DE3902418A1 - Verfahren zum reinigen eines metallischen werkstueckes mit oberflaechenteilen aus verschiedenem werkstoff durch ionenbeschuss aus einer gasentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen eines metallischen Werkstückes mit Oberflächenteilen aus verschiedenem Werkstoff durch Ionenbeschuß aus einer Gas­ entladung für eine anschließende Beschichtung wenigstens eines Oberflächenteiles durch ein physikalisches Abscheiden des Beschichtungswerkstoffes aus seiner Gasphase.

Die Haftung einer durch ein physikalisches Abscheiden eines Beschichtungswerkstoffes aus seiner Gasphase, beispiels­ weise durch Kathodenzerstäubung, aufgebrachten Beschichtung auf einer Werkstückoberfläche hängt maßgeblich von der der Beschichtung vorausgehenden Reinigung der Werkstückoberflä­ che von Oxiden und adsorbierten Gasen ab. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die zu beschichtende Werkstückoberfläche einem Ionenbeschuß aus einer Gasentladung auszusetzen, wobei die Ionen des Trägergases der Gasentladung die Oxidmoleküle zusammen mit den Gasatomen aus der Werkstückoberfläche her­ ausschlagen, bis die Oxidschicht vollständig abgetragen ist. Ein solches Reinigungsverfahren kann mit gutem Erfolg bei Werkstücken angewandt werden, deren dem Ionenbeschuß ausge­ setzte Oberflächenteile aus einem einheitlichen Werkstoff bestehen. Die Reinigungswirkung wird jedoch bei Werkstücken mit Oberflächenteilen aus verschiedenem Werkstoff in Frage gestellt, weil die Gefahr besteht, daß der für eine an­ schließende Beschichtung zu reinigende Oberflächenteil durch aus den anderen Werkstoffen herausgeschlagene Teilchen ver­ unreinigt wird, weil ja zumindest die an dem zu reinigenden Oberflächenteil angrenzenden Oberflächenbereiche ebenfalls einem Ionenbeschuß ausgesetzt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Reinigen eines metallischen Werkstückes der ein­ gangs geschilderten Art so zu verbessern, daß der für eine anschließende physikalische Abscheidung eines Beschichtungs­ werkstoffes aus seiner Gasphase vorgesehene Oberflächenteil des Werkstückes durch den Ionenbeschuß aus einer Gasentla­ dung hinreichend gereinigt werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß zumin­ dest die dem Ionenbeschuß ausgesetzten Oberflächenteile aus einem gegenüber dem zu beschichtenden Oberflächenteil unter­ schiedlichen Werkstoff vor dem Ionenbeschuß durch eine Deck­ schicht aus einem Reinmetall bzw. einer Legierung abgedeckt werden, wobei das Reinmetall bzw. zumindest der Hauptbestand­ teil der Legierung ein wenigstens dem 1,6fachen Atomgewicht des Trägergases der Gasentladung entsprechendes Atomgewicht aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ver­ unreinigung des zu reinigenden Oberflächenteiles durch während des Ionenbeschusses aus angrenzenden Oberflächen­ teilen herausgeschlagene Teilchen von dem durchschnitt­ lichen, beim Zusammenstoß dieser Teilchen mit den Träger­ gasatomen auftretenden Streuwinkel für diese Teilchen ab­ hängt, der um so größer wird, je geringer die Teilchenmasse im Verhältnis zur Atommasse des Trägergases ist. Bei ent­ sprechend großen Streuwinkeln werden daher die aus den an­ grenzenden Oberflächenteilen herausgeschlagenen Teilchen gegen die zu reinigende Oberfläche abgelenkt, so daß während des Ionenbeschusses der zu reinigende Oberflächenteil fort­ laufend verunreinigt wird. Werden demgemäß die an dem zu be­ schichtenden Oberflächenteil angrenzenden, ebenfalls dem Ionenbeschuß ausgsetzten Oberflächenteile aus einem unter­ schiedlichen Werkstoff durch eine Deckschicht aus einem Rein­ metall oder einer Legierung abgedeckt, wobei das Reinmetall bzw. der Hauptbestandteil der Legierung ein in Abhängigkeit vom Atomgewicht des Trägergases vorgegebenes Mindestatomge­ wicht aufweist, so kann der durchschnittliche Streuwinkel für die aus dem Reinmetall oder der Legierung herausgeschla­ genen Atome beim Zusammenstoß mit einem Gasatom auf ein Maß begrenzt werden, das eine Umlenkung der Hauptmasse dieser Metallatome gegen den zu reinigenden Oberflächenteil verhin­ dert, so daß die Verunreinigung der zu reinigenden Oberflä­ che zufolge des Ionenbeschusses der angrenzenden Oberflächen­ teile auf ein unerhebliches Maß beschränkt bleibt. Entschei­ dend für das Erreichen des angestrebten Effektes ist daher nicht die Abdeckung der angrenzenden Oberflächenbereiche an sich, sondern das Massenverhältnis der aus diesen Bereichen herausgeschlagenen Teilchen gegenüber der Teilchenmasse des Trägergases, wobei die die angrenzenden Oberflächenteile ab­ deckende Deckschicht eine Schichtstärke aufweisen muß, die sicherstellt, daß diese Abdeckung nicht stellenweise voll­ ständig abgetragen werden kann, bevor der Reinigungsabtrag der zu reinigenden Oberfläche abgeschlossen ist.

Weist das Reinmetall oder der Hauptbestandteil der Legierung zum Abdecken der Oberflächenteile aus einem gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche unterschiedlichen Werkstoff ein Atomgewicht auf, das das 1,6fache des Atomgewichtes des Trä­ gergases übersteigt, so wird eine für eine Vielzahl von An­ wendungsfällen ausreichende Reinigung des nachträglich zu beschichtenden Oberflächenteiles sichergestellt. Für höhere Anforderungen hinsichtlich des Reinheitsgrades des zu be­ schichtenden Oberflächenteiles soll das Reinmetall bzw. der Legierungshauptbestandteil ein wenigstens dem zweifachen Atomgewicht des Trägergases entsprechendes Atomgewicht haben, wobei auch auf ein entsprechendes Atomgewicht der Le­ gierungszusätze geachtet werden kann um eine Verunreinigung durch diese Legierungszusätze zu unterbinden, obwohl im all­ gemeinen diese Verunreinigung aufgrund des geringen Anteiles dieser Zusätze an der Legierung kaum eine Rolle spielt.

Ein scharf abgegrenztes, vollständiges Abdecken der an den zu beschichtenden Oberflächenteil angrenzenden Oberflächen­ teile kann in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch er­ reicht werden, daß zunächst alle dem Ionenbeschuß ausgesetz­ ten Oberflächenteile durch die Deckschicht abgedeckt werden und daß anschließend die Deckschicht im Bereich des zu be­ schichtenden Oberflächenteiles vor dem Ionenbeschuß wieder abgetragen wird. Diese Vorgangsweise erlaubt ein vorteilhaf­ tes galvanisches Auftragen der Deckschicht, wobei durch das anschließende, vorzugsweise mechanische Abtragen der Deck­ schicht im Bereich des zu reinigenden Oberflächenteiles die scharfe Begrenzung der Deckschicht gewährleistet wird.

Das geschilderte Reinigungsverfahren bietet sich zur Vorbe­ reitung beispielsweise von Gleitlagern mit einem auf eine stählerne Stützschale aufgebrachten Lagermetall an, das mit Hilfe eines Kathodenzerstäubungsverfahrens mit einer ent­ sprechenden Laufschicht versehen werden soll, wobei im Be­ reich von Kantenanfasungen, Schmiernuten od. dgl. der Eisen­ werkstoff einen Oberflächenteil des Werkstückes ausmacht. Ob­ wohl die oberflächliche Eisenoxidschicht im Bereich dieser Oberflächenteile ein Molekulargewicht aufweist, das keine störende Verunreinigung der Lagermetalloberfläche während eines Ionenbeschusses befürchten läßt, ist aufgrund der im Vergleich zur Dicke der zur Reinigung abzutragenden Lagerme­ talloxidschicht üblicherweise geringen Dicke der Eisenoxid­ schicht nach dem Abtrag dieser Eisenoxidschicht mit einem Herausschlagen von Eisenatomen zu rechnen, deren Masse in bezug auf die Atommasse des Trägergases, z. B. Argon, nicht ausreicht, um eine Ablagerung dieser Eisenatome auf der La­ germetalloxidschicht in einem störenden Umfang zu verhin­ dern. Aus diesem Grunde müssen die Oberflächenteile im Be­ reich der Kantenanfasungen, Schmiernuten od. dgl. mit einer entsprechenden Deckschicht abgedeckt werden, bevor das Lager­ metall durch einen Ionenbeschuß aus einer Gasentladung für das anschließende Kathodenzerstäubungsverfahren gereinigt wird. Die Deckschicht kann aus einer Legierung oder einem Reinmetall bestehen, wobei sich beispielsweise eine galva­ nisch aufgetragene Zinnschicht oder eine aufgedampfte Tantal­ schicht empfiehlt. Das Aufdampfen einer Deckschicht bietet mittels Masken zusätzlich die Möglichkeit, nur bestimmte Oberflächenteile zu beschichten, was beim galvanischen Auf­ tragen kaum möglich ist. Durchgehende Deckschichten zwingen jedoch zum Abtragen der Deckschicht im Bereich des zu rei­ nigenden Oberflächenteiles, wenn nicht in bestimmten Fällen die Abdeckschicht zur Haftvermittlung dienen kann.

Durch das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren wird außerdem die Herstellung neuartiger Gleitlager möglich, die einer­ seits Gleitflächen mit einer galvanisch aufgetragenen Lauf­ schicht und anderseits physikalisch aus ihrer Gasphase abge­ schiedene Laufschichten bilden, um im Bereich dieser unter­ schiedlichen Gleitflächen eine vorteilhafte Anpassung an un­ terschiedliche Verhältnisse zu erreichen. Zu diesem Zweck kann die vor dem Ionenbeschuß galvanisch aufgebrachte Deck­ schicht aus einer Laufschichtlegierung bestehen, so daß sich ein gesondertes Auftragen einer Deckschicht neben einer Laufschicht erübrigt und die Deckschicht im Bereich der Gleitflächen eine Funktionsfläche bildet.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung dieses Verfahrens er­ gibt sich beispielsweise bei Bundlagern, deren axiale Gleit­ flächen an den Bunden eine gute Anpassung ermöglichen sol­ len, während für die radialen Laufflächen eine hohe Ver­ schleißfestigkeit gefordert wird, ohne die guten Laufeigen­ schaften zu beeinträchtigen. Bei solchen Bundlagern bietet sich folglich für die radiale Lauffläche eine physikalische Abscheidung aus der Gasphase, beispielsweise durch eine Kathodenzerstäubung, für die axialen Gleitflächen jedoch eine galvansich aufgetragene Laufschicht an, so daß zur Her­ stellung dieser Bundgleitlager die axialen Gleitflächen an den Bunden zusammen mit den anderen Oberflächenteilen durch eine galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung abgedeckt werden können, um nach dem Abtragen dieser Laufschicht im Bereich der radialen Gleitfläche diese durch einen Ionenbe­ schuß aus einer Gasentladung für eine Beschichtung durch Ka­ thodenzerstäuben zu reinigen.

An Hand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reinigen eines metallischen Werkstückes herge­ stelltes Bundgleitlager ausschnittsweise in einem Axialschnitt,

Fig. 2 dieses Lager im Axialschnitt im Bereich der radialen Lauffläche nach dem galvanischen Auftrag der Lauf­ schicht für die Bunde in einem größeren Maßstab und

Fig. 3 ein ebenfalls unter Anwendung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens hergestelltes Gleitlager mit einer Beschichtung durch ein physikalisches Abscheiden des Laufschichtwerkstoffes aus seiner Gasphase aus­ schnittsweise in einem Axialschnitt.

Das dargestellte Bundgleitlager nach den Fig. 1 und 2 be­ steht im wesentlichen aus einer stählernen Stützschale 1, die sowohl im Bereich der Gleitflächen an den Bunden 2 als auch im Bereich der radialen Gleitfläche mit einer aufplat­ tierten Lagermetallschicht 3 bzw. 4, beispielsweise auf Alu­ miniumbasis (AlZn 4,5) versehen ist. Um auf die Lagermetall­ schicht 4 eine Laufschicht 5, z. B. aus AlSn20, mit einer hinreichenden Haftung durch eine Kathodenzerstäubung aufbrin­ gen zu können, muß diese Lagermetallschicht 4 durch einen Ionenbeschuß aus einer Gasentladung mit beispielsweise Argon als Trägergas gereinigt werden. Da an die zu reinigende La­ germetallschicht 4 stählerne Oberflächenteile anschließen, wird bei einem unmittelbaren Ionenätzen die vorhandene Ei­ senoxidschicht im Bereich dieser stählernen Oberflächenteile abgetragen, bevor die abzutragende Aluminiumoxidschicht der Lagermetallschicht 4 abgetragen werden kann, was in weiterer Folge zum Herausschlagen von Eisenatomen aus den stählernen Oberflächenbereichen führt, wobei diese herausgeschlagenen Eisenteile aufgrund der großen Streuung beim Zusammenstoß mit den Trägergasteilchen, die im wesentlichen atomar vor­ liegen, zum Teil auf der Lagermetallschicht 4 abgelagert werden und die angestrebte Haftung einer anschließenden Be­ schichtung durch eine Kathodenzerstäubung verhindern. Aus diesem Grunde wird vor der Reinigung der Lagermetallschicht 4 die Werkstückoberfläche mit einer Legierung überzogen, deren Hauptbestandteil ein Atomgewicht aufweist, das das Atomgewicht des Trägergases zumindest um das 1,6fache, vor­ zugsweise um das Zweifache, übersteigt. Die schwerere Masse der aus dieser Legierung herausgeschlagenen Teilchen verhin­ dert eine größere Ablenkung dieser Teilchen beim Zusammen­ stoß mit den Trägergasatomen, so daß sich diese Teilchen nicht in einem störenden Ausmaß auf der Lagermetallschicht 4 ablagern können.

Da auf die Lagermetallschichten 3 im Bereich der Bunde 2 eine Laufschicht galvanisch aufgetragen werden soll, wird zum Abdecken der an die Lagermetallschicht 4 angrenzenden Oberflächenteile vorzugsweise diese Laufschichtlegierung z. B. eine PbSnCu-Legierung, verwendet, zumal ja beim galva­ nischen Auftrage eine örtliche Begrenzung der Beschichtung nicht ohne weiteres möglich ist. Die Laufschichtlegierung 6 wird daher zusammen mit einer gegebenenfalls vorgesehenen Zwischenschicht 7 aus Nickel über die gesamte Oberfläche einschließlich der zu reinigenden Lagermetallschicht 4 auf­ gebracht und dann lediglich im Bereich der Lagermetallschicht 4 abgetragen, wie dies durch die strichpunktierte Linie 8 in Fig. 2 angeordnet wird. Nach diesen Vorbereitungsarbeiten kann die Reinigung der Lagermetallschicht 4 für eine an­ schließende Beschichtung durch ein Kathodenzerstäuben mit Hilfe eines Ionenbeschusses aus einer Niederdruckgasentla­ dung durchgeführt werden, wobei ein Gleitlager erhalten wird, das eine einfache Kombination von galvanisch aufge­ tragenen Laufschichten mit einer physikalisch aus ihrer Gas­ phase abgeschiedenen Laufschicht ermöglicht.

Nach Fig. 3 soll auf eine Lagermetallschicht 9 auf Aluminium­ basis eine Laufschicht 10 durch ein Kathodenzerstäubungsver­ fahren aufgebracht werden, wobei die stählerne Stützschale 11 im Bereich von Kantenanfasungen 12 oder einer Schmiernut 13 an die Oberfläche durchtritt, was ein Reinigen der Lager­ metallschicht 9 durch einen Ionenbeschuß aus einer Gasentla­ dung wegen der gleichzeitig auftretenden Verunreinigungen über den Eisenwerkstoff ausschließt, wenn diese stählernden Oberflächenbereiche 12, 13 nicht durch eine Deckschicht 14 aus einem Reinmetall oder einer Legierung abgedeckt werden, wobei das Reinmetall oder zumindest der Hauptbestandteil der Legierung ein entsprechendes Atomgewicht aufweist. Diese For­ derung wird beispielsweise durch Legierungen auf Blei- oder Zinnbasis hervorragend erfüllt, welche Legierungen galva­ nisch aufgetragen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Deckschicht 14 aus einem Reinmetall, z. B. Blei, Zinn oder Tantal, herzustellen.

Um während des Reinigungsabtrages des zu beschichtenden Ober­ flächenteiles eine vollständige Abtragung der Deckschicht zu vermeiden, ist auf eine Mindestdicke dieser Deckschicht von 9,5 µm zu achten. Bildet die Deckschicht zugleich eine Funk­ tionsfläche, so ist die Schichtdicke der Deckschicht an die Anforderungen dieser Funktionsfläche anzupassen und kann nach oben mit der üblichen Dicke von Laufschichten begrenzt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Reinigen eines metallischen Werkstückes mit Oberflächenteilen aus verschiedenem Werkstoff durch Io­ nenbeschuß aus einer Gasentladung für eine anschließende Be­ schichtung wenigstens eines Oberflächenteiles durch ein phy­ sikalisches Abscheiden des Beschichtungswerkstoffes aus sei­ ner Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die dem Ionenbeschuß ausgesetzten Oberflächenteile aus einem gegen­ über dem zu beschichtenden Oberflächenteil unterschiedlichen Werkstoff vor dem Ionenbeschuß durch eine Deckschicht aus einem Reinmetall bzw. einer Legierung abgedeckt werden, wo­ bei das Reinmetall bzw. zumindest der Hauptbestandteil der Legierung ein wenigstens dem 1,6fachen Atomgewicht des Trä­ gergases der Gasentladung entsprechendes Atomgewicht auf­ weist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinmetall bzw. der Hauptbestandteil der Legierung ein wenigstens dem zweifachen Atomgewicht des Trägergases entsprechendes Atomgewicht aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst alle dem Ionenbeschuß ausgesetzten Oberflächenteile durch die Deckschicht abgedeckt werden und daß anschließend die Deckschicht im Bereich des zu beschich­ tenden Oberflächenteiles vor dem Ionenbeschuß wieder abge­ tragen wird.

4. Verfahren zum Reinigen eines Gleitlagers für eine an­ schließende Beschichtung einer Gleitfläche durch ein physi­ kalisches Abscheiden eines Laufschichtwerkstoffes aus seiner Gasphase nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vor dem Ionenbeschuß galvanisch aufge­ brachte Deckschicht aus einer Laufschichtlegierung besteht.

5. Gemäß einem Verfahren nach Anspruch 4 hergestelltes Bundgleitlager, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Gleitflächen an den Bunden (2) die galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung (6) und die radiale Gleitfläche eine physikalische Abscheidung eines Laufschichtwerkstoffes aus seiner Gasphase aufweisen.