DE102013206534A1

DE102013206534A1 - Mehrlagige Beschichtung und Verfahren zum Bilden derselben

Info

Publication number: DE102013206534A1
Application number: DE102013206534.5A
Authority: DE
Inventors: Woong Pyo HONG; In Woong Lyo; Kwang Hoon Choi; Hyuk Kang
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-03-06
Also published as: KR101449116B1; US20140065394A1; KR20140028581A; US20160333462A1

Abstract

Offenbart sind eine mehrlagige Beschichtung, die auf einer Oberfläche gebildet ist, indem erste Beschichtungsschichten, die aus TiN bestehen, und zweite Beschichtungsschichten, die aus TiAgN bestehen, wiederholt und nacheinander laminiert sind, sowie ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Gemäß 35 U. S. C. § 119(a) beansprucht die Anmeldung die Leistung der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2012-0095122 , die am 29. August 2012 eingereicht wurde und auf deren gesamten Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Hintergrund
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrlagige Beschichtung und ein Verfahren zum Bilden derselben und insbesondere eine mehrlagige Beschichtung als Beschichtungsmaterial für Antriebsteile eines Motors und dergleichen, welche die Anforderungen an eine Haltbarkeit, eine geringe Reibung und eine Wärmebeständigkeit erfüllt.
(b) Stand der Technik
Diamantartiger Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC), der derzeit als Beschichtungsmaterial für die Antriebsteile eines Motors und dergleichen verwendet wird, erfüllt die Anforderungen an die Haltbarkeit, stellt jedoch keine geeignete Wärmebeständigkeit bereit. Um diesen Nachteil zu beheben, wurde die Verwendung eines TiAgN-Beschichtungsmaterials vorgeschlagen. Ein TiAgN-Beschichtungsmaterial stellt eine geringe Reibung und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit bereit.
Eine TiAgN-Beschichtung kann unter Verwenden einer Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) erzeugt werden. Insbesondere ist ein Verfahren, bei welchem Stickstoffgas als Atmosphärengas unter bestimmten Temperaturbedingungen auf die Oberfläche eines Grundmaterials gespritzt wird und eine TiAgN-Beschichtungsschicht gebildet wird, indem unter Verwenden eines Ti-Targets und eines Ag-Targets ein Plasma auf der Oberfläche gebildet wird, das zuverlässigste Herstellungsverfahren. Eine geeignete Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung (PVD) und verschiedene Techniken können zum Beispiel den in der KR 10-2010-0001086 A beschriebenen Ausführungen entsprechen.
Wenn der Anteil an Ag als Weichmetall jedoch erhöht wird, wird zwar die geringe Reibung verbessert, jedoch nimmt die Härte ab. Aufgrund der geringen Haltbarkeit ist eine kommerzielle Anwendung daher schwierig. Zudem kann bei einer TiAgN-Beschichtung bis heute nicht die erforderliche Kombination aus einer geringen Reibung, einer Haltbarkeit und einer Wärmebeständigkeit gewährleistet werden.
Erforderlich sind daher ein Beschichtungsmaterial und ein Beschichtungsverfahren, die alle erforderlichen Eigenschaften der Haltbarkeit, der Wärmebeständigkeit und einer geringen Reibung für eine Anwendung als Beschichtungsmaterial für Antriebsteile eines Motors und dergleichen erfüllen können.
Die vorstehend als Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung angegebene Beschreibung dient lediglich dazu, den Hintergrund der vorliegenden Erfindung verständlich zu machen und soll nicht als Teil des Standes der Technik, der einem Fachmann bekannt ist, angesehen werden.
Zusammenfassung der Offenbarung
Die vorliegende Erfindung wurde in dem Bestreben gemacht, die vorstehend angegebenen, mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung stellt eine mehrlagige Beschichtung bereit, welche eine TiAgN-Beschichtungsschicht ist, die eine Haltbarkeit und eine Wärmebeständigkeit sowie eine geringe Reibung bereitstellt, die für deren Verwendung als Beschichtungsmaterial für die Antriebsteile eines Motors und dergleichen erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Bilden der mehrlagigen Beschichtung bereit.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine mehrlagige Beschichtungsschicht bereit, indem wiederholt und nacheinander erste Beschichtungsschichten, die aus TiN bestehen, und zweite Beschichtungsschichten, die aus TiAgN bestehen, laminiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die erste Beschichtungsschicht und die zweite Beschichtungsschicht jeweils mit einer Dicke von etwa 20–300 nm gebildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die erste Beschichtungsschicht und die zweite Beschichtungsschicht wiederholt und nacheinander mit insgesamt 10–30 Schichten laminiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst die zweite Beschichtungsschicht Ag in einer Menge von etwa 7–20 Atom-%, bezogen auf alle Atome, die die zweite Beschichtungsschicht bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden beim Verfahren zum Auftragen der mehrlagigen Beschichtung eine Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung (PVD), ein Ti-Target, ein Ag-Target und N₂-Gas verwendet, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Beschichtungsschritt zum Auftragen der ersten Beschichtungsschicht, die aus TiN besteht, auf die Oberfläche eines Grundmaterials, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom an ein Ti-Target angelegt wird; einen zweiten Schritt des Auftragens der zweiten Beschichtungsschicht, die aus TiAgN besteht, wobei N2-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom an sowohl das Ti-Target als auch an ein Ag-Target angelegt wird; und einen Schritt des Laminierens, um wiederholt und nacheinander die erste Beschichtungsschicht und die zweite Beschichtungsschicht zu laminieren, wobei der an das Ag-Target angelegte Strom wiederholt an- (zum Bilden von TiAgN) und aus- (zum Bilden von TiN) geschaltet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Atmosphärengas N₂-Gas oder Ar-Gas.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Ti-Target zur Stromversorgung an einer Einheit in Form einer Sputterquelle eingebaut und das Ag-Target ist an einer Einheit in Form einer Bogenquelle eingebaut.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Strom von etwa 1–2,5 A an die Sputterquelleneinheit angelegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Strom von etwa 50–200 A an die Bogenquelleneinheit angelegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vorspannung an das Grundmaterial angelegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Vorspannung etwa 100–250 V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Temperatur in einer Kammer der Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung etwa 300–450°C.
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z. B. Kraftstoffen, die aus einer anderen Quelle als Erdöl stammen), einschließt. Wie es hierin bezeichnet wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines” und „der, die das” auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend”, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder” jegliche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein.
Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa”, wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa” erweitert.
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich anhand bestimmter beispielhafter Ausführungsformen derselben beschrieben, die in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, welche hierin im Folgenden lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben sind und die vorliegende Erfindung daher in keiner Weise einschränken sollen. In den Figuren gilt:
1 zeigt eine Abbildung der mehrlagigen Beschichtungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme, in welcher die in 1 gezeigte mehrlagige Beschichtung vergrößert dargestellt ist;
die 3 und 4 zeigen Graphen, die den Einfluss der Dicke und der Anzahl an Schichten der mehrlagigen Beschichtungsschicht, wie sie in 1 gezeigt ist, zeigen;
5 zeigt ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
die 6 und 7 zeigen Abbildungen, die die Schritte zum Ausführen des Verfahrens zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung, wie es in 5 veranschaulicht ist, zeigen;
die 8 bis 10 zeigen Abbildungen, die die Effekte des Verfahrens zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung, wie es in 5 veranschaulicht ist, zeigen; und
11 zeigt eine Abbildung, die den Unterschied in der Härte zwischen einer TiAgN-Einzelschicht und der mehrlagigen Beschichtungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, welche die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Spezielle Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich von zum Beispiel bestimmten Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen und Umstände der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt werden.
In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen jeweils gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren die mehrlagige Beschichtung gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Herstellen derselben beschrieben.
Die 1 zeigt eine Abbildung der mehrlagigen Beschichtungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die 2 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme, in welcher die mehrlagige Beschichtungsschicht, die in 1 gezeigt ist, vergrößert dargestellt ist. Die mehrlagige Beschichtungsschicht der vorliegenden Erfindung ist gebildet, indem die ersten Beschichtungsschichten 30, die aus TiN bestehen, und die zweiten Beschichtungsschichten 40, die aus TiAgN bestehen, wiederholt und nacheinander laminiert wurden.
Die mehrlagige Beschichtung kann allgemein unter Verwenden einer PVD-Einrichtung gebildet werden. Im Gegensetz zu herkömmlichen Beschichtungen aus nur TiAgN als Einzelschicht wird die mehrlagige Beschichtung insbesondere gebildet, indem TiN und TiAgN nacheinander laminiert werden. Als solches stellen die vorliegenden Beschichtungen gleichzeitig eine Haltbarkeit und eine Wärmebeständigkeit sowie die erforderliche geringe Reibung sicher.
Die 2 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme, in der die in 1 gezeigte mehrlagige Beschichtungsschicht vergrößert dargestellt ist. Wie gezeigt ist, ist eine Pufferschicht 20, die aus Ti und TiN besteht, auf dem Grundmaterial 10 gebildet und die ersten Beschichtungsschichten 30 und die zweiten Beschichtungsschichten 40 sind abwechselnd auf dieser laminiert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schritt des Bilden der Pufferschicht 20 mittels eines Prozesses des Einbringens oder Implantierens von Ti durchgeführt, mit dem die Beschichtung in geeigneter Weise auf dem Grundmaterial bereitgestellt wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen sind die erste Beschichtungsschicht 30 und die zweite Beschichtungsschicht 40 jeweils mit einer Dicke von entsprechend etwa 20–300 nm gebildet. Die 3 zeigt einen Graphen, der die Eigenschaften der mehrlagigen Beschichtung bezogen auf die jeweilige Dicke der ersten und der zweiten Beschichtungsschicht 30, 40 zeigt. Wie in der 3 gezeigt ist, zeigen sich insbesondere sowohl eine höhere Härte als auch eine geringere Reibung, wenn die Dicke jeder der Beschichtungsschichtungsschichten 30, 40 zwischen etwa 20 nm und etwa 300 nm liegt.
Des Weiteren ist bevorzugt, dass die erste Beschichtungsschicht 30 und die zweite Beschichtungsschicht 40 wiederholt laminiert sind, so dass insgesamt etwa 10–30 Schichten gebildet sind. Wie in der 4 gezeigt ist, zeigen sich sowohl eine höhere Härte als auch eine geringere Reibung, wenn die Anzahl an Schichten zwischen etwa 10 Schichten und etwa 30 Schichten liegt.
Ferner ist bevorzugt, dass die zweite Beschichtungsschicht 40 Ag in einer Menge von etwa 7–20 Atom-%, bezogen auf alle Atome, die die zweite Beschichtungsschicht 40 bilden, umfasst. Eine solche Menge an Ag kann erhalten werden, indem die Dauer der Abscheidung des Ag-Targets und der Strom gesteuert werden. Wenn die Menge an Ag wenigstens 7 Atom-% beträgt, kann eine geringe Reibung erhalten werden, wenn die Menge jedoch mehr als 20 Atom-% beträgt, kann die Härte abnehmen.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen werden im Verfahren des Auftragens einer mehrlagigen Beschichtung zum Bilden der mehrlagigen Beschichtung eine Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung (PVD), ein Ti-Target, ein Ag-Target und N₂-Gas verwendet. Das Verfahren umfasst insbesondere: einen ersten Beschichtungsschritt S100, bei welchem die erste Beschichtungsschicht 30, die aus TiN besteht, auf der Oberfläche eines Grundmaterials aufgetragen wird, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom an ein Ti-Target angelegt wird; einen zweiten Schritt S200, bei welchem die zweite Beschichtungsschicht 40, die aus TiAgN besteht, aufgetragen wird, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom sowohl an das Ti-Target als auch an ein Ag-Target angelegt wird; und einen Schritt S300 des Laminierens, bei dem die erste Beschichtungsschicht 30 und die zweite Beschichtungsschicht 40 wiederholt laminiert werden, indem der an das Ag-Target angelegte Strom AUS (zum Bilden einer ersten Beschichtungsschicht 30 aus TiN) und AN (zum Bilden einer zweiten Beschichtungsschicht 40 aus TiAgN) geschaltet wird.
Die 5 zeigt insbesondere eine Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zum Auftrag einer mehrlagigen Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und die 6 und 7 zeigen Abbildungen, die die Schritte zum Durchführen des Verfahrens zum Auftragen einer mehrlagige Schicht, wie sie in 5 gezeigt ist, veranschaulichen. Im Prinzip wird gemäß dem vorliegenden Verfahren eine TiN-Schicht auf der Oberfläche des Grundmaterials 10 gebildet, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom an das Ti-Target angelegt wird, dann werden die TiAgN-Schicht und die TiN-Schicht nacheinander und wiederholt laminiert, indem der an das Ag-Target angelegte Strom nacheinander und wiederholt AN und AUS geschaltet wird, d. h., dass, wenn der Strom AN ist, die TiAgN-Schicht aufgetragen wird, und dass, wenn der Strom AUS ist, die TiN-Schicht aufgetragen wird. Die Dicke der verschiedenen Schichten kann nach Wunsch eingestellt werden, indem verschiedene Faktoren variiert werden und indem insbesondere die Dauer zwischen dem AN/AUS-Schalten des an das Ag-Target angelegten Stroms variiert wird.
Gemäß ausführlichen Versuchsbedingungen wird in einem Schritt zum Bilden eines Vakuums ein Vakuum in einer Kammer gebildet, um den Einfluss von Verunreinigungen in der Atmosphäre zu minimieren und um so die Eigenschaften der Beschichtungsschicht zu verbessern. Unter Verwenden einer zweiten TMP (Turbo Molecular Pump, Turbomolekularpumpe) werden ein Vakuumdruck von etwa 10^–3 Torr, der mittels einer ersten Rotationspumpe eingestellt wurde, und dann ein Vakuumdruck von 5 × 10^–5 Torr aufrecht erhalten.
Um eine gleichmäßige Reaktion/Bindung von Stickstoff (N) bei hohen Temperaturen zu induzieren, wird in einem Erwärmungsschritt die Temperatur auf etwa 300°C oder höher eingestellt und gehalten und es wird eine Haltedauer der Erwärmung auf etwa 40 min oder länger eingestellt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche und im Inneren der zu beschichtenden Versuchsprobe zu erreichen.
In einem Reinigungsschritt wird eine Versuchsprobe mit Hilfe einer Ultraschallwascheinrichtung mit Ethanol und Aceton gewaschen und die Oberfläche wird in der Kammer unter Verwenden einer Ionenkanone 20 min lang oder länger geätzt und gereinigt, um die Verunreinigungen auf der Oberfläche der Versuchsprobe zu entfernen, wodurch die Eigenschaften der Beschichtungsschicht verbessert werden.
In einem Schritt zum Bilden einer Pufferschicht kann, um eine Differenz der Gitterkonstanten zwischen dem Grundmaterial und der TiAgN-Schicht zu reduzieren und so die Adhäsionskraft an den Grenzflächen der Beschichtungsschichten zu verbessern, Ti mit Hilfe eines Verfahrens der Bogenionenplattierung unter Stickstoffatmosphäre unter Verwenden einer Bogenquelle umgesetzt werden, um die TiN-Schicht abzuscheiden. Insbesondere kann eine TiN-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,1 mm oder weniger abgeschieden werden.
Dann wird in einem Prozess des Abscheidens der mehrlagigen Beschichtung, um die TiAgN- und TiN-Beschichtungsschichten 30, 40 wiederholt und nacheinander abzuscheiden, Ar-Gas als Atmosphärengas in eine Beschichtungskammer eingespritzt, so dass Ag-Atome gesputtert werden, und es wird Stickstoff-(N₂-)Gas eingespritzt, um TiN zu synthetisieren. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Vorspannung an die zu beschichtenden Oberflächen angelegt, um die Effektivität der Abscheidung zu erhöhen, und es wird eine Spannung an eine Bogenkanone, die mit einem Ti-Target ausgestattet ist, und an eine Sputterkanone, die mit einem Ag-Target ausgestattet ist, angelegt. Anschließend wird die Ag-Quelle nacheinander AN und AUS geschaltet, so dass die TiAgN-Beschichtungsschicht und die TiN-Beschichtungsschicht nacheinander abgeschieden werden.
Das Atmosphärengas ist insbesondere N₂-Gas oder Ar-Gas, so dass die TiN-Schicht abgeschieden wird und die Ag-Atome gesputtert werden.
Des Weiteren ist das Ti-Target an einer Einheit in Form einer Sputterquelle eingebaut und das Ag-Target ist an einer Einheit in Form einer Bogenquelle eingebaut und dann wird Strom an diese angelegt, so dass die Schicht effektiver und schneller erzeugt werden kann und der Anteil an Ti und die Oberfläche exakter gesteuert werden können.
Bezogen auf die Sputterquelleneinheit ist bevorzugt, einen Strom von etwa 1–2,5 A anzulegen. Wie in der 8 gezeigt ist, ermöglicht das Ti-Target gleichzeitig sowohl eine geringe Reibung als auch eine große Härte, wenn ein Strom von etwa 1–2,5 A angelegt wird.
Ferner ist bevorzugt, dass ein Strom von etwa 50–200 A an die Bogenquelleneinheit angelegt wird. Wie in der 9 gezeigt ist, ermöglicht das Ag-Target gleichzeitig sowohl eine geringe Reibung als auch eine große Härte, wenn ein Strom von etwa 50–200 A angelegt wird.
Des Weiteren ist bevorzugt, dass eine Vorspannung an das Grundmaterial angelegt wird, um die Effektivität der Abscheidung zu erhöhen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Vorspannung etwa 100–250 V. Wie in der 10 gezeigt ist, die einen Graphen zeigt, der die Ergebnisse bezogen auf die Vorspannung veranschaulicht, können, wenn die Vorspannung etwa 100–250 V beträgt, gleichzeitig sowohl eine geringe Reibung als auch eine große Härte ermöglicht werden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist die Prozesstemperatur in einer Kamer der Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung auf etwa 300–450°C eingestellt. Bei dieser Temperatur verläuft die Reaktion/Bindung des Stickstoffs gleichmäßiger, wodurch die Effektivität des Prozesses zunimmt und der Stickstoff in der richtigen Menge beibehalten bleibt.
Daneben zeigt die 11 einen Graphen, der den Unterschied in der Härte zwischen einer TiAgN-Einzelschicht und der mehrlagigen Beschichtungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie gezeigt ist, weist die mehrlagige Beschichtungsschicht der vorliegenden Erfindung eine Härte auf, die im Vergleich zum bisher verwendeten Beschichtungsmaterial aus der TiAgN-Einzelschicht um 40% oder mehr verbessert ist. Die vorliegende Erfindung stellt daher eine mehrlagige Beschichtung mit einem sehr deutlichen Unterschied in der Härte gegenüber einer herkömmlichen Beschichtung bereit. Des Weiteren zeigt die mehrlagige Beschichtung die gewünschte geringe Reibung, da sie, wie vorstehend beschrieben ist, Ag in der richtigen Menge enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen eine mehrlagige Beschichtungsschicht mit dem vorstehend angegebenen Aufbau und ein Verfahren zum Auftragen derselben eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Beschichtungsmaterial aus einer TiAgN-Einzelschicht um 40% (TiAgN-Einzelschicht: 10–12 GPa und das Beschichtungsmaterial der vorliegenden Erfindung: 15–25 GPa) verbesserte Härte bereit. Daneben wurde die Wärmebeständigkeit bei hohen Temperaturen von 400°C oder höher im Vergleich zum herkömmlichen Beschichtungsmaterial aus einer TiAgN-Einzelschicht um 30% verbessert. Das Beschichtungsmaterial der vorliegenden Erfindung kann entsprechend die Kraftstoffeffizienz und die Haltbarkeit verbessern, da sie die Haltbarkeit von Antriebsteilen eines Motors und dergleichen stärkt, indem herkömmliche Materialien, wie beispielsweise DLC und das Beschichtungsmaterial aus einer TiAgN-Einzelschicht ersetzt werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben ausführlich beschrieben. Fachleute werden jedoch erkennen, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem eigentlichen Sinn der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-2012-0095122 [0001]
KR 10-2010-0001086 A [0004]

Claims

Mehrlagige Beschichtung, umfassend eine Vielzahl abwechselnd angeordneter erster Beschichtungsschichten, die aus TiN bestehen, und zweiter Beschichtungsschichten, die aus TiAgN bestehen.
Mehrlagige Beschichtung nach Anspruch 1, wobei jede Schicht der ersten Beschichtungsschichten und der zweiten Beschichtungsschichten jeweils eine Dicke von etwa 20–300 nm aufweist.
Mehrlagige Beschichtung nach Anspruch 1, umfassend insgesamt etwa 10–30 erste Beschichtungsschichten und zweite Beschichtungsschichten.
Mehrlagige Beschichtung nach Anspruch 1, umfassend etwa 7–20 Atom-% Ag, bezogen auf alle Atome, die die zweite Beschichtungsschicht bilden.
Verfahren zum Bilden einer mehrlagigen Beschichtung unter Verwenden einer Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD), eines Ti-Targets, eines Ag-Targets und N₂-Gas, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Auftragen einer ersten Beschichtungsschicht aus TiN auf die Oberfläche eines Grundmaterials, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas verwendet wird und Strom an ein Ti-Target angelegt wird; einen zweiten Schritt des Auftragens einer zweiten Beschichtungsschicht aus TiAgN auf der ersten Beschichtungsschicht, wobei N₂-Gas als Atmosphärengas eingespritzt wird und Strom sowohl an das Ti-Target als auch an ein Ag-Target angelegt wird; und einen Schritt des Laminierens, um eine Vielzahl von ersten Beschichtungsschichten und zweiten Beschichtungsschichten wiederholt und nacheinander zu laminieren, indem der an das Ag-Target angelegte Strom wiederholt AUS und AN geschaltet wird.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 5, wobei das Atmosphärengas N₂-Gas oder Ar-Gas ist.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 5, wobei das Ti-Target zur Stromversorgung an einer Einheit in Form einer Sputterquelle eingebaut ist und das Ag-Target an einer Einheit in Form einer Bogenquelle eingebaut ist.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 7, wobei ein Strom von etwa 1–2,5 A an die Sputterquelleneinheit angelegt wird.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 7, wobei ein Strom von etwa 50–200 A an die Bogenquelleneinheit angelegt wird.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 5, wobei eine Vorspannung an das Grundmaterial angelegt wird.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorspannung etwa 100–250 V beträgt.
Verfahren zum Auftragen einer mehrlagigen Beschichtung nach Anspruch 5, wobei die Temperatur in einer Kammer der Einrichtung zur physikalischen Dampfphasenabscheidung etwa 300–450°C beträgt.