DE3640430A1 - Mit einem keramischen material beschichtetes werkstueck und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mit einem keramischen material beschichtetes werkstueck und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein mit einem keramischen Material beschichtetes und zur Anwendung bei hohen Drehgeschwindig­ keiten geeignetes Werkstück sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Werkstücke, die im Gleitkontakt mit hoher Geschwindigkeit umlaufen, z.B. Verdichterwellen, Nockenwellen von Brenn­ kraftmaschinen, Laserabtaster in Laserdruckern, Leit­ stäbe in Druckern und dergl., neigen zu einer raschen Abnutzung. Wenn es bei einem solchen sich rasch drehen­ den Werkstück zu einer Abnutzung kommt, führt dies zu einer Beeinträchtigung des gesamten Leistungsvermögens und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der gesamten Vorrichtung. Aus diesem Grunde werden für im Gleitkon­ takt mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Werkstücke oftmals harte und abnutzungsfeste Werkstoffe, wie Hoch­ geschwindigkeitsstahl oder superharte Legierungen, ver­ wendet. Da ein solcher Werkstoff hohe Material- und Bearbeitungskosten verursacht, erhöhen sich zwangs­ läufig auch die Gesamtkosten der solche Werkstücke ent­ haltenden Vorrichtungen. Zur Senkung der Gesamtkosten bedient man sich auch oftmals eines relativ preisgünsti­ gen Werkstoffs, z.B. Gußeisen oder eines Automatenstahls, dessen Oberfläche gehärtet oder geglättet wird. Es gibt auch bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Hart­ keramik, z.B. von TiN oder TiC, zur Verbesserung der Abnutzungseigenschaften von Schneidwerkzeugen.
PA
Die Oberflächenhärtung besteht oftmals in einem Ab­ schrecken, die Glättung erfolgt oftmals durch Bürsten (tuftride treatment), Läuterungsbehandlung (perco treat­ ment) oder Aufbringen eines schwarzen Molybdändisulfid­ überzugs. Keine dieser Nachbehandlungsmaßnahmen vermag jedoch dem nachbehandelten Werkstück eine akzeptable Haltbarkeit gegenüber Spannungen bei Einwirkung hoher Belastungen und hoher Geschwindigkeiten zu verleihen.
Die Bürstbehandlung (tuftride treatment) und das Ab­ schrecken erfordern beide Behandlungstemperaturen bis zu 500°C, wodurch das Werkstück verformt werden kann. Wenn ein Werkstück eine hohe Dimensionsgenauigkeit benötigt, kommen diese Behandlungsmaßnahmen nicht in Frage.
Wenn auf einem mit hoher Geschwindigkeit in Gleitkon­ takt umlaufenden Werkstück ein TiN- oder TiC-Film aus­ gebildet wird, wird das im Eingriff stehende gleitende Werkstück abgenutzt, da der TiN- oder TiC-Film härter ist als der Werkstoff des im Eingriff stehenden Werk­ stücks. Durch Abnutzung entstandene Metallspäne blei­ ben an der keramischen Schicht haften und verbacken mit dieser.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein mit einem auf der Unterlage gut haftenden keramischen Material beschichtetes Werkstück zu schaffen, das gute Abnutzungs­ eigenschaften aufweist, keine Abnutzung bei einem in Ein­ griff stehenden gleitenden Werkstück verursacht und ein Ansintern der durch Abnutzung oder Abrieb entstandenen Späne verhindert. Ferner sollte erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkstücks geschaffen werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein mit einem kera­ mischen Material beschichtetes Werkstück aus einem me­ tallischen Träger mit einer Oberfläche und einem Bereich, in dem mindestens ein Element, bestehend aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, in höherer Konzentration ent­ halten ist als im restlichen Bereich dieser äußeren Ober­ fläche, sowie einer auf die Oberfläche des Trägers aufge­ tragenen keramischen Schicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mit einem keramischen Material beschichteten Werkstücks be­ steht darin, daß man auf der Hauptoberfläche eines me­ tallischen Trägers unter Erzeugung eines Plasmas in ei­ ner argonhaltigen Gasatmosphäre einen Bereich mit min­ destens einem Element, bestehend aus Kohlenstoff, Sauer­ stoff und Stickstoff, erzeugt, in welchem die Konzentra­ tion an dem mindestens einen Element höher ist als im restlichen Bereich dieser Oberfläche, und auf der äuße­ ren Oberfläche des Trägers eine keramische Schicht aus­ bildet.
Es wurden umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Ent­ wicklung keramischer Materialien hoher Härte und guter Abnutzungseigenschaften, die gleichzeitig eine Abnutzung eines im Eingriff stehenden gleitenden Werkstücks verhin­ dern, durchgeführt. Hierbei hat es sich gezeigt, daß keramische Materialien mit einem Element der Gruppe III des Periodensystems, beispielsweise Silizium oder Bor, als Hauptbestandteil den genannten Erfordernissen ge­ nügen. Solche keramische Materialien können auf einem Träger oder einer Unterlage durch Zerstäubung, Plasma- CVD oder Ionenplattierung abgelagert werden. Die Wärme­ behandlung kann bei einer relativ niedrigen Temperatur, z.B. 200 bis 300°C, durchgeführt werden, so daß sich eine Verformung der Unterlage während der Wärmebehandlung weitgehend ausschalten läßt. Aufgrund dessen kann man einen solchen Werkstoff als Überzug auf ein eine hohe Abmessungsgenauigkeit erforderndes Werk­ stück auftragen.
Im Vergleich zu TiN und TiC besitzt jedoch dieses kera­ mische Material eine schlechte Haftung auf dem Träger oder der Unterlage. Insbesondere, wenn es sich bei dem Werkstoff der Unterlage um Gußeisen für Verdichterwel­ len und dergl. handelt, bereitet es in der Praxis Schwierigkeiten, darauf eine solche keramische Schicht auszubilden.
Bei umfangreichen Versuchen zur Ausbildung stabiler keramischer Schichten auf Trägern mit Eisen als Haupt­ bestandteil hat es sich gezeigt, daß dies dann möglich ist, wenn auf der Oberfläche des Trägers ein Bereich hoher Sauerstoff- und/oder Stickstoffkonzentration er­ zeugt wird. Keramische Werkstoffe hervorragender Ab­ nutzungseigenschaften, die auch eine Abnutzung eines im Eingriff stehenden gleitenden Werkstücks zu ver­ hindern vermögen, sind Siliziumnitrid (SiN), Bornitrid (BN), Siliziumcarbid (SiC), Borcarbid (BC), Silizium­ oxid (SiO), Siliziumcarbonitrid (SiC X N Y ), Borcarbonitrid (BC X N Y ) und Siliziumcarboxid (SiC X O Y ). SiN und SiO be­ sitzen beispielsweise eine Vickers-Härte von 1800 bis 2000 Hv, SiC eine solche von 2000 bis 2500 Hv und BN eine solche von 2500 bis 3000 Hv. Diese keramischen Werkstoffe besitzen eine hohe Härte und gute Abnutzungs­ eigenschaften. Gleichzeitig kann das im Eingriff stehen­ de gleitende Werkstück aus einem Werkstoff auf Eisen­ grundlage gegen eine Abnutzung geschützt werden. Die keramische Schicht erhält man durch Zerstäubung, Ionen­ plattierung, Plasma-CVD, Wärme-CVD, Photo-CVD und der­ gleichen. Im Hinblick auf die Haftung an dem Träger und in bezug auf die Anwendung einer Wärmebehandlung bei niedrigerer Temperatur bedient man sich vorzugs­ weise einer Plasma-CVD.
WE
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit einem keramischen Material bzw. Werkstoff beschichteten Werkstücks und
Fig. 2 bis 4 Längsschnitte einer Vorrichtung zur Her­ stellung eines mit einem keramischen Material oder Werkstoff beschichteten Werkstücks gemäß der Erfindung.
Die folgenden Ausführungen betreffen bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält ein mit einem keramischen Material beschichte­ tes Werkstück gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf die Hauptoberfläche eines metallischen Trägers 1 eine keramische Schicht 4 aufgetragen. Der Träger 1 besteht aus einem Hauptteil 2 und einem auf seiner Hauptoberfläche ausgebildeten Bereich 3.
Der Bereich 3 enthält Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff in höherer Konzentration als der Hauptteil 2 des Trägers 1.
Nachdem auf der Oberfläche des Trägers 1 der Bereich 3 ausgebildet worden ist, wird darauf eine keramische Schicht 4 aufgetragen, so daß sich letztlich auf dem Träger 1 eine darauf gut haftende Schicht 4 befindet.
Der Träger 1 enthält Eisen als Hauptbestandteil und min­ destens ein Element, bestehend aus Nickel, Chrom, Alu­ minium, Mangan, Magnesium und Vanadium. Wenn auf dem Träger 1 der Bereich 3 ausgebildet wird, bedient man sich zur Beschleunigung der Oxidation oder Nitrisation eines Zusatzes, wie Nickel.
Die keramische Schicht 4 enthält Silizium oder ein Ele­ ment, z.B. Bor, der Gruppe III des Periodensystems als Hauptbestandteil. Bei der Herstellung einer solchen keramischen Schicht werden in die keramische Schicht Wasserstoff und/oder Halogenatome eingebaut. Sofern deren Gehalt 20 Atom-% nicht übersteigt, werden da­ durch die Abnutzungseigenschaften der keramischen Schicht nicht beeinträchtigt.
Im folgenden wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen, mit einem keramischen Mate­ rial beschichteten Werkstücks näher erläutert.
Ausgehend von einem Gußeisen- oder Automatenstahlblock wird maschinell ein Werkstück gegebener Form, z.B. eine Kreiselverdichterwelle oder eine Bettschlittenführung für einen Drucker, hergestellt. Die Oberfläche dieses als Substrat dienenden Werkstücks wird dann in einem Ar-Gasplasma behandelt. Hierauf wird auf die Oberfläche des Substrats ein keramisches Material bzw. ein kera­ mischer Werkstoff, wie SiN, aufgetragen. Hierbei er­ hält man eine Welle oder eine Bettschlittenführung, die hauptsächlich aus Eisen besteht und deren Ober­ fläche nun mit SiN und dergl. beschichtet ist. Wegen dieses Überzugs wird ein im Eingriff stehendes Gleit­ teil selbst bei gleitendem Kontakt mit einer mit hoher Geschwindigkeit laufenden Welle oder Führung nicht ab­ genutzt bzw. ausgeschliffen.
Anhand der Fig. 2 und 3 wird nun die Herstellung des die keramische Schicht tragenden Werkstücks mit Hilfe von Plasma-CVD näher erläutert.
Eine zylindrische Reaktionskammer 11 wird so gehalten, daß ihre Achsenrichtung senkrecht verläuft. Die Kammer 11 ist mittels einer Isoliereinrichtung 12 gegen die Erde elektrisch isoliert. Die Kammer 11 wird mittels einer nicht dargestellten mechanischen Förder- oder hydraulischen Kreiselpumpe evakuiert und auf einem Vakuum von 133×10-3 Pa (10-3 Torr) gehalten.
Über eine Gaszufuhrleitung 13 können der Kammer 11 die verschiedensten Speisegase zugeführt werden. In der Kammer 11 ist koaxial eine zylindrische Elektrode 14 angeordnet. Diese besitzt dasselbe Potential wie die Kammer 11. In der Elektrode 14 sind mehrere nicht dar­ gestellte Gasöffnungen vorgesehen. Das der Kammer 11 über die Leitung 13 zugeführte Gas wird mittels der in der Elektrode 14 vorgesehenen Gasöffnungen praktisch gleichmäßig zum Zentrum der Kammer 11 geleitet. Um die Kammer 11 herum ist ein zylindrisches, geerdetes Schild 15 vorgesehen.
Das als Unterlage für eine keramische Schicht dienende zylindrische Substrat 20 liegt im Zentrum der Kammer 11, und zwar derart, daß seine Achsenrichtung senkrecht ver­ läuft. Als oberer Deckel der Kammer 11 dient eine Halte­ einrichtung 21, wobei zwischen der Einrichtung 21 und der Kammer 11 eine Isoliereinrichtung 12 vorgesehen ist. Das Substrat 20 hängt von der Halteeinrichtung 21 nach unten in die Kammer 11 hinein. In das Innere des Sub­ strats 20 längs seiner Längsrichtung ist eine aus einer Widerstandsheizeinrichtung bestehende Heizeinrichtung 22 eingefügt. Die Heizeinrichtung 22 ist an eine Energie­ quelle 23 angeschlossen. Aus der Energiequelle 23 wird der Heizeinrichtung 22 Energie zugeführt, um das Sub­ strat 20 zu erwärmen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind das Substrat 20 und die Halteeinrichtung 21 über eine Anpaßschaltung 25 an eine Hochfrequenzenergiequelle 24 angeschlossen. Gemäß Fig. 3 ist die Schaltung 25 an die Kammer 11 angeschlossen, so daß dieser hochfrequente Energie zugeführt werden kann. Die Fig. 2 und 3 zeigen, daß entweder an das Substrat 20 oder an die Kammer 11 hochfrequenter Strom angelegt wird, so daß zwischen die­ sen eine Plasmaentladung stattfindet.
In der geschilderten Anordnung wird die Oberfläche des Substrats in einer argonhaltigen Gasatmosphäre plasma­ behandelt. Insbesondere ist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, an die Halteeinrichtung 21 eine Anpaßschaltung 25 angeschlossen, während die Kammer 11 auf ein Vakuum von etwa 133×10-3 Pa (10-3 Torr) evakuiert ist. Mit beginnender Evakuierung der Kammer 11 wird ihr über die Leitung 13 gasförmiges Argon mit einer Strömungs­ geschwindigkeit von 200 SCCM zugeführt. In diesem Falle wird das Innere der Kammer 11 auf einem Druck von 133 Pa (1 Torr) gehalten. Danach wird der Heiz­ einrichtung 22 von der Stromquelle 23 her Strom zu­ geführt, wobei das Substrat 20 auf eine Temperatur von 150 bis 300°C erwärmt wird. Schließlich wird an das Substrat 20 hochfrequente Energie von 300 Watt angelegt, um zwischen der Elektrode 14 und dem Sub­ strat 20 ein Plasma zu erzeugen. Es dauert etwa 30 min, bis das Plasma entstanden ist. Bei dieser Behandlung kann man als Behandlungsgas lediglich Argon oder ein Gemisch aus gasförmigem Argon und gasförmigem H2, He oder N2 verwenden.
Bei der geschilderten Ausführungsform der Werkstück­ herstellung kann das Substrat vorgewärmt werden. Nach­ dem jedoch ein Plasma entstanden ist, wird das Substrat durch das Plasma erwärmt. Deshalb kann man insgesamt auf eine Spezialheizvorrichtung verzichten.
Hierbei wird dann entweder die an das Substrat 20 ange­ legte hochfrequente Energie erhöht oder die Behandlungs­ dauer verlängert.
Nach der Plasmabehandlung wird der Kammer 11 ein Gas mit einem auf das Substrat aufzutragenden keramischen Werk­ stoff zugeführt. Das keramische Material wird auf die plasmabehandelte Oberfläche des Substrats aufgetragen. Wenn der keramische Werkstoff Si als Hauptbestandteil enthält, wird ein Si-haltiges Gas, z.B. gasförmiges SiH4 oder Si2H6, mit einem N-haltigen Gas, z.B. gas­ förmigem N2 oder NH3, gemischt, wobei ein keramischer Nitrid-Werkstoff entsteht. Wird das Si-haltige Gas mit einem C-haltigen Gas, z.B. CH4 oder C2H6, gemischt, entsteht ein keramischer Carbid-Werkstoff. Wird das Si-haltige Gas mit einem O-haltigen Gas, z.B. gas­ förmigem D2 oder N2O, gemischt, entsteht ein kera­ mischer Oxid-Werkstoff.
Enthält der aufzutragende keramische Werkstoff B als Hauptbestandteil, wird das Si-haltige Gas durch ein B- haltiges Gas, z.B. gasförmiges BF3 oder B2H6, ersetzt.
Das jeweilige Speisegas (der beschriebenen Art) wird der Kammer 11 zugeführt. Gleichzeitig wird der Anschluß der Schaltung 25 an die Halteeinrichtung 21 auf die Kammer 11 umgeschaltet. Der Anschluß des Schilds 15 an die Kammer 11 wird auf die Halteeinrichtung 21 umge­ schaltet. Nun wird der Kammer 11 und der Elektrode 14 von der Hochfrequenzenergiequelle 24 her hochfrequente Energie zugeführt, um zwischen der Elektrode 14 und dem Substrat 20 ein Plasma zu erzeugen. Auf diese Weise wird dann auf die Oberfläche des Substrats 20 der keramische Werkstoff, dessen Hauptbestandteil in dem Speisegas ent­ halten ist, aufgetragen.
Typische Beispiele für Beschichtungsbedingungen und die Stärke der keramischen Schichten sind:
(a) SiN-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit für das SiH₄-Gas:50 SCCM Strömungsgeschwindigkeit für den gasförmigen N₂:800 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:300 Watt Filmbildungsdauer:1 h Filmstärke:etwa 4 µm
(b) SiC-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit für das SiH₄-Gas:50 SCCM Strömungsgeschwindigkeit für das CH₄-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:300 Watt Filmbildungsdauer:1 h Filmstärke:etwa 4 µm
(c) BN-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit für das B₂H₆-Gas:50 SCCM Strömungsgeschwindigkeit für den gasförmigen N₂:800 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:300 Watt Filmbildungsdauer:1 h Filmstärke:etwa 4 µm
(d) SiO-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit für das SiH₄-Gas:50 SCCM Strömungsgeschwindigkeit für das O₂-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:300 Watt Filmbildungsdauer:1 h Filmstärke:etwa 4 µm
Die mit der keramischen Schicht beschichteten Werkstücke besitzen eine hohe keramische Haftungssteifigkeit und gute Abnutzungseigenschaften. Unter den angegebenen Bedingungen werden mit den verschiedenen keramischen (Film)Schichten versehene Kreiselverdichterwellen her­ gestellt. Bei einem 1000 h dauernden Haltbarkeitstest werden diese Wellen 30 min lang kontinuierlich mit 10 000 Umdrehungen pro Minute umlaufen gelassen, dann 10 min lang angehalten und schließlich erneut 30 min lang mit 10 000 Umdrehungen pro Minute laufen gelas­ sen. Die mit den Schichten (a) bis (d) versehenen Wel­ len fressen sich nicht infolge Abnutzung fest. Auch kommt es nicht zu einer Ablösung der keramischen Schich­ ten von den Substraten, so daß insgesamt die Wellen eine hohe Haltbarkeit aufweisen.
Bei der geschilderten Ausführungsform der Werkstück­ herstellung erfolgen die Behandlung der Substratober­ fläche und die Erzeugung des keramischen Überzugs mit­ tels Plasma-CVD. Anstelle von Plasma-CVD kann man sich jedoch auch einer Zerstäubung, einer Ionenplattierung, einer thermischen CVD oder einer Photo-CVD bedienen. Darüber hinaus kann man zur Plasmaerzeugung anstelle der hochfrequenten Energie auch Gleichstrom verwenden. In diesem Falle kann man auf den Anpassungskreis ver­ zichten.
Die keramische SiN-, SiC-, SiO- oder BN-Schicht ist normalerweise amorph, sie kann jedoch auch poly­ kristallin oder teilkristallin sein oder lokale Mikro­ kristallbereiche aufweisen. In jedem Fall besitzt je­ doch die keramische Schicht gute Abnutzungseigen­ schaften.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens für die Herstellung eines mit einer kera­ mischen Schicht versehenen Werkstücks anhand Fig. 4 näher erläutert. Auch hier wird mit Plasma-CVD ge­ arbeitet. Eine zylindrische Reaktionskammer 31 steht derart, daß ihre Achsenrichtung senkrecht verläuft. Die Kammer 31 ist mittels einer Isoliereinrichtung 32 gegen die Erde elektrisch isoliert. Die Kammer 31 wird mittels einer nicht dargestellten mechanischen Förder­ oder hydraulischen Kreiselpumpe auf ein Vakuum von et­ wa 133×103 Pa (103 Torr) evakuiert. Über eine Gas­ leitung 33 können der Kammer 31 die verschiedensten Speisegase zugeführt werden. In der Kammer 31 ist koaxial eine zylindrische Elektrode 34 angeordnet. Koaxial mit der Elektrode 34 und der Wandoberfläche der Kammer 31 ist eine zylindrische Diffusionsein­ richtung 35 angeordnet. In der Elektrode 34 und der Diffusionseinrichtung 35 sind mehrere Gasöffnungen 36 und 37 vorgesehen. Das der Reaktionskammer 31 über die Leitung 33 zugeführte Gas wird über die Öffnungen 37 der Diffusionseinrichtung 35 und über die Öffnungen 36 der Elektrode 34 ins Zentrum der Kammer 31 geleitet. Hierbei erfolgt eine gleichmäßige Diffusion des Gases zur Mitte der Kammer 31. Die Elektrode 34 und die Diffusionseinheit 35 werden auf demselben Potential gehalten wie die Kammer 31. Der Elektrode 34 wird von einer Hochfrequenzenergiequelle 38 hochfrequente Ener­ gie zugeführt.
In der Mitte der Kammer 31 befindet sich ein zylindri­ sches metallisches Werkstück 40, dessen Achsenrichtung senkrecht verläuft. Die Halteeinrichtung 41 dient als oberer Verschluß der Reaktionskammer 31, wobei zwischen der Halteeinrichtung 41 und der Kammer 31 eine Isolier­ einrichtung 32 vorgesehen ist. Die Halteeinrichtung 41 ist geerdet. Das Werkstück 40 hängt von der Halteein­ richtung 41 nach unten in die Kammer 31 hinein. Da auch das Werkstück 40 ähnlich der Halteeinrichtung 41 geerdet ist, kommt es beim Anlegen hochfrequenter Energie von der Hochfrequenzenergiequelle 38 an die Elektrode 34 zwischen dieser und dem Werkstück 40 zu einer Plasma­ entladung.
Bei der geschilderten Anordnung wird die Oberfläche des metallischen Werkstücks "carbonisiert", d.h. es bildet sich ein Oberflächenbereich mit Kohlenstoff in hoher Konzentration. Nachdem das Innere der Kammer 31 auf ein Vakuum von 133×103 Pa (10-3 Torr) evakuiert worden ist und dann kontinuierlich weiter evakuiert wird, wird der Kammer 31 über die Leitung 33 gasför­ miges CF4 oder CH4 zugeführt. Der Druck der Kammer 31 wird auf 133 Pa (1 Torr) gehalten. Wenn nun zwischen der Elektrode 34 und dem Werkstück 40 hochfrequenter Strom fließt, entsteht ein Plasma, wobei die Oberfläche des Werkstücks 40 "carbonisiert" wird. Wenn in diesem Fall ein lediglich Kohlenstoff enthaltendes Gas zur Erzeugung eines Plasmas verwendet wird, bildet sich auf der Oberfläche des Werkstücks 40 durch Polymeri­ sation von Kohlenstoffatomen mit Hilfe eines Plasmas ein Film. Ist dieser Film weich, neigt die später aus­ zubildende keramische Schicht in höchst unerwünschter Weise zu einer Ablösung vom Werkstück. Aus diesem Grunde bedient man sich (in dieser Stufe) zur Erzeugung eines Plasmas eines Gasgemischs aus einem kohlenstoffhaltigen Gas und gasförmigem Ar, He oder N2. Bei Verwendung ei­ nes solchen Gasgemischs läßt sich eine Kohlenstoff­ polymerisation verhindern und eine Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Eisen erleichtern. Vorzugs­ weise wird mit dem kohlenstoffhaltigen Gas gasför­ miges Ar gemischt, da dieses inert ist und eine hohe Ionisierungsenergie aufweist. Tpische "Carbonisierungs­ bedingungen" sind folgende:
Strömungsgeschwindigkeit von CH₄-Gas:50 SCCM Strömungsgeschwindigkeit von Ar-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck (Vakuum):133 Pa (1 Torr) Hochfrequenzenergie:500 W Behandlungsdauer:30 min
Bei diesem "Carbonisierungsverfahren" kann das metal­ lische Werkstück vorgewärmt werden. Nachdem jedoch ein Plasma entstanden ist, erwärmt dieses das metallische Werkstück. Folglich kann man auf eine spezielle Heiz­ einrichtung verzichten. Die Kohlenstoffquelle ist nicht auf ein Gas beschränkt, sie kann auch aus einem festen Material bestehen. In diesem Falle werden durch das Ar- Plasma aus dem kohlenstoffhaltigen Feststoff Kohlenstoff­ atome zerstäubt.
Nach beendeter "Carbonisierung" wird der Kammer 31 ein Gas mit einem wesentlichen Bestandteil des aufzutragen­ den keramischen Werkstoffs zugeführt, wobei auf der "carbonisierten" Oberfläche des Werkstücks eine Schicht aus einem keramischen Werkstoff entsteht. Wenn der auf­ zutragende keramische Werkstoff Si als Hauptbestandteil enthält, wird ein Si-haltiges Gas, z.B. gasförmiges SiH4 oder Si2H6, mit einem N-haltigen Gas, z.B. gas­ förmigem N2 oder NH₃, gemischt, wobei ein keramisches Nitrid-Material entsteht. Für ein keramisches Carbid- Material wird das Si-haltige Gas mit einem C-haltigen Gas, z.B. gasförmigem CH4 oder C2H6, gemischt. Für ein keramisches Oxid-Material wird das Si-haltige Gas mit einem O-haltigen Gas, z.B. gasförmigem O2 oder N2O, gemischt. Wenn andererseits der aufzutragende kera­ mische Werkstoff Bk als Hauptbestandteil enthält, wird das Si-haltige Gas durch ein B-haltiges Gas, z.B. gas­ förmiges BF3 oder B2H6, ersetzt. Zur Ausbildung eines SiC X N Y -Films wird gasförmiges CH4 einem Gemisch aus gasförmigem SiH4 und N2 zugesetzt. Zur Herstellung eines SiC X O Y -Films wird gasförmiges CH4 einem Ge­ misch aus gasförmigem SiH4 und O2 oder N2O hinzu­ gefügt.
Typische Beispiele für die Beschichtungsbedingungen und die Dicke von in der beschriebenen Vorrichtung hergestellten keramischen Schichten sind:
(a) SiN-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigem SiH₄:100 SCCM Strömungsgeschwindigkeit von N₂-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:500 W Filmbildungsdauer:30 min Filmstärke:etwa 3 µm
(b) SiC-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit von SiH₄-Gas:100 SCCM Strömungsgeschwindigkeit von CH₄-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:500 W Filmbildungsdauer:30 min Filmstärke:etwa 3 µm
(c) BN-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit von BF₃-Gas:100 SCCM Strömungsgeschwindigkeit von N₂-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:500 W Filmbildungsdauer:30 min Filmstärke:etwa 3 µm
(d) SiO-Schicht
Strömungsgeschwindigkeit von SiH₄-Gas:100 SCCM Strömungsgeschwindigkeit von O₂-Gas:300 SCCM Reaktionsdruck:133 Pa (1,0 Torr) Hochfrequenzenergie:500 W Filmbildungsdauer:30 min Filmstärke:etwa 3 µm
Die mit einer solchen keramischen Schicht versehenen Werkstücke besitzen eine hohe keramische Haftungs­ steifigkeit und gute Abnutzungseigenschaften. Unter den angegebenen Bedingungen werden Kreiselverdichter­ wellen mit den genannten keramischen Schichten versehen. Bei einem 1000 h dauernden Haltbarkeitstest werden diese Wellen 30 min lang kontinuierlich mit 10 000 Umdrehungen pro Minute umlaufen gelassen, dann 10 min lang angehalten und schließlich erneut 30 min lang mit 10 000 Umdrehungen pro Minute laufen gelassen. Die mit den Schichten (a) bis (d) versehenen Wellen verbrennen nicht infolge Abnutzung. Auch kommt es nicht zu einer Ablösung der keramischen Schichten von den Werkstücken, d.h. insgesamt besitzen die erfindungsgemäß mit kera­ mischen Schichten versehenen Werkstücke eine hohe Halt­ barkeit.
Bei der geschilderten Ausführungsform erfolgen die "Carbonisierung" der Werkstückoberfläche und die Erzeugung der keramischen Schicht durch Plasma-CVD. Stattdessen kann man sich jedoch auch einer Zerstäu­ bung, Ionenplattierung und dergl. bedienen.
Erfindungsgemäß lassen sich auf metallischen Werk­ stücken mit Eisen als Hauptbestandteil keramische Schichten fest verankern, wobei man letztlich Werk­ stücke guter Abnutzungseigenschaften erhält. Das je­ weilige Werkstück nutzt das mit ihm in Eingriff stehende Teil nicht ab, so daß ein Festfressen ver­ hindert wird.

Claims (15)

1. Mit einem keramischen Material beschichtetes Werk­ stück aus einem metallischen Träger (1) mit einer Hauptoberfläche und einer auf die Hauptoberfläche des Trägers (1) aufgetragenen keramischen Schicht (4), dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger (1) einen Bereich (3) aufweist, in welchem Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff in höherer Konzentration vorhanden sind als im sonstigen Bereich der Hauptoberfläche.
2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) Eisen als Hauptbestandteil und mindestens ein Element, bestehend aus Nickel, Chrom, Aluminium, Mangan, Magnesium und Vanadium, enthält.
3. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (4) Silizium als Haupt­ bestandteil enthält.
4. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (4) ein Element der Gruppe III des Periodensystems als Hauptbestand­ teil enthält.
5. Werkstück nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die keramische Schicht (4) Wasserstoff und/oder ein Halogen enthält.
6. Werkstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (3) mit Hilfe eines Plasmas eines argonhaltigen Gases hergestellt ist.
7. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma zur Ausbildung des Bereichs (3) durch Anlegen von Hochfrequenz- oder Gleichstrom an den Träger (1) erzeugt wird.
8. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (3) mit Hilfe eines Plasmas eines Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gases hergestellt ist.
9. Werkstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (4) mittels eines Plasmas in einem Vakuum hergestellt ist.
10. Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (4) aus Siliziumnitrid, Bornitrid, Siliziumcarbid, Borcarbid, Siliziumoxid, Siliziumcarbonitrid, Borcarbonitrid, Siliziumcarboxid oder Borcarboxid besteht.
11. Werkstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma zur Ausbildung der keramischen Schicht (4) durch Anlegen von Hochfrequenz- oder Gleichstrom an den Träger (1) erzeugt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines mit einem keramischen Material beschichteten Werkstücks durch Ausbilden einer keramischen Schicht (4) auf der Hauptober­ fläche eines Trägers (1), dadurch gekennzeichnet, daß man vor Ausbildung einer keramischen Schicht auf der Hauptoberfläche des metallischen Trägers durch Ausbildung eines Plasmas in einer argonhal­ tigen Gasatmosphäre einen Bereich (3) mit einem Ge­ halt an Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff erzeugt, wobei dieser Bereich Kohlen­ stoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff in höherer Konzentration enthält als der restliche Bereich dieser Oberfläche.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß man einen metallischen Träger (1) mit Eisen als Hauptbestandteil verwendet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß man eine keramische Schicht (4) mit ei­ nem Element der Gruppe III des Periodensystems als Hauptbestandteil ausbildet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß man bei der Ausbildung der keramischen Schicht (4) ein Plasma in einer ein einen Bestand­ teil der keramischen Schicht (4) bildendes Element enthaltenden Gasatmosphäre erzeugt.
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