DE2926080A1

DE2926080A1 - Mittel zur trockenschmierung

Info

Publication number: DE2926080A1
Application number: DE19792926080
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Rer Nat Dimigen; Hubertus Huebsch
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1981-01-08
Also published as: ATE6295T1; US4828728A; EP0022285B1; DE3066571D1; JPS566920A; EP0022285A1

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Steindamm 94, 2000 Hanrtnirg

PHD 79-069 "Mittel zur Trockenschmierung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mittel zur Trockenschmierung von Flächen sich gegen- oder aufeinander bewegender mechanischer Bauteile wie verschiedenartigste Lager, lagerähnliche Maschinenelemente oder Gleitpaarungen. ■ "_

Schmiermittel vermindern den Reibungswiderstand fester Gleitflächen und setzen damit Material-Verschleiß und Energieverbrauch herab.

Bei der Reibung fester Gleitflächen ist die Reibungs- oder Tangentialkraft K abhängig vom Reibungskoeffizienten u der Gleitflächen und der Belastung P, mit der die Gleitflächen aufeinander oder gegeneinander reiben; K = μ · P.

unter Gleitfläche ist die Oberfläche eines Werkstückes zu verstehen, die unter einer gewissen Anpreßkraft auf einer Gegenfläche eines anderen Werkstücks gleitet.

Der Reibungskoeffizient μ ist von der Oberflächenrauhigkeit der reibenden Flächen, bei glatten Flächen jedoch von der Stoffpaarung, also vom Gleitflächenmaterial,· abhängig. Es ist bekannt, den Reibungskoeffizienten der trockenen Reibung durch Überziehen der Gleitflächen mit andersartigen Substanzen zu verändern, um die Reibung zu vermindern und

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den Verschleiß der reibenden Flächen herabzusetzen.

Die bekannten Trockenschmiermittel bilden auf Grund ihrer Materialeigenschaften unterschiedliche Gruppen;

1. Stoffe, die auf Grund einer schuppenförmigen Kristallstruktur gute Gleitreibungseigenschaften haben, wie z.B. Graphit oder auch "die Chalkogenide von Metallen wie Molybdän.;. Wolfram und Niob;

2. duktile Metalle wie Gold, Silber, Blei oder Zinn;

3. Hartstoffe wie Silicide, Boride, Nitride oder Carbide.

15 Die genannten Stoffe können lose zwischen den Gleitflächen angeordnet oder fest in Form von dünnen Schichten mit Hilfe von in der Dünnschichttechnologie üblichen Verfahren wie z.B. Aufdampfen im Vakuum oder Kathodenzerstäubung auf den Gleitflächen angebracht sein.

Alle diese Trockenschmierstoffe haben ihre besonderen Vorteile und Nachteile.

Ein spezieller Nachteil von Graphit als Trockenschmierstoff ist, daß er unter atmosphärischen Bedingungen zwar einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten (u = 0,1-0,2) hat, was erwünscht ist, in trockener Atmosphäre jedoch einen stark erhöhten Gleitreibungskoeffizienten (u = 0,8) zeigt; dies hat zur Folge, daß der Verschleiß der reibenden Flächen in trockener Atmosphäre groß ist, da der

Graphit ein sehr weiches, d.h. wenig abriebfestes Material ist, und die Reibung darüberhinaus durch den erhöhten Gleitreibungskoeffizienten des Graphits ist.

35 Mit Chalkogeniden der obengenannten Art können Reibungsprobleme bei nicht zu hohen Temperaturen gut gelöst werden,

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problematisch wird die Anwendung dieser Materialien jedoch bei höheren Temperaturen. MoS₂ z.B. zersetzt sich in Luft bei Temperaturen oberhalb 400°C. Eine derartige chemische Nicht-Beständigkeit begrenzt also

5 den Einsatz von Materialien, die grundsätzlich als

Trockenschmierstoff gut geeignet wären. MoS₂ hat außerdem im Gegensatz zu Graphit in trockener Atmosphäre einen sehr niedrigen GleitreibungsKoeffizienten (u = 0,04) unter normalen atmosphärischen Bedingungen steigt der

10 Gleitreibungskoeffizient u jedoch auf ~ 0,2 an.

Ein genereller Nachteil bei Materialien mit schuppenförmiger Struktur, - was für Graphit wie auch für MoS₂ gilt - ist überdies ihre mangelnde Abriebfestigkeit sowie ihre geringe Härte.

Duktile Metalle wie Gold, Silber, Blei und Zinn sind gute Trockenschmierstoffe, da diese Materialien verhältnismäßig niedrige Gleitreibungskoeffizienten haben (_u = o,2 - 0,4). Da diese Metalle jedoch sehr weich sind - was ihnen andererseits ihre guten Gleiteigenschaften gibt - haben auch sie eine nur geringe Abriebfestigkeit.

Um nun Gleitschichten höherer Abriebfestigkeit zu erhalten, sind Materialien größerer Härte, wie Silicide, Boride, Nitride und Carbide an Gleitflächen eingesetzt worden.

Es hat sich gezeigt, daß mit diesen Materialien größerer Härte zwar eine gute Abriebfestigkeit erreicht werden kann, die Gleitreibungskoeffizienten liegen hier jedoch mit Werten von u = 0,3 bis 0,7 weit über den Werten der wegen ihrer niedrigen Gleitreibungskoeffizienten als Trockenschmierstoff gut geeigneten Materialien Graphit (u = 0,1 - 0,2) oder Molybdändisulfid MoS- (μ = 0,04).

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zur Trockenschmierung anzugeben, das neben Gleitreibunskoeffizienten in der Größenordnung der des Graphits oder Molybdändisulfids außerdem eine hohe Abriebfestigkeit und 5 Härte vergleichbar der der Hartstoffe wie Boride, Silicide, Nitride und Carbide aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Mittel zur Trockenschmierung aus einer Kohlenstoffschicht

10 (Gleitschicht) einer Schichtdicke im Bereich von 10 nm bis 10 μΐη besteht, daß der Kohlenstoff der Schicht eine diamantähnliche Kristallstruktur hat und daß die Kohlenstoffschicht auf mindestens einer der sich gegen- oder aufeinander bewegenden Gleitflächen (Substrat) festhaftend

angebracht ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß besonders gute Gleitreibungskoeffizienten nicht notwendigerweise an eine schuppenförmige Struktur des Trockenschmierstoffes ge-

bunden sind, wie bisher angenommen wurde. Die besonders guten Gleitreibungseigenschaften der Materialien mit schuppenförmiger Struktur werden bekannterweise darauf zurückgeführt, daß die Atomabstände in der Lamellenebene kleiner sind als senkrecht dazu. Da die Kohäsionskräfte in hohem Maße von den Atomabständen abhängen (sie nehmen mit zunehmendem Abstand nach einem Potenzgesetz ab), ergibt sich zwischen den Gleitebenen ein geringerer Reibungskoeffizient als bei der relativ großen Kohäsion z.B. der meisten Metalle. Offenbar hängen gute Gleitreibungs-

30 eigenschaften jedoch noch von anderen noch nicht definierten Parametern ab, wie die Gleitschicht mit diamantähnlicher Struktur gemäß der Erfindung zeigt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Gleitschicht und dem Substrat eine Zwischenschicht zur Verbesserung der Haftung angebracht, vorzugs-

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weise eine Schicht ähnlicher Gitterstruktur wie die der Gleitschicht,

Die Zwischenschicht kann aus Silicium oder Siliciumdioxid bestehen* Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß die Haftfestigkeit der Gleitschicht an der Gleitfläche (Substrat) ?;r.hebXic33 verbessert werden kann, insbesondere, wenn die Cu'sx\.fläche» aus Stahl bestehen.

Zur· Herstellung der Kohlenstoffschicht als Mittel zur Ivoc-kenschmierungvon Gleitflächen wird vorzugsweise ein Verfahren angewendet, bei dem die Kohlenstoffschicht in einem plasmaaktivierten Abscheidungsprozeß aus der Gasphase (chemical vapor deposition) auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht wird, wobei dem Substrat eine elektrische Vorspannung bis zu einigen kV erteilt wird und wobei die Gasatmosphäre, aus der die Kohlenstoffschicht abgeschieden wird, kohlenwasserstoffhaltige Gase enthält.

20 Vorzugsweise wird als kohlenwasserstoffhaltiges Gas Acetylen angewendet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehend insbesondere darin, daß Glextschichten dargestellt werden können, die unter Vakuum- oder Inertgasbedingungen einen besonders niedrigen Gleitreibungskoeffizienten μ in der Größenordnung von 0^01 bis 0,02 bei gleichzeitig einer sehr hohen Abriebfestigkeit und Härte aufweisen, daß diese Schichten auch unter normalen atmosphärischen Bedingungen (bei einer relativen Luftfeuchte von 50 %) Gleitreibungskoeffizienten aufweisen, die mit μ von 0,08 bis 0,1 niedriger sind als die des für Schmierzwecke unter normalen atmosphärischen Bedingungen als optimal bekannten Trockenschmierstoffes M0S2 mit Werten für den Gleitrei-

35 bungskoeffizienten μ von 0,1 bis 0,2.

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Die Gleitschicht gemäß der Erfindung ist besonders gut geeignet, wenn mindestens eine der Gleitflächen, also ein Reibpartner, Stahl ist. Da die meisten schmiertechnischen Probleme sich im Bereich von Stahloberflächen 5 ereignen, liegt hier ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Gleitschichten gemäß der Erfindung.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbexspiel der Erfindung beschrieben und ihre Wirkungsweise erläutert. 10

Fig. 1 zeigt ein mit einer Gleitschicht gemäß der Erfindung beschichtetes Substrat im Schnitt.

Auf einem Substrat 1, hier eine Siliciumscheibe eines Durchmessers von 50 mm und einer DicKe von 0,25 mm wurde eine Kohlenstoffschicht diamantähnlicher Struktur und einer Schichtdicke von ~ 1 um angebracht. Die Abscheidung erfolgte in an sich bekannter Weise aus der Gasphase durch einen plasmaaktivierten Abscheidungsprozeß, wobei dem zu beschichtenden Substrat eine Voispannung von 100 V erteilt wurde. Das Substrat ist dabei auf einer Elektrode in einer konventionellen Hochvakuumapparatur, wie sie z.B. auch für HF-Kathodenzerstäubungsverfahren angewendet wird, angeordnet. Nach Evalumieren bis in den Hochvakuumbereich (1,33 · 10"^ Pa) wird die Anlage mit den für den Abscheidungsprozeß erforderlichen Gasen beschichtet. Es ist einmal erforderlich, für die Bildung der Schicht Kohlenstoff in der Gasphase zu haben, zum anderen muß aber auch Energie mittels Ionen übertragen werden.

Es kann im Prinzip so vorgegangen werden, daß die Beschichtung mit energiereichen Kohlenstoffionen, z.B. mit einem Molekularstrahl einer höheren Energie, ausgeführt wird. Für die industrielle Praxis ist es jedoch wirtschaftlicher, Gase zu verwenden, die nach Aufspaltung im Plasma einmal Kohlenstoff liefern und zum anderen energie-

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reiche Ionen,, Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als Kohlenstoff lieferndes Gas Acetylen mit einem BrucK von ca« 130 Pa angewendet. Die zur Abscheidung notwenidge Anregung des Gases wurde durch Anlegen einer Hochfrequentspannung an die das Substrat tragende EIeK-trode erreichte Die Gleiohstromvorspannung am Substrat betrug dabex ca. 100 V.

Die ReilTitngiieigeiiseh&i^en sowie die Härte der niedergeschlagenen Kohlenstoffschichten gemäß der Erfindung sind in der nachfolgenden Tabelle im Vergleich zu den entsprechenden Werten anderer, bekannter TrocKenschmierstoffe dargestellte

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TABELLE

	Härte (	N/mm ;	Gleitreibungskoeffizienten u	(normale Atmosphäre 50 % relative Luft feuchte) (trockene Atmosphäre)
Graphit I ί	< 10⁵		0,1 - 0,2 > 0,6	(trockene Atmosphäre) (normale Atmosphäre 50 % relative Luft feuchte)
Chalkogenide MoS₂	< 10³		0,02 - 0,05 ~ 0,2	unter Normalbe dingungen
duktile Metalle Silber, Blei» Gold, Zinn» Indium	10³ - 3 ·	10³	0,2 - 0,4	unter Normalbe dingungen
Hartstoffe Boride Silicide Nitride Carbide	15 . 10³	- 35 · 10³	0,3 - 0,8	(trockene Atmosphäre) (normale Atmosphäre 50 % relative Luft feuchte)
Kohlenstoffschichten gemäß der Erfindung	20 . 10³	- 35 · 10³	0,01 - 0,02 0,08 - 0,1

O Oo O

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Als Ausfülirungsbeispiel wurde die Abscheidung einer Gleitschicht gemäß der Erfindung auf einem Siliciumsubstrat beschrieben.

Zur Verbesserung der Haftung der Kohlenstoffschicht am Substrat Kann es sich jedoch empfehlen, eine Zwischenschicht zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Gleitschicht anzubringen.
Diese Zwischenschicht Kann z.B. eine ähnliche Gitterstruktur wie die Gleitschicht haben, es haben sich jedoc auch amorphe Hartstoffe als die Haftung begünstigendes Material für die Zwischenschicht bewährt. Auf einem Stahlsubstrat wurden bei Versuchen, die zur Erfindung geführt haben, als die Haftung erhöhende Schichten sowohl Silicium- und Siliciumdioxidschichten aber auch TitanoxicarMdschichten einer SchichtdicKe von 50 nm angebracht. Die Beschichtung Kann nach den aus der Dünnschichttechnologie beKannten Verfahren, z.B. durch Kathodenzerstäubung,erfolgen.

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Leerseite

Claims

&* dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Xuit (Gleitschicht) einer Schichtdicice im F- u e.iob von 10 mn Ms 10 μπι besteht_s daß der Kohlenstoff" d.:-, Schicht eine diamant ähnliche Kristallstruktur hat und daß die Kohlenstoffschicht auf mindestens einer der sich gegen- oder aufeinander bewegenden Gleitflächen (Substrat) 1ü festhaftend angebracht ist.
2. Mittel zur Trockenschmierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleitschicht und dem Substrat eine Zwischenschicht zur

15 Verbesserung der Haftung angebracht ist, vorzugsweise eine Schicht ähnlicher Gitterstruktur wie die der Gleitschicht. -
3. Mittel zur Trockenschmierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Silicium oder Siliciumdioxid einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 nm besteht.
4. Mittel zur Trockenschmierung nach 25 Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem quasi amorphen Hartstoff, vorzugsweise Titanoxicarbid, besteht.

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BAD ORIGINAL

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5. Verfahren zur Herstellung der Kohlenstoffschicht als Mittel zur Trockenschmierung

von Gleitflächen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffschicht in einem plasmaaktivierten

5 Abscheidungsprozeß aus der Gasphase (chemical vapor

deposition) auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht wirdj wobei dem Substrat eine elektrische Vorspannung bis zu einigen kV erteilt wird und wobei die Gasatmosphäre, aus der die Kohlenstoffschicht abgeschieden wird,

10 kohlenwasserstoffhaltige Gase enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenwasserstoffhaltiges Gas Acetylen verwendet wird.

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