DE3047888C2

DE3047888C2 -

Info

Publication number: DE3047888C2
Application number: DE19803047888
Authority: DE
Inventors: Knut Dr. 2081 Appen-Etz De Enke
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DE3047888A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her stellung eines Kohlenstoff enthaltenden Überzuges mittels eines plasmaaktivierten Abscheidungsprozesses aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasphase eines Drucks im Bereich von 10^-2 bis 10³ Pa sowie auf die Anwendung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Überzu ges.

Aus EP-A 49 032 ist ein derartiges Verfahren zur Abschei dung harter Kohlenstoffschichten aus dem Plasma eines Kohlenwasserstoffgases auf elektrisch isolierenden Sub straten bekannt, wobei die Kathode auf einem Gleich spannungspotential von 200 V liegt, wobei bei einem Druck von 1,3 bis 13,3 Pa abgeschieden wird und wobei das Sub strat auf eine Temperatur von etwa 250°C aufgeheizt wird. Es werden unter diesen Bedingungen harte, diamantar tige Kohlenstoffschichten erhalten, die gegenüber chemi schen Angriffen beständig und transparent für Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich sind. Für gewisse An wendungszwecke ist es jedoch erwünscht, daß die Schichten sowohl eine hohe Abriebfestigkeit und gleichzeitig daneben niedrige Gleitreibungskoeffizienten aufweisen. Diese Ei genschaften sind mit den bekannten Schichten nicht zu er reichen.

Aus DE-OS 27 36 514 ist ein Verfahren zum Auftragen koh lenstoffhaltigen Materials auf eine Oberfläche bekannt, wobei die Oberfläche einer ionisierenden Gasatmosphäre ausgesetzt wird, welche in einem Gas erzeugt wird, das im wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, wo bei auf die Oberfläche durch eine kapazitive Einrichtung eine elektrische Spannung angelegt wird, welche sich im Vorzeichen in Zeitabständen von zwischen 5 x 10^-9 s und 10^-6 s ändert. Mit diesem Verfahren ergeben sich kratzfeste und korrosionsbeständige Kohlenstoffschichten, die kristallin sind, die einen relativ hohen Flächenwiderstand, eine gute elektrische Durchschlagfestigkeit und Transparenz für In frarotstrahlung, jedoch keinen niedrigen Gleitreibungs koeffizienten aufweisen.

Aus DD-PS 1 38 678 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichen Eigenschaften mittels Ionenplattieren bekannt, wobei Moleküle von festen polyzyklischen Kohlenstoffverbindungen und/oder Teile die ser Moleküle durch Vakuumsublimation oder Vakuumver dampfung in die Dampfform überführt, in einem, das Sub strat enthaltenden Ionisierungssystem durch Elektronenstoß teilweise ionisiert und Ionen auf das Substrat beschleu nigt werden, wobei durch Ionenstöße eine anteilige Be schleunigung der auf das Substrat treffenden Neutralteil chen erfolgt und wobei durch wahlweise ins Ionisierungs system eingelassene Hilfsgase ein Arbeitsdruck zwischen 10^-2 Pa und etwa 10 Pa eingestellt und durch das Einbrin gen von Glühkathoden, elektrisch vorgespannten Gittern und scheibenförmigen Elektroden eine Optimierung des Ionisie rungs- und Beschichtungsvorganges erzielt wird. Auch bei diesem bekannten Verfahren werden nur extrem harte, kri stalline Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichen Eigen schaften erzeugt, die zur Verschleißminderung, für Vergü tungen in der Optik, als Korrosions- und Klimaschutz und in der Mikroelektronik eingesetzt werden können, deren tribologische Eigenschaften jedoch für manche Anwendungen unzureichend sind.

Aus DD-PS 1 33 688 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine diamanthaltige Schicht einer Mikrohärte zwischen 3000 und 6000 HV abgeschieden wird, die jedoch keinen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten hat.

Aus US-PS 40 60 660 ist ein Verfahren bekannt zur Abschei dung von transparenten, harten Kohlenstoffschichten eines hohen elektrischen Widerstandes auf einem Glassubstrat, die bei einem Druck von 100 Pa und bei Substrattemperatu ren von 300 bis 550°C abgeschieden werden. Auch hier kommt es nicht auf niedrige Gleitreibungskoeffizienten an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß eingangs ge nannte Verfahren so zu verbessern, daß Schichten erhalten werden, die nicht nur abriebfest sind, sondern die auch sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten aufweisen, so daß mit ihnen beschichtete Werkzeuge ein kraft- und energie sparendes Arbeiten ermöglichen und darüber hinaus besonders wirtschaftlich herzustellen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überzug auf Oberflächen von Schneidwerkzeugen bei Raumtem peratur auf die zu überziehende Oberfläche aufgebracht wird, derart, daß dem mit dem Überzug zu versehenden Werk stück eine elektrische Vorspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) von 100 V erteilt wird.

Dadurch, daß die Abscheidung des Überzuges bei einer Tem peratur unter 200°C, vorzugsweise bei Zimmertemperatur, erfolgen kann, ergibt sich der Vorteil, daß das Material des Werkstückes, auf dem der Überzug angebracht werden soll, in seinen mechanischen Eigenschaften nicht nachtei lig beeinflußt wird. Dies gilt insbesondere für Stahl. Wird die Abscheidung in einem Hochfrequenzfeld vorgenom men, ergeben sich mehrere Vorteile: einmal ist die Repro duzierbarkeit des Abscheidungsprozesses größer, zum ande ren ist es mit dieser Verfahrensweise möglich, dickere Schichten abzuscheiden als unter Gleichspannung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zwischen dem Überzug und der mit dem Überzug zu versehen den Oberfläche eine die Haftung des Überzuges verbessernde Zwischenschicht angebracht. Die Zwischenschicht kann aus Silicium oder Siliciumdioxid bestehen. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß die Haftfestigkeit des Überzuges an der Oberfläche erheblich verbessert werden kann, z. B. wenn das Werkstück aus Stahl besteht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung wird keine Zwischenschicht zwischen dem Überzug und der mit dem Überzug zu versehenden Oberfläche angebracht, sondern die Oberfläche, auf der der Überzug angebracht werden soll, wird angeätzt.

Nach weiteren vorteilhaften Ausbildungen des Verfahrens wird die mit dem Überzug zu versehende Werkzeugoberfläche vor Anbringen des Überzuges, vorzugsweise mittels Katho denzerstäubung mit Edelgas, insbesondere Argon, angeätzt.

Das Anätzen der mit dem Überzug zu versehenden Werkzeug oberfläche und das Anbringen des Überzuges erfolgt vor zugsweise in ein und derselben Vorrichtung derart, daß das Gas, aus dem der Überzug abgeschieden werden soll, zum gleichen Zeitpunkt in die Vorrichtung eingeleitet wird, wie der Zustrom des Gases, mit dem angeätzt wurde, ge drosselt wird.

Nach weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens werden als Kohlenwasserstoffe Acetylen oder Äthylen eingesetzt.

Die Anwendung eines Überzuges gemäß der Erfindung kann mit Vorteil in elektrischen Rasierapparaten erfolgen, bei de nen Schermesser mit einem weiteren Teil zusammenwirken wie Scherfolien oder Scherplatten, um eine Schneidwirkung aus üben zu können.

Für diesen Anwendungszweck ist besonders hervorzuheben, daß sowohl das Schermesser als auch die Scherfolie oder die Scherplatte als Gegenstück zum Schermesser mit dem Überzug versehen werden können, da beide Teile dem Ver schleiß bei einem Rasierprozeß ausgesetzt sind. Es ist je doch auch ausreichend, wenn nur einer der als Schneidwerk zeug zusammenwirkenden Teile, also z. B. nur die Scherfolie oder nur die Scherplatte, mit dem Überzug gemäß der Erfin dung versehen wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß mit einem Überzug gemäß der Erfindung versehene Schneidwerkzeuge länger als die bekannten Schneidwerkzeuge, insbesondere Rasierklingen, gebrauchsfä hig bleiben. Versuche mit Rasierklingen, wie sie im Fri seurhandwerk zum Haareschneiden verwendet werden, haben ergeben, daß eine mit einem Überzug gemäß der Erfindung beschichtete Klinge länger als die fünffache Zeit gegen über sonst angewendeten Klingen eingesetzt werden konnte.

Das bedeutet also, daß eine Klinge, die gemeinhin nach 2 Tagen ausgewechselt werden mußte, erst nach knapp 2 Wochen ersetzt zu werden braucht.

Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß es möglich ist, insbesondere Stahl bei einer so niedrigen Temperatur mit einem vergütenden Überzug zu ver sehen, bei der sein kristallines Gefüge nicht gestört wird, eine Nachbehandlung also nicht erforderlich wird. Ein weiterer Vorteil sind die nicht unbeträchtlichen Kosteneinsparungen, denn gemäß der Erfindung beschichtete Werkstücke können etwa zu den gleichen, eher niedrigeren, Kosten wie - z. B. bekannte vergütete - Schneidwerkzeuge gefertigt werden, haben aber eine erheblich längere Lebensdauer.

Bei der Vergütung von Sägen mit einem Überzug gemäß der Erfindung ergeben sich die Vorteile einer Arbeitserleich terung durch Kraft- und Energieersparnis durch den niedri gen Gleitreibungskoeffizienten; das Klemmen beim Sägen wird stark vermindert. Unter normalen atmosphärischen Be dingungen (bei einer relativen Luftfeuchte von 50 bis 90%) weisen die Überzüge Gleitreibungskoeffizienten µ von 0,08 bis 0,2 auf.

Mit dem vorliegenden Verfahren werden röntgenamorphe Koh lenstoffschichten erhalten, deren Struktur als diamantähn lich bezeichnet werden kann, weil ihr optisches und elek trisches Verhalten dem von Diamant ähnelt. Die bei den vorliegenden Schichten gemessene Mikrohärte von 3 x 10⁴ bis 10 x 10⁴ N/mm² liegt jedoch weit unter der von Diamant (8 x 10⁴ bis 10⁵ N/mm²), die vorliegenden Schichten haben also, was ihre Härte betrifft, keine Übereinstimmung mit einkristallinem Diamant.

Anhand der Zeichnung wird als Ausführungsbeispiel die Herstellung eines Überzuges gemäß der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch einen mit einem Überzug gemäß der Erfindung beschichteten Teil einer Rasierklinge.

Auf einer Rasierklinke 1 aus Stahl wurde ein Kohlenstoff enthaltender Überzug 3 einer Schichtdicke von ≈1 µm angebracht; in der Praxis haben sich Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 10 µm als brauchbar erwiesen. Die Abscheidung erfolgte in an sich bekannter Weise aus der Gasphase durch einen plasmaaktivierten Abscheidungsprozeß, wobei dem zu be schichtenden Werkstück eine Vorspannung von 100 V Wechsel spannung mit einer Frequenz von ≈27 MHz erteilt wurde. Das Werkstück ist dabei auf einer Elektrode in einer konventionellen Hochvakuumapparatur, wie sie z. B. auch für HF-Kathodenzerstäubungsverfahren angewendet wird, an geordnet. Nach Evakuieren bis in den Hochvakuumbereich (1,33 · 10^-4 Pa) wird die Anlage mit den für den Abschei dungsprozeß erforderlichen Gasen beschickt.

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 Beschich tung mit energiereichen Kohlenstoffionen, z. B. mit einem Molekularstrahl einer höheren Energie, ausgeführt wird.

Für die industrielle Praxis ist es jedoch wirtschaft licher, Gase zu verwenden, die nach Aufspaltung im Plasma einmal Kohlenstoff liefern und zum anderen energiereiche Ionen. Bei dem vorliegenden Ausführungs beispiel wurde als Kohlenstoff lieferndes Gas Äthylen mit einem Druck von ca. 1,3 Pa angewendet. Die zur Ab scheidung notwendige Anregung des Gases wurde durch An legen einer Hochfrequenzspannung an die das Werkstück tragende Elektrode erreicht. Die Gleichstromvorspannung am Werkstück betrug dabei ca. 100 V.

Bei dem Verfahren, nach welchem die Schichten gemäß der Erfindung präpariert wurden, handelt es sich um ein be kanntes Verfahren, das z. B. in den Arbeiten von D. S. Whitmell und R. Williamson in Thin Solid Films 35 (1976), Seite 255 oder von L. Holland und S. M. Ojha in Thin Solid Films 38 (1976), L 17 beschrieben wurde.

Als Ausführungsbeispiel wurde die Abscheidung eines Über zuges gemäß der Erfindung auf einer Rasierklinge aus Stahl beschrieben.

Überraschenderweise hat sich bei Versuchen gezeigt, daß bei der Beschichtung von Stahl auf eine Haftzwischen schicht verzichtet werden kann, wenn dem Verfahrensschritt der Kohlenstoffbeschichtung ein Ätzschritt mittels Kathodenzerstäubung mit Edelgasen vorgeschaltet wird. Als Edelgas kommt vorzugsweise Argon in Betracht. Der Druck für den Ätzprozeß betrug 0,05 Pa. Die Haftung war bei einem höheren Ätzdruck schlechter, was auf Redeposition von aus der Werkzeugoberfläche herausgeätzten Teilchen zurückgeführt werden könnte. Da die Stahloberfläche durch den Ätzprozeß nicht nur intensiv von haftungsmindernden Oxid- und Schmutzschichten befreit, sondern auch chemisch äußerst reaktiv wird, muß unter allen Umständen darauf geachtet werden, daß der Übergang vom Ätzen mittels Kathodenzerstäubung mit Edelgas zur Kohlenstoffbe schichtung mit einem Kohlenwasserstoffgas kontinuier lich erfolgt. Das bedeutet, daß während des gesamten Prozesses die Gasentladung aufrechterhalten werden muß. Das ist für den Fachmann leicht dadurch zu bewerk stelligen, daß die Ventile für die Edelgas- und Kohlen wasserstoffgaszufuhr gleichzeitig zu- bzw. aufgedreht werden, wobei der Arbeitsgasdruck im Rezipienten an nähernd konstant bleiben sollte. Wird die Entladung da durch zum Verlöschen gebracht, daß erst die Gaszufuhr des Edelgases vollständig gedrosselt wird, bevor das Kohlenwasserstoffgas eingelassen wird, besteht die Ge fahr, daß sich die frisch gereinigte Stahloberfläche innerhalb von Minuten durch Bestandteile des Restgasen aus dem Rezipienten mit einer die Haftung der in der Folge aufzubringenden Kohlenstoffschicht mindernden Schicht belegt (es ist anzunehmen, daß es sich hierbei um ein Oxid handelt).

Zur Verbesserung der Haftung der Kohlenstoffschicht an der Werkzeugoberfläche kann es sich jedoch empfehlen, eine Zwischenschicht zwischen der zu beschichtenden Werk zeugoberfläche und dem Überzug anzubringen. Diese Zwischenschicht kann z. B. eine ähnliche Gitter struktur wie der Überzug haben, es haben sich jedoch auch amorphe Hartstoffe als die Haftung begünstigendes Material für die Zwischenschicht bewährt. Auf Stahl wurden bei Versuchen, die zur Erfindung geführt haben, als die Haftung erhöhende Schichten sowohl Silicium- und Siliciumdioxidschichten aber auch Titanoxicarbid schichten einer Schichtdicke von ≈50 nm angebracht. Die Beschichtung kann nach den aus der Dünnschicht-Technologie bekannten Verfahren, z. B. durch Kathodenzerstäubung, erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff enthaltenden Überzuges mittels eines plasmaaktivierten Abscheidungspro zesses aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasphase eines Drucks im Bereich von 10^-2 bis 10³ Pa, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf Oberflächen von Schneidwerkzeugen bei Raumtemperatur auf die zu überziehende Oberfläche aufge bracht wird, derart, daß dem mit dem Überzug zu versehenden Werkstück eine elektrische Vorspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) von 100 V erteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Acetylen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Äthylen eingesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 10 µm angebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Überzug und der mit dem Überzug zu ver sehenden Oberfläche eine die Haftung des Überzuges verbessern de Zwischenschicht angebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht aus Silicium oder Silicium dioxid angebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht aus einem quasi amorphen Hartstoff, vorzugsweise Titanoxicarbid, angebracht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht in einer Dicke im Bereich von 10 bis 100 nm angebracht wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Kathodenzerstäubung ange bracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Überzug zu versehende Oberfläche vor Anbringen des Überzuges angeätzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Kathodenzerstäubung angeätzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit Edelgas, vorzugsweise Argon, angeätzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anätzen der mit dem Überzug zu versehenden Oberfläche und das Anbringen des Überzuges in ein und derselben Vorrichtung derart erfolgt, daß das Gas, aus dem der Überzug abgeschieden werden soll, zum glei chen Zeitpunkt in die Vorrichtung eingeleitet wird, wie der Zustrom des Gases, mit dem angeätzt wurde, ge drosselt wird.

14. Anwendung des nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 hergestellten Überzuges für die Vergütung der Schneiden von Rasierwerkzeugen.

15. Anwendung des nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 hergestellten Überzuges für die Vergütung von Sägen.