DE4238784C1 - Verfahren zur Verringerung der Korrosionsanfälligkeit und Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Gegenständen aus niedrig legierten Stählen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Korrosionsanfälligkeit und Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Gegenständen aus niedrig legierten, korrosionsanfälligen Stählen.

Es ist bekannt, die Korrosionsanfälligkeit von Gegenständen aus niedrig legierten Stählen entweder durch Inchromieren oder Gaschromatieren zu verringern. Beim Inchromieren werden die zu behandelnden Gegenstände in ein chromhaltiges Pulver eingepackt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch eine Chromdiffusion einsetzt. Das Inchromieren hat außer einem großen Verfahrensaufwand den Nachteil, daß wegen des komplizierten Vor­ ganges bei der Verwendung des chromhaltigen Pulvers häufig Behandlungsfehler auftreten. Beim Gaschromatieren wird aus Chromchlorid Chrom freigesetzt, das in die zu behandelnden Gegenstände eindiffundiert. Hierbei ergibt sich ein wesentlicher Nachteil dadurch, daß durch den Einsatz von Chromchlorid durch chemische Reaktion Salzsäure als Abfallprodukt entsteht, die aufwendig entsorgt werden muß.

Beim Aufbringen von verschleißmindernden Hartstoffschichten, beispielsweise durch Vakuum-Lichtbogen-Verdampfung ist es weiterhin bekannt, vor dem Aufbringen der Hartstoffschicht die zu behandelnden Gegenstände chemisch zu vernickeln. Dieses Ver­ fahren hat den Nachteil, daß zwei unterschiedliche Oberflächen­ behandlungsverfahren zum Einsatz kommen müssen, wodurch sich der apparative und Zeitaufwand erhöht.

Schließlich ist es bekannt, die Korrosionsanfälligkeit von Gegenständen aus niedrig legierten Stählen durch Implantation von Ionen zu verringern. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen sehr hohen apparativen Aufwand und hat wiederum den Nachteil, daß die anschließende Aufbringung einer Hartstoffschicht in einem andersartigen und separaten Verfahren erfolgen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Verringerung der Korrosions­ anfälligkeit und die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit der Gegenstände aus niedrig legierten und damit korrosionsanfälligen Stählen in einem einzigen Prozeß erreicht werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Oberfläche der Gegen­ stände durch ein im Vakuum stattfindendes Ionen-Bombardement gereinigt wird, daß anschließend im Vakuum in die gereinigte Oberfläche durch ein Chromionen-Bombardement Chromatome eindiffundiert werden und daß schließlich auf die entstandene ionengestützt abgeschiedene Diffusionsschicht ohne Prozeßunter­ brechung eine Auftragsschicht in Form einer Hartstoffschicht im Vakuum abgeschieden wird.

Es ist zwar bekannt, die Oberfläche von im PVD-Verfahren mit einer Hartstoffschicht zu versehenden Gegenständen durch vorheriges Bombardement mit Ionen zu reinigen und anschließend ohne Unterbrechung des Prozesses mit der gewünschten Hartstoff­ schicht zu versehen; wenn diese Behandlung jedoch an Gegenständen aus niedrig legierten Stählen durchgeführt wird, reicht die entstehende Hartstoffschicht häufig nicht aus, die in vielen Fällen notwendige Korrosionsbeständigkeit zu erzielen.

Aus der US-PS 3 832 219 ist es weiterhin bekannt, die Korrosionsanfälligkeit von Gegenständen aus niedrig legierten Stählen durch Inchromieren infolge Implantation von Ionen zu verringern. Bei diesem Verfahren werden Chromionen mit hoher Energie in die Oberfläche des zu behandelnden Bauteils im­ plantiert. Abgesehen davon, daß die Erzeugung der hierfür er­ forderlichen hohen Energie auch einen sehr hohen apparativen Aufwand erfordert, hat dieses bekannte Verfahren den Nachteil, daß sich eine korrosionsbeständigere Randzone nur in einem ver­ gleichsweise dünnen Randbereich geringer Tiefe ausbildet und daß die Aufbringung einer Hartstoffschicht in einem andersartigen oder separaten Verfahren erfolgen muß.

Aus der JP-A-129 360 und der DE-OS 36 23 360 war es schließlich bekannt, reines Chrom auf der Substratoberfläche als Schicht aufzutragen. Aufgrund der schlechten mechanischen Eigenschaften und der hohen Duktilität von reinem Chrom werden derartige Korrosionsschutzschichten nur mit einer Dicke von einigen Micro­ metern aufgebracht, so daß bereits kleinere Kratzer diese Schutzschicht zerstören können, deren geringe Dichtigkeit da­ rüber hinaus keinen hinreichenden Korrosionsschutz ergibt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden nach der Oberflächenreinigung durch Ionen-Bombardement Chromatome in die Oberfläche der Gegenstände ionengestützt eindiffundiert, so daß die aus korrosionsempfindlichem Stahl bestehenden Gegenstände in der Oberflächenschicht erheblich korrosionsbeständiger werden. Nach Aufbringen der Auftragsschicht in Form einer Hartstoff­ schicht besitzen die erfindungsgemäß behandelten Gegenstände somit eine verringerte Korrosionsanfälligkeit, weil selbst bei Verletzungen der Hartstoffschicht die darunterliegende ionenge­ stützt abgeschiedene Diffusionsschicht korrosionsmindernd wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt somit durch einen drei­ stufigen Prozeß in derselben Apparatur sowohl eine Verringerung der Korrosionsanfälligkeit als auch eine Erhöhung der Ver­ schleißbeständigkeit von Gegenständen aus niedrig legierten Stählen.

Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens wird die Oberflächenreinigung durch Bombardement mit Chromionen durchgeführt. Weiterhin kann die Hartstoffschicht erfindungsge­ mäß auf der Basis von Chrom durch Zuführung entsprechender gas­ förmiger Reaktanten, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff aufgebracht werden. Selbstverständlich ist es andererseits möglich, die Hartstoffschicht auf der Basis anderer Metalle als Chrom durch Zuführung entsprechender gasförmiger Reaktanten aufzubringen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die zur Diffusion von Chromatomen in die Oberfläche der Gegenstände er­ forderliche Temperatur durch das Ionen-Bombardement infolge eines Anlegens einer negativen Vorspannung erzeugt. Die Tempera­ tur liegt hierbei beispielsweise über 600°C.

Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Ionen für das Ionen-Bombardement sowohl zur Reinigung der Oberfläche als auch zur Eindiffusion der Chromatome und zur Bildung der Hart­ stoffschicht durch eine Vakuum-Lichtbogen-Verdampfung bereitzu­ stellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden:

Beim Ausführungsbeispiel bestanden die zur Verringerung der Korrosionsanfälligkeit und Erhöhung der Verschleißbeständigkeit zu behandelnden Gegenstände aus einfachem Stahl (C 45); sie hatten eine polierte Oberfläche. Nach einer wäßrigen Reinigung und Warmlufttrocknung wurden die Bauteile auf entsprechende Sub­ strathalter montiert und in eine Beschichtungskammer zur Durch­ führung einer Vakuum-Lichtbogen-Verdampfung eingesetzt. Die Kathoden bestanden hierbei aus Chrom. Anschließend erfolgte eine Evakuierung der Kammer bis zum Startdruck der Behandlung von 0,001 Pa.

Zur Ionenreinigung und Substraterwärmung wurden die Vakuum- Lichtbogen-Verdampfer gezündet und eine negative Substratvor­ spannung von 1000 V an die Substrate angelegt. Nach erfolgter Reinigung und Erwärmung auf ca. 650°C wurde die Substratvor­ spannung auf Werte zwischen 300 und 600 V abgesenkt, so daß im wesentlichen erreicht wurde, daß keine Chromschicht auf den Substraten aufwächst, jedoch ständig folgende Randbedingungen für die Erzeugung der erfindungsgemäßen Schicht erfüllt waren:
Ständige Aktivierung der Oberflächenbereiche durch das Ionenbombardement zur Gewährleistung einer optimalen Diffusion der Chromatome in die obersten Atomlagen des Sub­ strates,
Verhinderung des Aufwachsens dicker Chromschichten,
hinreichende Wärmezufuhr zum Halten der Temperatur im Bereich oberhalb von 600°C.

Die Prozeßzeit der ionengestützten Diffusion betrug 3 h.

Nach der Prozeßzeit der ionengestützten Diffusion wurde die negative Substratvorspannung gesenkt und Stickstoff als Reaktiv­ gas zugegeben, um CrN als Verschleißschutzschicht abzuscheiden. Die Schichtdicke wurde entsprechend den Anforderungen an die Verschleißanfälligkeit für das jeweilige Verschleiß- und Reibungs-System gewählt.

Durch die ionengestützte Diffusionsschicht konnte die Korrosionsanfälligkeit der so behandelten Bauteile gegenüber den Bauteilen, die nur mit einer Hartstoffschicht versehen worden waren, um mindestens den Faktor 2 gesenkt werden. Die Messungen der Korrosionsanfälligkeit wurden dabei mittels eines Salzsprüh­ testes ermittelt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verringerung der Korrosionsanfälligkeit und Er­ höhung der Verschleißbeständigkeit von Gegenständen aus niedrig legierten, korrosionsanfälligen Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Oberfläche der Gegenstände durch ein im Vakuum stattfindendes Ionen-Bombardement gereinigt wird, daß an­ schließend im Vakuum in die gereinigte Oberfläche durch ein Chromionen-Bombardement Chromatome eindiffundiert werden und daß schließlich auf die entstandene ionengestützt abge­ schiedene Diffusionsschicht ohne Prozeßunterbrechung eine Auftragsschicht in Form einer Hartstoffschicht im Vakuum ab­ geschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenreinigung durch Bombardement mit Chromionen durch­ geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht auf der Basis von Chrom durch Zuführung entsprechender gasförmiger Reaktanten (beispielsweise N, C, O) aufgebaut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht auf der Basis anderer Metalle als Chrom durch Zuführung entsprechender gasförmiger Reaktanten (bei­ spielsweise N, C, O) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die zur Diffusion von Chromatomen in die Oberfläche der Gegenstände erforderliche Temperatur durch das Ionen-Bombardement infolge eines Anlegens einer negativen Vorspannung erzeugt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen für das Ionen-Bombardement sowohl zur Reinigung der Oberfläche als auch zur Eindiffusion der Chromatome und zur Bildung der Hartstoffschicht durch eine Vakuum-Lichtbogen-Verdampfung be­ reitgestellt werden.