DE19949291A1 - Korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung auf Substraten sowie Verfahren und Einrichtung zur Herstellung derselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung auf einem Substrat mit einer Metallbeschichtung, wobei die Oberflächenschicht eine Nickelschicht ist, bestehend aus einer ersten plasmagestützt abgeschiedenen Chromschicht mit einer Dicke zwischen 0,05 bis 3,0 mum und einer zweiten plasmagestützt abgeschiedenen Chromnitridschicht mit einer Dicke zwischen 0,1 bis 1,0 mum. DOLLAR A In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere plasmagestützt abgeschiedene Schicht, insbesondere als dekorative Schicht, aus einem Metallnitrid oder einem Metallcarbid oder einem Metallcorbonitrid mit einer Dicke von 0,1 bis 5 mum vorhanden. DOLLAR A Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung der korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung, wobei eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft eine korrosionsbeständige Hart­ stoffbeschichtung auf Substraten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung der Hart­ stoffbeschichtung.

Nach dem Stand der Technik weisen Hartstoffbeschichtungen, die mit physikalischen Vakuumbeschichtungsverfahren abge­ schieden wurden, für viele Anwendungszwecke einen unzurei­ chenden Korrosionsschutz auf. Die Ursache eines unzurei­ chenden Korrosionsschutzes beruht auf der Tatsache, dass die an sich anwendungstechnisch vorteilhafte Hartstoff­ beschichtung infolge von technologisch bedingten Poren und ähnlichen Wachstumsfehlern zur Bildung von Lokalelementen mit dem darunterliegenden Substratmaterial neigt. Zur Vermeidung derartiger Fehlerstellen ist es erforderlich, auf die Substrate, vorzugsweise solchen aus Messing oder Zinkdruckguss, vor der Hartstoffbeschichtung eine galvani­ sche Nickel- und Chromschicht abzuscheiden.

Dabei ist bekannt, dass die Technologie der galvanischen Verchromung mit erheblichen gesundheitlichen Gefährdungen einhergehen kann und aus Gründen des Umweltschutzes pro­ blematisch ist.

Aus der DE 42 06 110 A1 ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem die Aufbringung einer selbstheilenden Zwischen­ schichtbarriere vorgeschlagen wird. Dazu wird vor dem Aufbringen der Hartstoffbeschichtung die Substratober­ fläche mit Tantal- und/oder Niobionen angereichert.

Verfahrensgemäß wird dazu eine komplizierte Arc-Magnetron- Kathode eingesetzt, wobei in einem vorgelagerten Ätz­ schritt mit Hochspannungen über 1000 V gearbeitet wird, was einen zusätzlichen sicherheitstechnischen Aufwand erfor­ dert und bei temperatursensiblen Substraten leicht zu Oberflächenschäden am Substrat führen kann.

Der Erfindung liegt deshalb als Aufgabe zugrunde, eine korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung auf Substraten zu schaffen, die derartige Korrosionsschutzeigenschaften aufweist, dass eine vorherige Aufbringung einer galvani­ schen Chromschicht entfallen kann. Des Weiteren besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung der korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Erfindung löst die Aufgabe für die korrosionsbeständi­ ge Hartstoffbeschichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Aufgabe für das Verfahren und die Einrichtung wird durch die Merkmale der Ansprüche 5 bzw. 10 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die mehrschich­ tige erfindungsgemäße korrosionsbeständige Hartstoffbe­ schichtung eine erste plasmagestützt abgeschiedene Chrom­ schicht aufweist und erst darauf als eigentliche Hart­ stoffschicht eine plasmagestützt abgeschiedene Chromni­ tridschicht. Dabei ist Voraussetzung, dass die beliebigen Substrate, z. B. aus Stahl, Messing, Zinkdruckguss oder auch aus einem Kunststoff, eine Oberfläche aus Nickel aufweisen, die nach dem derzeitig vorteilhaften Stand der Technik regelmäßig galvanisch hergestellt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Schichtkombination, in Verbin­ dung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wurde eine Hartstoffbeschichtung gefunden, die gegenüber den Lösungen nach dem Stand der Technik außerordentlich korrosions­ beständig ist und bei der keine vorher galvanisch auf die Substrate aufgebrachte Chromschicht erforderlich ist.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die verfahrensgemäße Herstellung der korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Chromschicht und die zweite Chromnitridschicht sowie gegebenenfalls die Chrom-Chromnitrid-Gradientenschicht mit einem Kathodenzerstäubungs- oder einem Elektronenstrahl­ verdampfungsverfahren plasmagestützt abgeschieden werden. Dabei wird das erforderliche Plasma in vorteilhafter Weise mit einer Hohlkathoden-Bogenentladung erzeugt. Es können jedoch auch andere Plasmaerzeugungsverfahren eingesetzt werden. Diese Verfahrensausbildung sichert die Ausbildung einer feinstrukturierten und dichten Hartstoffbeschich­ tung.

Wenn die korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung spezi­ fische dekorative Eigenschaften aufweisen soll, dann kann entsprechend Anspruch 3 zusätzlich eine dekorative Deck­ schicht aufgebracht werden. Wenn z. B. ein heller goldener Farbton gewünscht wird, kann zur Ausbildung der dekorati­ ven Deckschicht Zirkonium in einer reaktiven Stickstoff und/oder Kohlenstoffatmosphäre plasmagestützt zerstäubt bzw. verdampft werden.

Als Kathodenzerstäubungsverfahren eignet sich insbesondere ein Verfahren unter Anwendung eines Magnetrons. Als Ver­ dampfungsverfahren zur plasmagestützten Herstellung der dekorativen Deckschicht ist besonders vorteilhaft ein Verfahren unter Anwendung einer Vakuum-Lichtbogenverdamp­ fung anwendbar.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die Herstellung einer korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung weist als wesentliches Merkmal eine Einrichtung mit mehreren Prozesskammern auf, die anein­ andergekoppelt sind. Die Substrate werden auf Substrat­ trägern mit Hilfe von Führungselementen durch die einzel­ nen Prozesskammern geführt. Durch diese Einrichtung können die Substrate an verschiedenen Orten spezifisch beschich­ tet bzw. behandelt werden, ohne dass eine Unterbrechung des Verfahrenszyklusses erforderlich ist und die Substrate mit der Atmosphäre in Verbindung kommen können.

Die Erfindung kann auf der Grundlage des Anspruchs 1 noch in einem breiten Maße variiert werden. So ist es ohne weiteres möglich, beispielsweise wegen der spezifischen Substrate bzw. Substratmaterialien, weitere Prozessschrit­ te einzufügen oder Parameter spezifisch zu verändern. Insbesondere kann auch die Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens in der Anzahl und Ausstattung der einzelnen Prozesskammern verändert werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel I beschreibt die Herstellung einer korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung auf einer Wasserarmatur.

Das Ausführungsbeispiel II beschreibt die Herstellung einer dekorativen korrosionsbeständigen Hartstoffbeschich­ tung nach Anspruch 3 auf einem Türdrücker.

Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung als Gesamtansicht, wie sie für beide Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann.

Ausführungsbeispiel I

Im Ausführungsbeispiel I soll eine korrosionsbeständige metallisch graue Hartstoffbeschichtung auf einer Wasser­ armatur aufgebracht werden. Die beispielhafte Beschichtung erfolgt auf einem Substrat aus Messing, auf dem galvanisch eine 18 µm Nickelschicht aufgebracht wurde. Dieses Sub­ strat wird vorzugsweise als Vielzahl auf Substrathaltern 2 angeordnet.

Die Zeichnung zeigt als Draufsicht eine Gesamtübersicht über die eingesetzte Vakuumbeschichtungsanlage.

In der Vakuumbeschichtungsanlage soll eine Vielzahl von Wasserarmaturen als Substrate mit der angegebenen korro­ sionsbeständigen Hartstoffbeschichtung beschichtet werden. Bekanntermaßen eignet sich dafür als visuell sichtbare Oberfläche eine solche aus Chrom oder in gleicher Weise eine Chromnitridschicht, also eine plasmagestützt abge­ schiedene Hartstoffbeschichtung.

Die Vakuumbeschichtungsanlage ist als sogenannte getaktete Inline-Anlage konzipiert. Die Substrate sind in spezifi­ schen Substrathalterungen 1 gehaltert, die ihrerseits mit einem Rahmen auf einem Substratträger 2 gelagert sind. Die Substratträger 2 werden auf einer Rollenbahn 3 geführt und auf dieser durch die Vakuumbeschichtungsanlage bewegt.

Die Vakuumbeschichtungsanlage besteht von links nach rechts aus einem Bereitstellungsstand 5, auf dem im Pro­ zess jeweils ein Substratträger 2 mit unbeschichteten Substraten positioniert wird. Die erste eigentliche Be­ arbeitungsstation ist die Reinigungskammer 6. Diese ist gegenüber dem Bereitstellungsstand 5 mit einer Eingangstür 13 verschlossen. In der Folge sind nacheinander als Be­ arbeitungsstationen eine Heizkammer 7, eine Sputterkammer 8, eine Bedampfungskammer 9, eine Abkühlkammer 10 und zum Schluss ein Entnahmestand 11 angeordnet. Zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen befinden sich jeweils Durchlassschieber 14 ^I bis 14 ^IV.

Über die gesamte Länge der Vakuumbeschichtungsanlage ist die Rollenbahn 3 jeweils im Bereich der Eingangstür 13, der Durchlassschieber 14 ^I bis 14 ^IV und der Ausgangstür 18 in einzelne Rollbahnabschnitte unterteilt. Dabei sind die einzelnen Rollbahnabschnitte gesondert motorisch angetrie­ ben.

Als Antriebselemente sind Getriebemotoren 12 vorhanden, die über Ketten mit den einzelnen Rollen der Rollbahn­ abschnitte gekoppelt sind.

Erfindungsgemäß ist im Beispiel jeder einzelnen Bearbei­ tungsstation eine Positioniereinrichtungen zugeordnet. Die Positioniereinrichtungen befinden sich im Wesentlichen mittig unter den Rollbahnabschnitten. Dabei sind diese im Ruhezustand außerhalb der Bewegungsbahn der Substratträger 2 gelagert.

Nachfolgend wird die Vakuumbeschichtungsanlage unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen korrosionsbeständigen Hartstoff­ beschichtung in Funktion näher beschrieben.

Die zu beschichtenden Substrate werden entsprechend der technologischen Vorgaben vorbereitet und innerhalb der Substratträger 2 positioniert.

Bei geschlossenem Durchlassschieber 14 ^I wird die Eingangs­ tür 13 geöffnet und der Substratträger 2 wird in die erste Bearbeitungsstation, der Reinigungskammer 6, eingefahren. Nach dem Erreichen der vorgegebenen Position wird der zugehörige Rollbahnabschnitt und damit der Substratträger 2 angehalten. Die Eingangstür 13 wird geschlossen.

Innerhalb der Reinigungskammer 6 werden die Substrate einem thermischen Reinigungsprozess unterzogen. Dazu werden in der Reinigungskammer 6 Strahlungsheizeinrichtun­ gen in Betrieb gesetzt und parallel eine Glimmentladung gezündet. Nach Abschluss des technologisch vorgegebenen Reinigungsprozesses wird bei geschlossener Eingangstür 13 der Durchlassschieber 14 ^I geöffnet und der Substratträger 2 in die Heizkammer 7 transportiert.

In der Heizkammer 7 wird eine Hohlkathoden-Plasmaentladung gezündet und die Substrate werden wechselnd auf ein posi­ tives und ein negatives Potential gelegt. Dadurch kommt es zu einem intensiven Teilchenbeschuss und die Substrate sehr schnell auf eine Temperatur von ca. 200°C erwärmt.

Nachfolgend wird der Substratträger 2 in die Sputterkammer 8 eingefahren. Wie in allen Prozesskammern wird nach der Kopplung der Positioniereinrichtung mit einem Positionier­ konus am Substratträger 2, die Positioniereinrichtung in Drehung versetzt. Dadurch werden über den Positionierkonus auch die Substrate gedreht. Die Einrichtung ist im Bei­ spiel derart ausgebildet, dass sich die einzelnen Sub­ strate planetenartig drehen. Dadurch ist eine sehr gleich­ mäßige Abscheidung der jeweiligen Schichten möglich.

In der Sputterkammer 8 wird mittels einer Magnetron-Katho­ denzerstäubung eines Targets aus Chrom zuerst eine erste Chromschicht mit einer Dicke von ca. 0,5 µm auf die Sub­ strate abgeschieden. Das erforderliche Plasma zur plasma­ gestützten Abscheidung der ersten Chromschicht wird mit einer Hohlkathoden-Plasmaentladung unterstützt.

Unmittelbar nachfolgend erfolgt die Beschichtung der Substrate mit der erfindungsgemäß zweiten Chromnitrid­ schicht. Dazu wird wieder mittels der Magnetron-Kathoden­ zerstäubungseinrichtung Chrom zerstäubt, wobei vorher und parallel in die Sputterkammer 8 Stickstoff eingelassen und eine Hohlkathoden-Bogenentladung gezündet wird. Der tech­ nologische Prozess wird aufrechterhalten, bis eine Schichtdicke von ca. 0,8 µm erreicht ist und insgesamt eine erfindungsgemäße korrosionsbeständige Hartstoffbe­ schichtung mit einer Dicke von ca. 1,3 µm aufgebaut wurde.

Nach Abschluß der beschriebenen Beschichtung wird die Kopplung der Positioniereinrichtung und des Positionierko­ nus gelöst, der Durchlassschieber 14 ^III geöffnet und der Rollbahnabschnitt angetrieben, wodurch der Substratträger 2 in die Bedampfungskammer 9 bewegt werden kann. Im Aus­ führungsbeispiel I wird anders als im Ausführungsbeispiel II die Bedampfungskammer 9 nicht genutzt. Der Substrat­ träger 2 wird weiter in die Abkühlkammer 10 bewegt. Die Wandung der Abkühlkammer 10 ist wassergekühlt und durch Einlassen eines Gases werden die Substrate auf ca. 50°C abgekühlt, bevor der Substratträger 2 zum Entnahmestand 11 befördert wird, wo die Substrate aus der Substrathalterung 1 entnommen werden können.

Diese erfindungsgemäße korrosionsbeständige Hartstoff­ beschichtung ist metallisch grau und hat eine Vielzahl der üblichen Praxistests mit gutem Ergebnis bestanden und die Wasserarmaturen können problemlos eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiel II

Im Ausführungsbeispiel II soll auf Türdrückern eine deko­ rative hellgoldfarbige korrosionsbeständige Hartstoff­ beschichtung aufgebaut werden.

Dabei erfolgt der Schichtaufbau äquivalent dem Ausfüh­ rungsbeispiel I, wobei nach Anspruch 3 zusätzlich eine weitere dekorative Deckschicht in Form einer Zirkoniumni­ tridschicht aufgebaut wird. Dazu wird innerhalb der Be­ dampfungskammer 9, nach der Abscheidung der Chrom- plus Chromnitridschicht in der Sputterkammer 8, in einer Stick­ stoffatmosphäre aus einem Vakuum-Lichtbogenverdampfer Zirkonium verdampft. Dabei wird auf den Substraten eine Zirkoniumnitridschicht, im Beispiel bis zu einer Dicke von ca. 0,8 µm, aufgebaut. Nach Abschluss des Prozesses werden die Substrate entsprechend Ausführungsbeispiel I aus der Vakuumbeschichtungsanlage entnommen.

Die Substrate, hier Türdrücker, weisen nach der Beschich­ tung eine korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung mit einer dekorativen hellgoldfarbigen Oberfläche auf.

Claims (10)

1. Korrosionsbeständige Hartstoffbeschichtung auf einem Substrat mit einer Metallbeschichtung, wobei die Ober­ flächenschicht eine Nickelschicht ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die korrosionsbeständige Hartstoffbe­ schichtung aus einer ersten plasmagestützt abgeschie­ denen Chromschicht mit einer Dicke zwischen 0,05 bis 3,0 µm und einer zweiten plasmagestützt abgeschiedenen Chromnitridschicht mit einer Dicke zwischen 0,1 bis 1,0 µm besteht.

2. Hartstoffbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zwischen der ersten Chromschicht und der zweiten Chromnitridschicht eine Chrom-Chromnitrid- Gradientenschicht vorhanden ist.

3. Hartstoffbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Beschichtung eine weitere plasmagestützt abgeschiedene Schicht, insbesondere als dekorative Deckschicht, aus einem Metallnitrid, oder einem Metallcarbid oder einem Metallcarbonitrid mit einer Dicke von 0,1 bis 5 µm vorhanden ist.

4. Hartstoffbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die dekorative Deckschicht eine Zirko­ niumnitrid-, eine Zirkoniumcarbid- oder eine Zirkoni­ umcarbonitridschicht ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Hartstoffbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste plasmage­ stützt abgeschiedene Chromschicht und die zweite plas­ magestützt abgeschiedenen Chromnitridschicht sowie gegebenenfalls die Chrom-Chromnitrid-Gradientenschicht mit einem Kathodenzerstäubungs- oder einem Elektronen­ strahlverdampfungsverfahren abgeschieden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Kathodenzerstäubung bzw. der Elek­ tronenstrahlverdampfung mindestens zeitweise eine Hohlkathoden-Plasmaentladung aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere dekorative Deckschicht mittels eines Verfahrens zur Vakuum-Lichtbogenverdampfung aufgebaut wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Hart­ stoffschichten die Oberfläche der Substrate mittels einer Gleichstrom-Glimmentladung und/oder mittels Elektronenbeschuss gereinigt und/oder aufgeheizt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Chromnitrid­ schicht in Anwesenheit von Sauerstoff erfolgt.

10. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, durch

• - mehrere aneinandergekoppelte Prozesskammern
• - sowie Führungselementen, mit denen die Substrate auf einem Substratträger (2) durch die Prozess­ kammern geführt werden können, und
• - Positioniereinrichtungen an jeder Prozesskammer, mit denen die Substratträger (2) in der jeweiligen Prozesskammer in einer bestimmten Behandlungsposi­ tion positioniert werden können,
• - wobei nacheinander mindestens eine erste Prozess­ kammer mit einer Einrichtung zur Reinigung der Substrate in einer Gleichstrom-Glimmentladung und/oder einer Einrichtung zur Strahlungsheizung zum Erwärmen der Substrate,
• - mindestens eine zweite Prozesskammer zum Aufbau der ersten Chromschicht und der zweiten plasmage­ stützt abgeschiedenen Chromnitridschicht sowie gegebenenfalls einer Chrom-Chromnitrid-Gradienten­ schicht mit einer Kathodenzerstäubungs- oder Elek­ tronenstrahlverdampfungs-Einrichtung und einer Plasmaerzeugungseinrichtung und gegebenenfalls einer Einrichtung zum Einlass von Stickstoff und
• - eine Prozesskammer mit Einrichtungen zur Abkühlung der Substrate vorhanden sind.
• - Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozesskammer mit einem Vakuum-Lichtbogen­ verdampfer und einer Einrichtung zum Einlass minde­ stens eines Reaktivgases vorhanden ist, mit der minde­ stens die dekorative Deckschicht hergestellt werden kann.
• - Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Prozesskammer zur Elektronenstoß-Heizung und/oder zur Erzeugung eines Plasmas eine Hohlkathoden-Plasmaerzeugungsein­ richtung vorhanden ist.