DE102013007146A1

DE102013007146A1 - DLC Beschichtung mit Einlaufschicht

Info

Publication number: DE102013007146A1
Application number: DE102013007146.1A
Authority: DE
Inventors: Manfred Wurzer; Sebastien Guimond; Franz Widowitz
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung mit Beständigkeit gegenüber Verschleiss, wobei auf eine Komponente zunächst eine DLC-Schicht mit hoher Härte aufgebracht wird und auf diese DLC-Schicht Gradientenschicht aufgebracht wird, deren Dichte in Richtung Oberfläche abnimmt. Durch den dadurch in der Gradientenschicht entstehenden Härteverlauf wirkt die Gradientenschicht als Einlaufschicht in Anwendungen mit Gleitflächen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zu Herstellung einer Verschleissschutzschicht mit dicker Einlaufschicht.
State of the art
Bei Bauteilen mit gleitenden Oberflächen besteht ein grosses Bedürfnis nach harten Oberflächen, welche jedoch als äusserste Schicht eine Einlaufschicht aufweisen so das der gleitende Gegenkörper zunächst in der Lage ist die Einlaufschicht zumindest teilweise abzutragen und so eine Anpassung an seine eigene Geometrie zu erzielen Als gleitschichten ist es bekannt, DLC-Schichten einzusetzen und diese mit einer weicheren Schicht zu überziehen, so dass diese weichere Schicht als Einlaufschicht wirksam wird. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass auf ein anderes Schichtmaterial übergegangen werden muss. Dies stellt erhöhte Anforderungen an die Beschichtungsanlage und das durchzuführende Beschichtungsverfahren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine harte Oberflächenbeschichtung anzugeben, mit weicher Einlaufschicht, wobei die Schichtmaterialien der harten Beschichtung und der weichen Einlaufschicht im Wesentlichen, was die chemischen Elemente und deren Konzentration betrifft gleich ist.
Dies wird dadurch erreicht auf eine DLC-Schicht eine Gradientenschicht mit abnehmender Dichte und dadurch mit abnehmender Härte realisiert wird. Bei genügender Dicke der Gradientenschicht wird hierdurch eine effiziente Einlaufschicht erzeugt.
Dabei ist klar, dass aufgrund der geringeren und abnehmenden Dichte der Gradientenschicht dies zu einer Reduktion der Gesamthärte der Schicht führt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gradient so realisiert, dass die Gesamthärte der Schicht nicht geringer als 15 GPa ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die DLC-Schicht eine Härte, welche nicht geringer als 1500 HV oder 15 GPa ist, bevorzugter Weise nicht geringer als 18 GPa ist und noch bevorzugter nicht geringer als 20 GPa. Ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es innerhalb der Gradientenschichtdicke keinen Bereich der eine geringere Härte als 600 HV oder 6 GPa aufweisst, vorzugsweise nicht geringer als 8 GPa.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der DLC-Schicht nicht geringer als 0.5 μm.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Gradientenschicht nicht weniger als 300 nm.
Eine Beschichtung gemäss der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise mittels Plasma-unterstützten CVD Prozessen der PVD-Prozessen oder einer Kombination aus beidem hergestellt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der Schichten umfasst einen kombinierten plasmaunterstützten CVD und Zerstäubungsprozess.
Die Beschichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung hat unter anderem folgende Vorteile:
Die DLC-Schicht bleibt hart genug um Verschleissschutz zu gewährleisten. Auf Substraten mit erhöhter Rauhigkeit kann es sogar zu einer Erhöhung der Verschleissbeständigkeit der Gradientenschicht kommen, da die Bereiche zwischen den Substratspitzen geschützt sind.
Die Herstellung der Gradientenschicht kann auf dem herkömmlichen Prozess für die Herstellung der DLC-Schicht beruhen. Es wird keine zusätzliche Ausrüstung oder zusätzliche Gase benötigt.
Die Substrate wurden in einer Vakuumkammer mittels einer plasmaunterstütztem CVD Methode hergestellt, wobei eine Kombination aus Acetylen und Argon als Prozessgas verwendet wird. Das Prozessgas wurde in der Kammer mittels eines Plasmas ionisiert welches über eine Niedervoltbogenentladung erzeugt wurde. Zusätzlich wurde während des Beschichtungsprozesses ein Substratbias an die Substrate angelegt.
Zur Beschichtung der DLC-Schicht wurde der Substratbias auf einem konstanten Wert von 900 V gehalten. Die DLC-Beschichtung nahm 80 Minuten in Anspruch. Zur Beschichtung der Gradientenschicht wurde der Substratbias kontinuierlich von 900 V auf 50 V reduziert. Nach Ablauf von 40 Minuten war ein Substratbias von 50 V erreicht. Abgesehen vom Substratbias wurden die anderen Beschichtungsparameter während der gesamten Beschichtung konstant gehalten. Es wird jedoch der Niedervoltbogen-Entladungsstrom kontinuierlich erhöht um der mit der Reduktion des Substratbias einhergehende Abnahme der Plasmadichte entgegen zu wirken. Durch diese kontinuierliche Reduktion des Substratbias erfolgte eine kontinuierliche Reduktion der Schichtdichte, die wiederum eine Reduktion des Brechungsindexes zur Folge hatte.
Im Ergebnis war die Gradientenschicht 0.7 μm dick. Die für das Gesamtsystem (DLC-Schicht und Gradientenschicht) Mikroindentation auf einem Fischerscope mit 10 mN Last gemessene Härte betrug 18 GPa. Das Schichtsystem zeigte eine exzellente Verschleissbeständigkeit.

Claims

Hartstoffschicht auf einer Komponente, wobei die Hartstoffschicht eine DLC-Schicht mit einer Härte von mindestens 10 GPa umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht eine mindestens 300 nm dicke DLC Gradientenschicht vorgesehen ist.
Hartstoffschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die chemische Zusammensetzung der Gradientenschicht von der chemischen Zusammensetzung der DLC-Schicht im Wesentlichen lediglich im Wasserstoffgehalt unterscheidet.
Verfahren zur Herstellung einer verschleissfesten Oberfläche umfassend die Schritte: – Beladung einer Beschichtungskammer mit zu beschichtenden Substraten – Abpumpen der Beschichtungskammer und einlassen von Prozessgas umfassend Acethylen und Argon – Aufbau eines Plasmas vorzugsweise mittels Niedervoltbogenentladung – Anlegen eines Substratbias an die zu beschichtenden Substrate dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablegung einer DLC-Schicht zunächst ein betragsmässig hoher Substratbias angelegt wird und zur anschliessenden Beschichtung einer Gradientenschicht der Substrabias verringert, vorzugsweise kontinuierlich und/oder mit einer Vielzahl von kleinen Reduktionsschritten und gleichzeitig der Niedervoltbogen- Entladungsstrom kontinuierlich erhöht wird, um der mit der Reduktion des Substratbias einhergehende Abnahme der Plasmadichte entgegen zu wirken.