DE19815019B4

DE19815019B4 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen auf der Grundlage des Plasmanitrierens

Info

Publication number: DE19815019B4
Application number: DE1998115019
Authority: DE
Inventors: Jörg Naumann; Bert Reinhold; Heinz Joachim Prof. Dr.-Ing. Spieß; Siegfried Dr.-Ing. Krüger; Franz Prof. Dr. Katzer
Original assignee: Haerterei und Qualitaetsmanagement GmbH
Current assignee: Haerterei und Qualitaetsmanagement GmbH
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2018-04-04
Also published as: DE19815019A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen (1) aus Aluminiumwerkstoffen auf der Grundlage des Plasmanitrierens,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor der eigentlichen Nitrierbehandlung kein Prozessschritt ausgeführt wird, der vorrangig auf die Entfernung der natürlichen Oxidschicht durch Katodenzerstäubung zielt,
das Plasma durch eine gepulste Gleichspannung zwischen 420 und 1.000 V im Frequenzbereich zwischen 5 und 50 kHz erzeugt und die Bauteiltemperatur im wesentlichen durch die über das Plasma im Mittel zugeführte Heizleistung durch die Variation des Tastverhältnisses im Bereich zwischen 0,05 und 0,95 gesteuert wird.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der thermochemischen Randschichtbehandlung zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Aluminiumwerkstoffen.

Stand der Technik

Aluminium und Aluminiumlegierungen werden in wachsendem Umfang für die Fertigung von Bauteilen in der Fahrzeugtechnik sowie in anderen Bereichen eingesetzt, in denen sich durch die geringere Dichte dieser Materialien erheblich reduzierte Beschleunigungskräfte und damit Einsparungen an Antriebsenergie ergeben. Daneben zeichnen sich Aluminiumwerkstoffe durch eine sehr gute Recyclingfähigkeit aus. Diesen vorteilhaften Eigenschaften stehen eine relativ geringe Härte und Verschleißbeständigkeit gegenüber, weshalb Maßnahmen zur Oberflächenverfestigung getroffen werden müssen, um die Haltbarkeit und Lebensdauer von Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen zu erhöhen.

Eine Gruppe von Technologien zur Erzeugung von verschleißbeständigen Randschichten beruht auf der Bildung einer Aluminiumnitridschicht auf der Oberfläche von Aluminiumwerkstoffen. Aluminiumnitrid zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand aus, der auf der Kombination mehrerer günstiger Eigenschaften wie hoher Härte, hoher thermische Stabilität und sehr guter Wärmeleitfähigkeit beruht.

Es gibt Verfahren, die auf dem Einbringen von Stickstoff in die partiell aufgeschmolzene Oberfläche beruhen oder Aluminiumnitrid durch Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung als Beschichtung auf die Oberfläche aufbringen. Im ersten Fall entsteht lediglich eine mit Aluminiumnitrid dispersionsverfestigte Randschicht, die nicht die Härte des Kompaktmaterials erreicht und außerdem durch eine Deformation der Oberfläche infolge des Schmelzens gekennzeichnet ist. Im zweiten Fall bestehen die Nachteile der Methode in der relativ schlechten Haftung der Nitridschicht auf dem Substrat sowie hohen Verfahrenskosten. Demgegenüber ist das Nitrieren ein kostengünstiger Prozess der bei vergleichsweise geringen Temperaturen abläuft. Das von Eisenwerkstoffen bekannte Verfahren, welches auf der Eindiffusion von Stickstoff in die Randschicht der zu behandelnden Teile beruht, kann seinen verschiedenen Varianten nicht ohne weiteres auf Aluminiumwerkstoffe übertragen werden. Ursache dafür ist die natürliche Oxidschicht, die als Diffusionssperre wirkt und die daher vor der eigentlichen Nitrierbehandlung entfernt werden muss.

Neben einem Gasnitrierprozess, bei welchem die Oxidschicht durch ein Aktivierungsgas in eine sublimierende Verbindung umgewandelt wird (Deutsches Patent Nr. 297667), gelingt es insbesondere durch das Nitrieren im Plasma Aluminiumnitrid zu erzeugen. Dabei werden bei allen bisher bekannten Plasmanitrierverfahren für Aluminiumwerkstoffe spezielle Maßnahmen ergriffen, um die Oberfläche zu aktivieren und/oder um den in die Vakuumapparatur eindringenden Sauerstoff zu binden (US Patent Nr. 4522660).

Ziel der Oberflächenaktivierung ist die Entfernung der Oxidschicht vor dem Nitrierprozess durch Zerstäubung (Sputtern). Zu diesem Zweck wird die Vakuumapparatur in der Regel mit einem Edelgas (Europäisches Patent Nr. 0666334) oder mit einem Gemisch aus einem Edelgas mit einem Zusatz von N₂, O₂ oder CH₄ im Bereich von einigen ppm (Europäisches Patent Nr. 0346 931) befüllt und dann eine Gasentladung angeregt, die zum Beschuss der Bauteiloberfläche mit Ionen dieser Gase führt.

Wegen vorzugsweisem Zerstäubens des Metalls gegenüber dem Oxid sowie unterschiedlichen Sputterausbeuten der Legierungselemente, führt diese Vorbehandlung neben dem Entfernen der Oxidschicht zu einer Aufrauhung der Bauteiloberfläche. Daneben ist dieser Prozessschritt aus steuerungstechnischen Gründen problematisch, da mit dem Abbau der schlecht leitenden Oxidschicht ein Anstieg der Stromdichte einhergeht, der zur Überhitzung der Teile bis zum Aufschmelzen von Korngrenzen führen kann. Im nachfolgenden Nitrierschritt, bei dem die Atmosphäre zu einem wesentlichen Teil aus einem stickstoffhaltigen Gas besteht, geht die Stromdichte bei Bildung des Nitrids, welches ebenfalls Isolatoreigenschaften besitzt, zurück. Zur Aufrechterhaltung der Temperatur der zu behandelnden Teile muss der verringerte Energieeintrag durch Änderung der Entladungsparameter (Druck, Spannung) oder mit Hilfe einer zusätzlichen Heizvorrichtung kompensiert werden.

Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung, Verkürzung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit der bisher bekannten, auf dem Plasmanitrieren beruhenden. Verfahren zur Erzeugung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen. Dabei soll das modifizierte Verfahren in herkömmlichen Plasmanitrieranlagen, die mit einer gepulsten Gleichspannungsversorgung ausgestattet sind, ausführbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einen Prozessschritt zur Reinigung der Bauteiloberfläche und dem Entfernen der Oxidschicht verzichtet wird und die Plasmanitrierung während der gesamten Prozessdauer bei gleicher Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Spannung durchgeführt wird. Dabei werden die durch variierende Stromdichten hervorgerufenen Temperaturschwankungen der Teile im wesentlichen durch eine Veränderung des Tastverhältnisses (Pulsdauer/Periode), ausgeglichen. Die Vergleichbarkeit der Behandlung verschiedener Chargen wird dadurch hergestellt, dass als Kenngröße für die Dauer der Nitrierbehandlung die Gesamtpulsdauer herangezogen wird.

Der Vorteil dieser Methode besteht in einem kontinuierlichen automatisierbaren Prozessablauf, wobei die erwähnten Nachteile des Sputterns, wie z. B. Aufrauhung der Oberfläche, vermieden werden. Durch die Möglichkeit der Nutzung kommerzieller Anlagentechnik, die in der Regel mit gepulster Gleichspannung arbeiten, kann dieses Verfahren ohne zusätzlichen Investitionsaufwand in klein- und mittelständischen Unternehmen eingeführt werden.

Ausführungsbeispiel
Ein Teil aus einem Aluminiumwerkstoff wurde plasmanitriert mit dem Ziel der Bildung einer Aluminiumnitridschicht, deren Eigenschaften untersucht wurden. Die Behandlung wurde in einer kommerziellen Anlage, dargestellt in 1, in der folgenden Weise durchgeführt:
Das zu nitrierende Teil 1, eine Platte mit den Abmessungen 50 × 20 mm und einer Dicke von 5 mm aus EN AW-5754 [AlMg3] (Wkst. Nr. 3.3535), wurde auf der katodisch geschalteten Grundplatte 2 aus Reinaluminium angeordnet. Eine weitere Probe aus dem gleichen Material wurde daneben positioniert. Diese war mit einer Bohrung versehen, in welche ein Mantelthermoelement 3 eingebracht wurde.
Nach dem Schließen des Rezipienten 4 erfolgte das Evakuieren des Gefäßes mit Hilfe einer Kombination aus Roots- und Drehschieberpumpe 5 bis zu einem Enddruck kleiner 1 Pa. Anschließend wurden die Proben mit einer an der Innenwand des Rezipienten angebrachten Zusatzheizung 6 auf eine Temperatur von 430°C erwärmt. Während des Aufheizens wurde die Anlage fortlaufend evakuiert.
Nach Erreichen der Behandlungstemperatur wurde über einen Massendurchflussregler Stickstoff (N₂) in die Anlage bis zu einem Druck von 50-500 Pa eingelassen. Der Druckbehälter 8 für den hochreinen Stickstoff (99,999%) war mit der Anlage über fest verschraubte Edelstahlleitungen verbunden. Im weiteren erfolgte die Stickstoffzufuhr kontinuierlich mit einer Flussrate von 100-300 l/h. Der Druck wurde mit Hilfe eines Kapazitätsmanometers 9 gemessen und über ein Drosselventil 10 in der Saugleitung geregelt.
Nach dem Befüllen mit Stickstoff wird eine Glimmentladung durch Anlegen einer gepulsten Spannung im Bereich zwischen 420-1000 V mit einer Frequenz von 20 kHz gezündet. Die Pulsbreite beträgt anfänglich 10% (5μs), um einen zu hohen Energieeintrag über das Plasma zu vermeiden. Dann erfolgte das Abschalten der Zusatzheizung und die Probentemperatur wird durch die Heizleistung des Plasmas aufrechterhalten, wobei die mit dem Thermoelement gemessene Temperatur auf die Pulsbreitensteuerung rückgeführt wird. Dadurch erhöht sich das Tastverhältnis zunächst, um den fehlenden Energieeintrag der Zusatzheizung auszugleichen, verringert sich ab- dann wegen der steigenden Stromstärke beim partiellen entfernen der Oxidschicht durch den Ionenbeschuss.
Im weiteren Verlauf erkennt man, wie die Proben allmählich schwarze Flecken aufweisen. Im gleichen Maße wie diese Einfärbung sich auf die gesamte Oberfläche ausweitet, geht die Stromdichte zurück und die Pulsbreite wird vergrößert, um die Probentemperatur auf dem Wert von 430°C zu halten.
Die Nitrierbehandlung wurde bei dieser Temperatur solange fortgeführt, bis die Gesamtpulsdauer einen Wert von 4 Stunden erreicht hatte.
Danach wurde die Spannung abgeschaltet und unter Stickstoff abgekühlt.
Die schwarze Schicht auf der Oberfläche der Proben konnte durch Röntgenbeugungsuntersuchungen als Aluminiumnitrid (hexagonal, Wurtzit-Typ) identifiziert werden (2). Die Dicke der Schicht wurde am Querschliff zu 2,5μm bestimmt (3). Die chemische Zusammensetzung wurde mittels Glimmentladungs-Emissions-Spektroskopie analysiert (4). Es zeigt sich, dass die Schicht zu mehr als 50 at.-% aus Stickstoff besteht, während der Sauerstoffanteil unter 2 at.-% beträgt. Dies verdeutlicht, dass die ursprünglich vorhandene Oxidschicht während des Nitrierens nahezu vollständig entfernt und das metallische Aluminium in Nitrid umgeformt wurde.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen (1) aus Aluminiumwerkstoffen auf der Grundlage des Plasmanitrierens, dadurch gekennzeichnet, dass vor der eigentlichen Nitrierbehandlung kein Prozessschritt ausgeführt wird, der vorrangig auf die Entfernung der natürlichen Oxidschicht durch Katodenzerstäubung zielt, das Plasma durch eine gepulste Gleichspannung zwischen 420 und 1.000 V im Frequenzbereich zwischen 5 und 50 kHz erzeugt und die Bauteiltemperatur im wesentlichen durch die über das Plasma im Mittel zugeführte Heizleistung durch die Variation des Tastverhältnisses im Bereich zwischen 0,05 und 0,95 gesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Nitrierdauer die Gesamtpulsdauer herangezogen wird.