung der Deckschicht
In
Die Abscheidung der erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme erfolgt in einer kontrollierten Atmosphäre
Jede der Magnetronkathoden (
Im Weiteren ist eine Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Biasspannung von bis zu –300 V, vorzugsweise –50 bis –200 V bzw. einer Ätzspannung von bis zu –2000 V, vorzugsweise –1000 V an die zu beschichtenden Werkstücke
Durch die Biasspannung bzw. das Biaspotential werden ionisierte Gasatome, zum Beispiel Ar-Ionen aus dem Plasma
In Weiterbildung der Erfindung wird die Oberfläche der Werkstücke
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkstücke (
- – Härte HUplast gemäß
ISO EN 14577 - – Reibungskoeffizient μ mittels Stift-Scheibe Test (pin on disk test) gemäß
DIN EN 50324 (ASTM G99) - – Verschleißfestigkeit mittels Kalottenverschleißtest (üblicherweise auch als Ball-Crater- oder Cal-Test bezeichnet) gemäß
ISO EN-1071-6 Korngröße von 1 μm in Glyzerin als Abrasivpaste, einerStahlkugel mit 30 mm Durchmesser, einer Andruck- bzw.Auflagekraft von 0,54 N, und einerUmdrehungszahl von 50 bis 55 U/min bei einerSchleifdauer von 3 bis 9 Minuten, einem Schleifweg von 17 bis 51 m und einer 0,4Schleiftiefe von 1,2 μm;bis - – Haftfestigkeit mittels Rockwell A Test bei Substraten aus Hartmetall und ansonsten mittels Rockwell C Test gemäß der
Richtlinie VDI 3198 - – Haftfestigkeit bzw. kritischer Lastwert LC2 mittels Ritztest nach
ISO EN 1071-3 - – Silizium- und Kohlenstoffgehalt mittels Electron-Probe-Micro-Analysis (bzw. EDX oder ESCA) unter Verwendung eines Energie-dispersiven Si(Li)-Detektors; und
- – Elementzusammensetzung und Wasserstoffgehalt mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) mit Cäsium-Ionen gemäß dem Verfahren von Willich et al. (
P. Willich, M. Wang, K. Wittmack, Quantitative Analysis of W-C:H Coatings by EPMA, RBS (ERD) and SIMS, Mikrochim. Acta 114/115, 525–532 (1994) P. Willich, C. Steinberg, SIMS depth profile of wear resistant coatings an cutting tools and technical components, Applied Surface Science 179 (2001) 263–268 5, 10 und 15 atom-% verwendet. Die ERD-Messungen wurden im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf mit einem 4He2+-Primärstrahl mit einervon jeweils etwa 2,4 MeV durchgeführt.Energie von
- - Hardness HU plast according to
ISO EN 14577 - Friction coefficient μ by means of a pin-disk test (pin-on-disk test) according to
DIN EN 50324 (ASTM G99) - Wear resistance by calf wear test (also commonly referred to as Ball Crater or Cal test) according to
ISO EN-1071-6 - - Bonding strength by means of Rockwell A test on carbide substrates and otherwise by means of Rockwell C test according to
Guideline VDI 3198 - - Adhesive strength or critical load value L C2 after scratch test
ISO EN 1071-3 - Silicon and carbon content by electron probe micro-analysis (or EDX or ESCA) using an energy-dispersive Si (Li) detector; and
- Elemental composition and hydrogen content by secondary ion mass spectrometry (SIMS) with cesium ions according to the method of Willich et al. (
Willich, M. Wang, K. Wittmack, Quantitative Analysis of WC: H Coatings by EPMA, RBS (ERD) and SIMS, Microchim. Acta 114/115, 525-532 (1994) P. Willich, C. Steinberg, SIMS depth profile of wear resistant coatings on cutting tools and technical components, Applied Surface Science 179 (2001) 263-268
BeispieleExamples
Insgesamt zehn Werkstücke wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Deckschicht aus Si-DLC mit einem Wasserstoffgehalt von kleiner 20 atom-% beschichtet. Als Substrat wurden 6 mm dicke Platten aus Stahl der Sorte 100Cr6 mit einer Fläche von 40 mm × 60 mm verwendet. Die Platten wurden in alkalischen Medien mit Ultraschall gereinigt, in Wasser abgespült und mit Heißluft- und Vakuumanwendung fleckenfrei getrocknet. Anschließend wurden die Platten auf einem Substrathalter befestigt der auf einem Drehteller in der Vakuumkammer einer PVD Beschichtungsanlage gelagert war. Die Vakuumkammer wurde geschlossen und mittels Vorvakuumpumpen (Sperrschieberpumpen und nachfolgend Rootspumpen) vorevakuiert. Nachfolgend wurde mittels Turbomolekularpumpen ein Hochvakuumdruck von kleiner 1 × 10–5 mbar erzeugt wobei zur besseren Entgasung der Teile diese zeitweise mit einer Strahlungsheizung vorgeheizt wurden. Anschließend wurde über einen Massflow-Controller Argon eingelassen bis ein Totaldruck von 5 × 103 mbar erreicht wurde. Alle Platten wurden zunächst für 30 min mit Argonionen bei einer an die Substrate angelegten Ätzspannung von –600 V geätzt, um etwaig vorhandene Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Hieran anschließend wurden mittels DC-Magnetronsputtern in der gleichen Argon-Atmosphäre nacheinander (i) eine etwa 0,5 μm dicke Haftschicht aus Cr, und (ii) eine erste Vermittlerschicht aus SiC aufgebracht. Nachfolgend wurde mittels Massflow-Controller Acetylen eingelassen wobei für die Herstellung (iii) einer zweiten Vermittlerschicht SiCx (mit X > 1) mit kontinuierlich erhöhtem Kohlenstoffanteil in der Schicht der Acetylenfluss im Bereich von 0 bis 80 sccm gesteigert wurde wodurch im letzten Teil der Acetylenrampe eine Abscheidung von Si-DLC mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt vorlag. Die erste und zweite Vermittlerschicht weisen jeweils eine Schichtdicke von etwa 0,2 μm auf. Nach der Abscheidung der zweiten Vermittlerschicht wurden auf den Proben Si-DLC Deckschichten mit variablem Verhältnis von Silizium zu Kohlenstoff und voneinander verschiedener Lagenstruktur abgeschieden. Die Dicke der erzeugten Si-DLC Deckschichten liegt im Bereich von 1 bis 2 μm. Zur Abscheidung der Deckschichten wurde eine Magnetronkathode mit SiC-Target sowie ggf. eine oder zwei Magnetronkathoden mit Graphit-Target eingesetzt. Die Schichtabscheidung erfolgte in einer Mischung aus Argon und Acetylen, wobei der zugeführte Argonfluss konstant auf 300 sccm und der Acetylenfluss auf Werte zwischen 15 und 120 sccm eingestellt wurde. Nach Abschluss des Beschichtungsvorgangs wurden die Teile für 15 Minuten in der Vakuumkammer abgekühlt und nachfolgend wurde die Kammer mit Luft auf Atmosphärendruck geflutet und die Teile wurden aus der Kammer entnommen.A total of ten workpieces were coated by the process according to the invention with a top layer of Si-DLC having a hydrogen content of less than 20 atomic%. As a substrate, 6 mm thick 100Cr6 steel plates having an area of 40 mm × 60 mm were used. The plates were cleaned in alkaline media with ultrasound, rinsed in water and dried spot-free with hot air and vacuum application. Subsequently, the plates were mounted on a substrate holder which was mounted on a turntable in the vacuum chamber of a PVD coating system. The vacuum chamber was closed and pre-evacuated by means of backing pumps (gate valves and subsequently roots pumps). Subsequently, by means of turbomolecular pumps, a high vacuum pressure of less than 1 × 10 -5 mbar was generated, for better degassing of the parts they were preheated at times with a radiant heater. Subsequently, argon was introduced via a mass flow controller until a total pressure of 5 × 10 3 mbar was reached. All plates were first etched for 30 minutes with argon ions at a -600 V etch voltage applied to the substrates to remove any contaminants present from the surface. Subsequently, by means of DC magnetron sputtering in the same argon atmosphere, successively (i) an approximately 0.5 μm thick adhesion layer of Cr, and (ii) a first mediator layer of SiC were applied. Subsequently, acetylene was introduced by means of a Massflow controller, whereby for the production of (iii) a second intermediate layer SiC x (with X> 1) with continuously increased carbon content in the layer, the acetylene flow was increased in the range from 0 to 80 sccm, whereby in the last part of the acetylene ramp There was a deposition of Si-DLC with increasing carbon content. The first and second mediator layers each have a layer thickness of about 0.2 μm. After deposition of the second mediator layer, Si-DLC cover layers were deposited on the samples with variable ratio of silicon to carbon and different layer structure. The thickness of the produced Si-DLC cover layers is in the range of 1 to 2 μm. For the deposition of the outer layers, a magnetron cathode with SiC target and optionally one or two magnetron cathodes with graphite target was used. The layer deposition took place in a mixture of argon and acetylene, wherein the supplied argon flow was set constant to 300 sccm and the acetylene flow to values between 15 and 120 sccm. After completion of the coating operation, the parts were cooled in the vacuum chamber for 15 minutes, and then the chamber was flooded with air to atmospheric pressure and the parts were taken out of the chamber.
Zu Vergleichszwecken wurden zudem zwei Proben mit Deckschichten aus DLC gemäß dem Stand der Technik (Konfiguration (d) bzw. Beispiele 11–12) beschichtet. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Deckschichten und der Vergleichsproben, wie Si- und H-Gehalt, Härte HUplast, Reibungskoeffizient μ, Verschleiß und Haftung wurden mittels der vorstehend beschriebenen Methoden SIMS,
b) Ein SiC Target und zwei Graphittargets (mehrlagige Deckschicht)
c) Ein SiC Target und ein Graphittarget (mehrlagige Deckschicht)
d) Zwei Graphittargets (Vergleichsproben mit Deckschicht aus DLC)
* Verhältnis der Schichtdicken in einer Doppellage der Deckschicht
** Die Verschleißwerte der Si-DLC Schichten b) und c) wurden mit langer Testdauer von 9 Minuten bestimmt, bei 3 Minuten Testdauer sind die Werte bis um 2/3 kleinerFor comparison, two samples were also coated with prior art DLC facings (Configuration (d) and Examples 11-12, respectively). The properties of the outer layers according to the invention and of the comparative samples, such as Si and H content, hardness HU plast , coefficient of friction μ, wear and adhesion were determined by means of the SIMS methods described above,
b) One SiC target and two graphite targets (multilayer topcoat)
c) An SiC target and a graphite target (multilayer topcoat)
d) Two Graphite Targets (Comparative Samples with DLC Overlayer)
* Ratio of the layer thicknesses in a double layer of the cover layer
** The wear values of the Si-DLC layers b) and c) were determined with a long test duration of 9 minutes, at 3 minutes test time the values are smaller by 2/3
Aus den in Tabelle 1 wiedergegebenen Werten ist ersichtlich, dass der Reibungskoeffizient μ bei der Konfiguration (c) (Beispiele 6–10) mit einem SiC Target und einem Graphittarget beim Vorliegen geringer Wasserstoffkonzentrationen in der Deckschicht von einigen atom-% die geringsten Werte erreicht. Das Verschleißminimum für diese Schichten liegt im Bereich um 7 bis 11 atom-% Wasserstoff wobei 18 bis 22 atom-% Silizium vorlagen. Da in diesem Bereich die Schichthärte mit 28 GPa bzw. 28,5 GPa hoch ist sind diese Schichten optimal für tribologische Anwendungen zu nutzen.From the values shown in Table 1, it can be seen that the coefficient of friction μ in the configuration (c) (Examples 6-10) with a SiC target and a graphite target in the presence of low hydrogen concentrations in the top layer of several atomic% reaches the lowest values. The minimum wear for these layers is in the range of 7 to 11 atomic% hydrogen with 18 to 22 atomic% silicon. Since the layer hardness is high in this range with 28 GPa or 28.5 GPa, these layers are optimally used for tribological applications.
Bei den gemäß Konfiguration (a) (Beispiele 1–2) lediglich mit SiC-Target abgeschiedenen Schichten werden im Vergleich zu den Schichten der Konfiguration (c) (Beispiele 6–10) deutlich höhere Verschleißwerte erhalten, wobei für höhere Wasserstoffgehalte um 15 atom-% ebenfalls ein niedriger Reibwert erreicht wird. Da die Schichten ebenfalls hohe Härtewerte von 27,4 GPa bzw. 25 GPa aufweisen können diese Schichten bei geringeren Verschleißbeanspruchungen ebenfalls eingesetzt werden.In the case of the layers deposited according to configuration (a) (Examples 1-2) with SiC target alone, significantly higher wear values are obtained in comparison to the layers of configuration (c) (Examples 6-10), whereby for higher hydrogen contents by 15 atomic % also a low coefficient of friction is achieved. Since the layers also have high hardness values of 27.4 GPa or 25 GPa, these layers can also be used with lower wear stresses.
Bei den gemäß Konfiguration (b) (Beispiele 3–5) mit einem SiC-Target und zwei Graphit-Targets abgeschiedenen Schichten werden im Vergleich zu den Schichten der Konfiguration (c) (Beispiele 6–10) deutlich höhere Reibungskoeffizienten erhalten, wobei bei einem geringen Wasserstoffgehalt von 3,8 atom-% der Reibungskoeffizient deutlich ansteigt. Die abgeschiedenen Schichten weisen geringe Verschleißwerte auf die mit sinkendem Wasserstoffanteil in der Schicht abnehmen. Für die Schichten wurden hohe Härtewerte von 28,7 bis 30,4 GPa ermittelt, d. h. diese Schichten können bei hohen Verschleißbeanspruchungen eingesetzt werden, wobei der Reibungskoeffizient deutlich niedriger ist als bei reinen DLC-Schichten gemäß Konfiguration (d) (Beispiele 11–12).In the layers deposited according to configuration (b) (Examples 3-5) with one SiC target and two graphite targets, significantly higher coefficients of friction are obtained in comparison with the layers of configuration (c) (Examples 6-10) low hydrogen content of 3.8 atom%, the coefficient of friction increases significantly. The deposited layers have low wear values which decrease with decreasing hydrogen content in the layer. High hardness values of 28.7 to 30.4 GPa were determined for the layers, ie. H. these layers can be used under high wear conditions with a much lower coefficient of friction than pure DLC layers according to configuration (d) (Examples 11-12).
Des Weiteren ist bei allen Si-DLC Deckschichten die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Luftfeuchtigkeit deutlich niedriger als bei reinen DLC-Schichten. Bei reinen DLC-Schichten nimmt der Reibungskoeffizient mit zunehmender Luftfeuchte deutlich zu (
Für die Abscheidung von Schichtsystemen mit niedrigem Reibungskoeffizienten und niedrigem Schichtverschleiss für die Deckschicht wurde zuerst ein Teil der Deckschicht mit Anwendung der Kathoden-Konfiguration (b) (Beispiele 3–5) und zum Abschluss ein Teil der Deckschicht mit Anwendung der Kathoden-Konfiguration (c) (Beispiele 6–10) aufgebracht. Hierdurch wird erreicht, dass der obere, mit einem Gegenkörper in Kontakt befindliche Teil der Deckschicht einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist und nach lokalem Verschleiß des oberen Teils der Deckschicht der verschleißfestere untere Teil der Deckschicht das Fortschreiten des Verschleißes reduziert.For the deposition of low coefficient of friction and low layer wear layer systems for the topcoat, first a portion of the overcoat layer using the cathode configuration (b) (Examples 3-5) and finally a portion of the overcoat layer using the cathode configuration (c ) (Examples 6-10). In this way it is achieved that the upper part of the covering layer which is in contact with a counterbody has a low coefficient of friction and, after local wear of the upper part of the covering layer, the wear-resistant lower part of the covering layer reduces the progression of the wear.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PLATE SCHWEITZER ZOUNEK PATENTANWAELTE, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ALD VACUUM TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: AMG COATING TECHNOLOGIES GMBH, 63450 HANAU, DE Effective date: 20140819 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PLATE SCHWEITZER ZOUNEK PATENTANWAELTE, DE Effective date: 20140819 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |