DE68910014T2

DE68910014T2 - Verfahren zum Ionennitridieren von Aluminium.

Info

Publication number: DE68910014T2
Application number: DE89111003T
Authority: DE
Inventors: Tohru Arai; Hironori Fujita; Kazuyuki Oguri; Hideo - Tachikawa
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1988-06-17
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-06-17
Also published as: EP0346931B1; DE68910014D1; EP0346931A2; EP0346931A3; JPH0437156B2; US4909862A; JPH01319665A

Description

TEXT FEHLT

(2) Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Die technologischen Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium und Aluminiumlegierungen (nachfolgend als "Aluminiummaterial" bezeichnet) wurden entwickelt, um der niedrigen Härte und schlechten Verschleißfestigkeit von Aluminiummaterial abzuhelfen. Eine der technologischen Verfahrensweisen ist die Bildung einer Aluminiumnitrid-Schicht auf der Oberfläche von Aluminiummaterial.
Aluminiumnitrid weist einige überlegene charkteristische Eigenschaften auf: thermische Stabilität bei sehr hohen Temperaturen, hohe Härte (Hv 1.000 und darüber), hohe Verschleißfestigkeit, hohe thermische Leitfähigkeit und gute Isolationseigenschaften.
Es wurden verschiedene Verfahren zur Bildung einer Aluminiumnitrid-Schicht vorgeschlagen. Gemäß einem Verfahren (veröffentlicht in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 25,963/1981) erfolgt eine Nitridierung durch Aufheizen eines Teils eines Aluminiummaterials, das behandelt werden soll, auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Aluminium, wodurch bewirkt wird, daß Aluminium mit Stickstoff reagiert. Ein Nachteil dieses Schmelzverfahrens besteht darin, daß das zu behandelnde Aluminiummaterial beim Schmelzen deformiert wird und die resultierende Oberflächenschicht eine Mischung aus Aluminiumnitrid (AlN) und Aluminium (Al) ist, die eine Härte aufweist, die geringer ist als Hv 200.
Alternative Verfahrensweisen schließen Reatctivsputtern und Abscheiden im Vakuum ein. Diese Verfahren stellen jedoch nur eine Aluminiumnitrid-Schicht bereit, die an der Grundschlcht durch mechanische Kräfte oder intermolekulare Kräfte befestigt ist und daher eine schlechte Haltung an der Grundschicht aufweist. Außerdem sind diese Verfahren nicht zur Behandlung von Massegütern geeignet und sind teuer.
Unter diesen Umständen haben die an der vorliegenden Erfindung beteiligten Erfinder eine Patentanmeldung auf ein "Verfahren zum Ionennitridieren von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eine dafür geeignete Vorrichtung" (US-Patent Nr. 4,522,660/1985) und ein "Verfahren zum Ionennitridieren von Aluminium oder Aluminiumlegierungen" (US- Patent Nr. 4,597,808/1986) eingereicht. Das erstgenannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall mit einer starken Affinität zu Sauerstoff in der Nähe des zu behandelnden Gegenstandes in der Ionennittridier-Vorrichtung angeordnet wird, so daß das Metall Sauerstoff (der ein Inhibitor für die Ionennitridierung ist) entfernt, der in die Vorrichtung eintritt, und dadurch zur Bildung einer guten Nitridschicht auf dem Gegenstand beiträgt. In dem letztgenannten Verfahren wird ein zu behandelnder Gegenstand in einem verschlossenen Gefäß angeordnet. Das Sauerstoffgas in dem Gefäß wird entfernt. Die Oberfläche des Gegenstandes wird auf eine vorgeschriebene Temperatur erhitzt (wobei H&sub2;, N&sub2; oder ein Edelgas als Heizgas verwendet werden können). Die Oberfläche des Gegenstandes wird aktiviert, und danach wird der Gegenstand einer Ionennitridierung unterworfen. Diese technologischen Verfahren waren bei der Bildung einer Nitridschicht mit guter Verschleißfestigkeit und guter Haftung auf der Oberfläche eines Aluminium-Materials erfolgreich.
Nichtsdestoweniger haben jedoch diese technologischen Verfahren des Standes der Technik immer noch Nachteile. Im ersten Fall ist es möglich Sauerstoff zu entfernen, der in die Ionennitridier-Vorrichtung eintritt. Es ist jedoch unmöglich, Oxide zu entfernen, die auf dem für die Behandlung vorgesehenen Gegenstand gebildet sind. Das Verfahren hat einen anderen Nachteil insofern, als es eine längere Zeit in Anspruch nimmt oder sich die resultierende Nitridschicht leicht abschält, wenn die Nitridschicht dicker als üblich ist. In dem zweiten und dritten Fall erfordert das Aktivieren oder Aufrauhen mit einem Edelgas wie beispielsweise Argon eine lange Zeit.
Um die oben genannten Probleme, die mit dem technologischen Verfahren des Standes der Technik verbunden sind, zu lösen, führten die Erfinder eine Reihe von Forschungsvorhaben aus, die zu der vorliegenden Erfindung führten. TEXT FEHLT

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Ionennitridieren von Aluminiummaterial bereit, das die Schritte umfaßt, daß man einen Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Behandlung in ein geschlossenes Gefäß legt; Rest-Sauerstoffgas durch Evakuieren aus dem geschlossenen Gefäß entfernt; das geschlossene Gefäß mit einem nicht oxidierenden Heizgas, das keinen Stickstoff enthält, beschickt und Entladungen in dem geschlossenen Gefäß induziert und dadurch die Oberfläche des zur Behandlung vorgesehenen Gegenstandes auf eine vorgeschriebene Nitridiertemperatur erhitzt; das geschlossene Gefäß mit einem die Oberfläche aufrauhenden Gas, das aus einem Edelgas und 5 bis 2.000 ppm eines Gases besteht, das wenigstens ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält, beschickt und die Oberfläche des Gegenstandes zur Behandlung mittels Glühentladungen oder Ionenstrahlen in der Atmosphäre des die Oberfläche aufrauhenden Gases aufrauht; und das geschlossene Gefäß mit einem nitridierenden Gas beschickt und gleichzeitig Glühentladungen in dem geschlossenen Gefäß induziert und dadurch eine Nitridschicht auf der Oberfläche des Behandlungsgegenstandes bildet.
Vorzugsweise liegt die Konzentration des Gases, das wenigstens ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält, in einer Atmosphäre des geschlossenen Gefäßes im Bereich von 20 bis 800 ppm.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das geschlossene Gefäß in dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt mit einer Gasmischung gefüllt, die aus Argongas und
(a) 50 bis 650 ppm Stickstoffgas oder
(b) 25 bis 500 ppm Sauerstoffgas oder
(c) 50 bis 750 ppm Methangas besteht.
Die vorliegende Erfindung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, hat die folgenden Funktionen und Wirkungen:
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die erhebliche Verringerung der Zeit, die für das Aufrauhen der Oberfläche erforderlich ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die wirksame und schnelle Bildung einer harten, in hohem Maße verschleißfesten Nitridschicht auf der Oberfläche des Gegenstandes aus Aluminiummaterial.
Das Verfahren gemäß der Erfindung führt zur Bildung einer Nitridschicht, die eine gute Haftung und einheitliche Ausbildung (Einheitlichkeit) zeigt.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Ionennitridierung bei einer Temperatur unter der Lösungswärme-Behandlungstemperatur (etwa 550ºC) von Aluminiummaterial. Daher ermöglicht es die Ionennitridiening ohne nennenswerte Deformation des Behandlungsgegenstandes.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Ionennitridierung selbst in dem Fall, in dem der Gegenstand aus Aluminiummaterial zur Behandlung einen Aluminiumoxid- Film aufweist, der durch Bindung von Sauerstoff gebildet wurde.
Eine Aufklärung des Mechanismus, durch den die oben genannten Wirkungen erzeugt werden, erfolgte bisher nicht. Jedoch kann der folgende Zusammenhang hergestellt werden: Wie oben erwähnt, schließt das Verfahren der vorliegenden Erfindung den Schritt des Aufrauhens der Oberfläche ein, durch den die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes in einer Atmosphäre aufgerauht wird, die aus einem Edelgas und 5 bis 2.000 ppm eines Gases zusammengesetzt ist, das wenigstens ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält. Das Ionenbombardement, das durch die Glühentladungen in der Atmosphäre einer derartigen Gasmischung induziert wird, veranlaßt den Sauerstoff oder Stickstoff in der Gasmischung, die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes zu oxidieren oder zu nitridieren, oder veranlaßt den Kohlenstoff in der Gasmischung, sich auf der Oberfläche des Behandlungsgegenstandes abzuscheiden. Diese chemischen Reaktionen ändern einen Teil der Oberfläche des Behandlungsgegenstandes. Diese Änderung führt zum Unterschied in der Sputter-Geschwindigkeit und damit zu einem wirksamen Aufrauhen der Oberfläche.
Die aufgerauhte Oberfläche erlaubt die Bildung einer Nitridschicht in kurzer Zeit. Wenn die aufgerauhte Oberfläche ionennitridiert wird, wird eine Nitridschicht in den Vertiefungen (Tälern) schneller als auf den Hochstellen (Peaks) gebildet. In dem Maße, wie das Verfahren des Ionennitridierens fortschreitet, wird die aufgerauhte Oberfläche gegebenenfalls mit einer flachen Nitridschicht überzogen, wobei eine unregelmäßige Zwischenschicht zwischen der Nitridschicht und der Aluminiummatrix gebildet wird. Diese Zwischenschicht trägt zur Haftung der Nitridschicht bei.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird in der folgenden Weise durchgeführt: Zuerst wird der Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Behandlung in einem geschlossenen Gefäß mittels eines Halters oder einer Aufhängung angeordnet. Vorzugsweise ist die Aluminiumiegierung eine Legierung, die aus Aluminium als der Hauptkomponente und einem oder mehr als einem Metall aus der Gruppe Chrom, Kupfer, Magnesium, Mangan, Silicium, Nickel, Eisen und Zink zusammengesetzt ist. Nach dem Verschließen wird das verschlossene Gefäß mittels einer Vakuumpumpe wie beispielsweise einer Rotationspumpe und einer Diffusionspumpe evakuiert, um Restsauerstoff zu entfernen. In das evakuierte Gefäß wird ein nicht oxidierendes Gas wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff und ein Edelgas eingelassen. Dieses dient dazu, die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes vor Oxidation zu schützen und ihn bei konstanter Temperatur zu halten. Gleichzeitig wird der Behandlungsgegenstand auf die Nitridiertemperatur erwärmt. Dies geschieht durch Entladungsreaktionen oder mit einer Heizvorrichtung, die in dem Gefäß oder um das Gefäß herum angeordnet ist. Der Aufheizvorgang durch Entladen kann bewirkt werden durch Gleichstrom-Glühentladung oder Hochfrequenz-Wechselstrom-Glühentladung.
Die erstgenannte Technik ist bevorzugt wergen der niedrigen Kosten und einer hohen Aufheizkapazität. Außerdem weist sie Vorteile insofern auf, als der Behandlungsgegenstand bei minimaler Schädigung des Gegenstandes durch ein Beschießen mit Ionen und Ionisieren des Gases in dem Gefäß aufgeheizt wird. Dies führt dazu, daß beschleunigte Teilchen mit der Oberfläche des Behandlungsgegenstandes kollidieren und ihn dadurch von organischen Substanzen wie beispielsweise Nitrid, Öl usw. reinigen.
Während des Aufheizschrittes sollte das geschlossene Gefäß bei einem Druck von 10&supmin;³ bis 10 Torr gehalten werden. Für die Gleichstrom-Glühentladung ist der gewünschte Druck 10&supmin;² bis 10 Torr, und für eine Wechselstrom-Glühentladung ist der gewünschte Druck 10&supmin;³ bis 10 Torr. Unter Drucken außerhalb dieses Bereichs ist die Entladung nicht stabil.
Danach wird das geschlossene Gefäß mit einer Gasmischung gefüllt, die aus einem Edelgas und 5 bis 2.000 ppm eines die Oberfläche aufrauhenden Gases besteht. Die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes wird durch Glühentladung oder Ionenstrahl aufgerauht. Der die Oberfläche aufrauhende Schritt soll die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes so modifizieren, daß es möglich wird, daß darauf Aluminiumnitrid leicht und schnell gebildet wird. Das die Oberfläche aufrauhende Gas ist ein Gas, das wenigstens ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält. Es schließt beispielsweise Sauerstoff (O&sub2;), Stickstoff (N&sub2;), Methan (CH&sub4;), Wasser (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO&sub2;), Stickstoffdioxid (NO&sub2;) und Methanol (CH&sub3;OH) ein. Das Edelgas ist ein Gas oder mehr als ein Gas aus der Gruppe Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn).
Das die Oberfläche aufrauhende Gas sollte das Edelgas in einer Menge von 5 bis 2.000 ppm enthalten. Mit einer Edelgas-Menge von weniger als 5 ppm erfolgt das Aufrauhen der Oberfläche langsam, und so ist der nachfolgende Nitridierschritt ebenfalls langsam. Bei einer Menge von mehr als 2.000 ppm erfolgt das Aufrauhen der Oberfläche langsam, und die Oberfläche des Behandlungsgegenstandes wird kontaminiert. Dadurch tritt eine Störung im Zusammenhang mit der folgenden Nitridierreaktion auf. Das die Oberfläche aufrauhende Gas sollte vorzugsweise seine Zusammensetzung während des Schritts des Aufrauhens der Oberfläche konstant behalten. Jedoch kann die Konzentration des Edelgases im Bereich von 5 bis 2.000 ppm schwanken. Die passende Konzentration des Edelgases sollte in geeigneter Weise entsprechend dem Gesamt-Gasdruck und der Entladungsspannung sowie der Schwankung der Werte dieser beiden Variablen gewählt werden. Die oben genannte Gasmischung ermöglicht ein wirksames Aufrauhen der Oberfläche.
Das Aufrauhen der Oberfläche erfolgt üblicherweise durch Gleichstrom-Glühentladung oder Wechselstrom-Glühentladung. Es kann jedoch auch durch Ionenstrahl-Sputtern erfolgen. Die Behandlung durch Gleichstrom-Glühentladung ist wegen ihrer niedrigen Kosten und der guten Reinigungswirkung und Aufheizfähigkeit bevorzugt. Das Aufrauhen der Oberfläche sollte vorzugsweise bei einem Druck von 0,13 bis 667 Pa (10&supmin;³ bis 5 Torr) in dem geschlossenen Gefäß erfolgen. Der bevorzugte Druck liegt bei 1,3 bis 667 Pa (10&supmin;² bis 5 Torr). Bei einer Gleichstrom-Glühentladung und 0,13 bis 133 Pa (10&supmin;³ bis 1 Torr) bei Wechselstrom-Glühentladung. Bei einem Druck außerhalb dieses Bereiches bewirkt die Glühentladung das Aufrauhen der Oberfläche nicht in wirksamer Weise.
Der Übergang vom Aufheizschritt zu dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt kann dadurch erreicht werden, daß man vom Aufheiz-Gas auf das die Oberfläche aufrauhende Gas umstellt, während man den Entladungsvorgang fortsetzt. Alternativ kann dies dadurch erreicht werden, daß man die Zufuhr von Heizgas und das Entladen zur gleichen Zeit stoppt, das Heizgas entfernt, das die Oberfläche aufrauhende Gas bis zu einem vorgeschriebenen Druck zuströmen läßt und den Entladungsvorgang wieder aufnimmt. Sofern erforderlich, kann das Aufrauhen der Oberfläche von einem Erwärmen begleitet sein. Da der Schritt des Aufrauhens der Oberfläche ein Schritt der Vorbehandlung für den Ionen-Nitridierschritt ist, der später beschrieben wird, kann dieser vor dem oben genannten Aufheizschritt durchgeführt werden. Das Aufrauhen der Oberfläche kann durchgeführt werden bei Umgebungstemperatur, die niedriger liegt als die Lösungswärme-Behandlungstemperatur (etwa 550ºC) für Aluminiummaterial. Daher sollte das die Oberfläche aufrauhende Gas vorzugsweise im gasförmigen Zustand bei Temperaturen vorliegen, die niedriger als die genannte Temperatur sind. Das geschlossene Gefäß wird unter Entfernen des die Oberfläche aufrauhenden Gases evakuiert und danach mit einem Nitridiergas befüllt. Der Behandlungsgegenstand wird dem Schritt des Ionennitridierens unter Glühentladung in dem geschlossenen Gefäß unterworfen. Das Gas zum Ionennitridieren ist Stickstoff (N&sub2;), Ammoniak (NH&sub3;) oder eine Gasmischung aus Stickstoff (N&sub2;) und Wasserstoff (H&sub2;). Die Verwendung eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt ist bevorzugt. In hohem Maße reiner Stickstoff bildet Aluminiumnitrid schnell, ohne das geschlossene Gefäß zu korrodieren.
Der Vorgang des Ionennitridierens wird mittels Gleichstrom- oder Wechselstrom- Glühentladung bewirkt. Das Ionennitridieren sollte bei einem Druck von 13,3 bis 2.670 Pa (10&supmin;² bis 20 Torr) in dem geschlossenen Gefäß durchgeführt werden. Bei einem Druck unterhalb dieses Bereichs ist die Nitridiergeschwindigkeit (oder die Bildung einer Aluminiumnitrid-Schicht) langsam. Bei einem Druck, der höher als dieser Bereich liegt, ist die Entladung instabil aufgrund des Auftretens von Lichtbögen. Der Ionen-Nitridierschritt sollte bei 300 bis 550ºC durchgeführt werden. Bei einer Temperatur, die unter 300ºC liegt, ist die Nitridierung langsam. Bei einer Temperatur, die höher als 550ºC liegt, kann der Behandlungsgegenstand schmelzen. Dies führt zu einer Größenänderung und zu Spannungen, die ihrerseits dazu führen, daß bewirkt wird, daß sich die Aluminiumnitrid-Schicht leicht in dem nachfolgenden Abkühlschritt abschält. Die bevorzugte Temperatur liegt bei 400 bis 520ºC.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ein Gegenstand aus Aluminiummaterial wurde dem Vorgang des Ionennitridierens unter Bildung einer Aluminiumnitrid-Schicht auf diesem Gegenstand unterworfen, und der Gegenstand wurde hinsichtlich seiner Leistungskennwerte getestet. Der Vorgang des Ionennitridierens wurde in der Weise durchgeführt, daß man eine Vorrichtung zum Ionennitridieren, wie sie in der Figur gezeigt ist, in der folgenden Weise betrieb:
Zwei Behandlungsgegenstände 3 wurden auf dem Halter 2, der im Zentrum des geschlossenen Gefäßes aus nicht rostendem Stahl installiert war, angeordnet. Der als Probe Nummer 1 bezeichnete Gegenstand war ein zylindrischer Block mit 20 mm Außendurchmesser und 10 mm Dicke, der aus industriell reinem Aluminium (JIS 1050; Reinheit höher als 99,5%) hergestellt war. Der Halter 2 war durch einen Fuß 4 getragen, in den eine Wasserleitung 5 zum Kühlen eingeschlossen war. Das geschlossene Gefäß war mit einem Quecksilbermanometer 6 versehen.
Das geschlossene Gefäß 1 wurde auf einen Druck von 0,0013 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) mittels einer Vakuumpumpe 8, die aus einer (nicht gezeigten) Rotationspumpe und einer Diffusionspumpe bestand, durch eine Gasabfuhrleitung 7 evakuiert, die mit dem Boden des geschlossenen Gefäßes 1 verbunden war. Das geschlossene Gefäß 1 war mit (nicht gezeigten) Gaszylindern mit hochreinem Stickstoff, hochreinem Argon, hochreinein Wasserstoff und Argon verbunden, das die vorgeschriebenen Mengen an Sauerstoff, Stickstoff und Methan enthielt. Die Verbindung erfolgte über eine Gaszufuhrieitung 11, die mit dem Boden des geschlossenen Gefäßes 1 verbunden war.
Nachdem man auf einen Druck von 0,0013 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) evakuiert hatte, wurde das geschlossene Gefäß kontinuierlich mit Wasserstoff (als Heizgas) beschickt. Der Druck in dem geschlossenen Gefäß wurde bei 173 Pa (1,3 Torr) durch Anwendung von geregeltem Vakuum gehalten. Die Probe wurde einem Ionenbeschuß durch Entladungen unterworfen, die durch die Anwendung von Gleichstrom-Spannung (einige 100 Volt) über eine Anode 12 aus nicht rostendem Stahl (innerhalb der Vorheiz-Vorrichtung 10) und eine Kathode (den Halter 2) induziert waren, bis ihre Oberfläche eine Temperatur von 500ºC erreichte. Die Gleichstrom-Energie wurde aus einer Energiequelle 13 bereitgestellt, die durch die Signale aus einem Zwei-Farben-Pyrometer 14 zur Messung der Temperatur der Probe in dem geschlossenen Gefäß geregelt war. Auf diesem Wege wurde die Probe bei einer konstanten Temperatur gehalten.
Die Zufuhr von Wasserstoff wurde unterbrochen, und das geschlossene Gefäß wurde mit einem die Oberfläche aufrauhenden Gas bei einem Druck von 80 Pa (0,6 Torr) beschickt. Das die Oberfläche aufrauhende Gas war eine Gasmischung, die aus Argon und einer vorgeschriebenen Menge eines Additivgases bestand, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Unter Halten des Drucks in dem geschlossenen Gefäß bei 80 Pa (0,6 Torr) wurde die Probe einer Glühentladung bei 500ºC 20 Minuten lang unterworfen, um ein Aufrauhen der Oberfläche zu bewirken.
Das die Oberfläche aufrauhende Gas wurde ausgewechselt, und Stickstoff (als Nitridiergas) wurde eingeführt. Unter Halten des Drucks in dem geschlossenen Gefäß bei 267 Pa (2 Torr) wurde die Probe unter Glühentladung bei 500ºC für eine Zeit von 5 h dem Vorgang des Ionennitridierens unterworfen.
Nachdem der Schritt des Ionennitridierens zum Abschluß gekommen war, wurde die Glühentladung unterbrochen, und die Probe wurde unter verringertem Druck in dem geschlossenen Gefäß abgekühlt. Es wurde gefunden, daß sich auf der Oberfläche der Probe eine schwarze Schicht gebildet hatte.
Die schwarze Schicht auf der Oberfläche der Probe wurde als Aluminiumnitrid (AlN) des Wurtzit-Typs durch Röntgenstrahl-Beugungsmessung (X-ray diffractometry) identifiziert. Man fand, daß die schwarze Schicht auf jeder Probe eine Dicke hatte, wie sie in Tabelle 1 gezeigt ist.
Zu Vergleichszwecken wurde dasselbe Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, wiederholt, mit der Ausnahme, daß das die Oberfläche aufrauhende Gas durch reines Argongas ersetzt wurde (Probe Nr. C1). Alternativ dazu wurde das die Oberfläche aufrauhende Gas durch ein Gas ersetzt, das das Additiv-Gas in Konzentrationen enthielt, die außerhalb des Bereichs lagen, der durch die vorliegende Erfindung speziell angegeben wurde (Proben Nr.. C2 bis C7). Es wurde gefunden, daß sich auf der Oberfläche der Probe eine schwärzliche dünne Schicht gebildet hatte. Sie wurde als Aluminiumnitrid (AlN) des Wurtzit-Typs durch Röntgenstrahl-Beugungsmessung (X-ray diffractometry) identifiziert. Es wurde gefunden, daß die Schicht eine Dicke aufwies, wie sie in Tabelle 2 gezeigt ist.
Aus den in Tabelle 1 und 2 gezeigten Ergebnissen ist anzumerken, daß eine Nitridschicht, die dicker war als 1 um, auf allen Proben (Nummern 1 bis 15) in dem Fall gebildet worden war, in dem das Aufrauhen der Oberfläche bei 500ºC für eine Zeit von 20 Minuten mit einem die Oberfläche aufrauhenden Gas durchgeführt worden war, das das Additivgas in einer Menge von 5 bis 2.000 ppm enthielt, wie es erfindungsgemäß ist. Es ist auch anzumerken, daß eine dicke Nitridschicht gebildet wurde, wenn das Additivgas in einer speziellen Menge verwendet wurde. Mit anderen Worten: Die Dicke war größer als 4 um, wenn das Additivgas Stickstoff in einer Menge von 55 bis 600 ppm war. Die Dicke war größer als 3 um, wenn das Additivgas Sauerstoff in einer Menge von 25 bis 500 ppm war. Die Dicke war größer als 3 um, wenn das Additivgas Methan in einer Menge von 65 bis 710 ppm war. Die Maximaldicke wurde erhalten, wenn die Konzentration des Additivgases einige 100 ppm betrug.
Im Gegensatz dazu war die Nitridschicht dünner als 0,1 um in dem Vergleichsbeispiel Nr. C1 (Behandlung mit reinem Argongas als die Oberfläche aufrauhendes Gas) sowie bei den Vergleichsproben Nr. C2 bis C7 (behandelt mit dem die Oberfläche aufrauhenden Gas, das das Additivgas in einer Menge enthielt, die nicht mit der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung steht). Im Fall der Vergleichsprobe Nr. C1 wurde eine Nitridschicht mit einer Dicke über etwa 5 um erhalten, wenn die Dauer des Aufrauhens der Oberfläche auf 60 Minuten ausgedehnt wurde. Im Fall der Probe C5, bei der die Konzentration des Additivgases höher war als sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung speziell angegeben wird, war die Nitridschicht dünner als 0,1 um selbst dann, wenn das Aufrauhen der Oberfläche für etwa 60 Minuten fortgesetzt wurde.
Der Grund dafür ist wahrscheinlich das verschlechterte Aufrauhen der Oberfläche sowie die exzessive Oxidation der Oberfläche, die die Nitridierreaktion inhibiert.
Die Ergebnisse in diesem Beispiel zeigen an, daß der bevorzugte Bereich des Additivgases im Bereich von 25 bis 750 ppm bei beschleunigtem Aufrauhen der Oberfläche und bei einem Minimum an Kontamination der Oberfläche liegt. Die Konzentration an Additivgas sollte in geeigneter Weise geregelt werden, so daß die resultierende Nitridschicht eine maximale Dicke aufweist, da eine dicke Nitridschicht wünschenswert ist, wenn das Behandlungsobjekt als verschleißfestes Teil verwendet wird. Tabelle 1 Die Oberfläche aufrauhendes Gas Ergebnisse Probe Nr. Additivgas Konzentration an Additivgas (ppm) Dicke der Nitridschicht (um) Tabelle 2 Die Oberfläche aufrauhendes Gas Ergebnisse Probe Nr. Additivgas Konzentration an Additivgas (ppm) Dicke der Nitridschicht (um) weniger als 0,1

Beispiel 2

Diesselbe Verfahrensweise wie in Beispiel 1 wurde wiederholt, mit Ausnahme der folgenden Parameter: Das die Oberfläche aufrauhende Gas wurde durch ein Gas ersetzt, das aus Argon und 50 ppm jeweils an Sauerstoff und Stickstoff als Additivgasen bestand. Das geschlossene Gefäß wurde mit diesem die Oberfläche aufrauhenden Gas bei einem Druck von 93 Pa (9,7 Torr) beschickt. Die Probe wurde dem Vorgang des Aufrauhens der Oberfläche unter diesem Druck mittels Glühentladung bei 500ºC für die Zeit von 20 Minuten unterworfen. Die Probe wurde danach dem Nitridierschritt mit hochreinem Stickstoffgas durch Glühentladung unter einem Druck von 267 Pa (2 Torr) bei 525ºC für die Zeit von 2 Stunden unterworfen.
Dadurch wurde eine schwarze Schicht auf der Oberfläche der Probe gebildet. Sie wurde als Aluminiumnitrid des Wurtzit-Typs durch Röntgenstrahl-Beugungsmessung (X-ray diffractometry) identifiziert. Man fand, daß die Schicht eine Dicke von 5 um aufweist. Man fand außerdem, daß die behandelte Probe eine Oberflächenhärte von Hv 1000 kg/mm³ hatte.
Das Ergebnis dieses Beispiels zeigt, daß ein Mischadditivgas aus Sauerstoff und Stickstoff das Aufrauhen der Oberfläche ebenfalls in kurzer Zeit bewirkt. Dies ermöglicht die Bildung einer Aluminiumnitrid-Schicht auf der Probe.

Claims

1. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials, das die Schritte umfaßt, daß man

- einen Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Behandlung in ein geschlossenes Gefäß legt;

- Rest-Sauerstoffgas aus dem geschlossenen Gefäß durch Evakuieren entfernt;

- das geschlossene Gefäß mit einem nicht oxidierenden Heizgas, das keinen Stickstoff enthält, beschickt und Entladungen in dem geschlossenen Gefäß induziert und dadurch die Oberfläche des Gegenstandes zur Behandlung auf eine vorgeschriebene Nitridiertemperatur erhitzt;

- das geschlossene Gefäß mit einem die Oberfläche aufrauhenden Gas, das aus einem Edelgas und 5 bis 2.000 ppm eines Gases besteht, das wenigstens ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält, beschickt und die Oberfläche des Gegenstandes zur Behandlung mittels Glühentladungen oder Ionenstrahlen in der Atmosphäre des die Oberfläche aufrauhenden Gases aufrauht; und

- das geschlossene Gefäß mit einem nitridierenden Gas beschickt und gleichzeitig Glühentladungen in dem geschlossenen Gefäß induziert und dadurch eine Nitridschicht auf der Oberfläche des Behandlungsgegenstandes bildet.

2. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 1, worin das in dem Ionennitridier-Schritt verwendete nitridierende Gas Stickstoffgas, Ammoniakgas oder eine Mischung daraus mit Wasserstoffgas und Edelgas ist.

3. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 1 oder 2, worin der Ionennitridier-Schritt bei 300 ºC bis 550 ºC durchgeführt wird.

4. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das die Oberfläche aufrauhende Gas aus einem Edelgas und wenigstens einem Gas besteht, das gewählt ist aus der aus Sauerstoff, Stickstoff, Methan, Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid und Methanol bestehenden Gruppe.

5. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Konzentration des Gases, das wenigstens eines der Elemente Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält, in einer Atmosphäre des geschlossenen Gefäßes im Bereich von 20 bis 800 ppm liegt.

6. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 5, worin das in dem Ionennitridier-Schritt verwendete nitridierende Gas Stickstoffgas, Ammoniakgas oder eine Mischung daraus mit Wasserstoffgas und Edelgas ist und der Ionennitridier-Schritt bei 300 ºC bis 550 ºC durchgeführt wird.

7. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 6, worin das geschlossene Gefäß in dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt mit einer Gasmischung gefüllt wird, die aus Argongas und 50 bis 650 ppm Stickstoffgas besteht.

8. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 6, worin das geschlossene Gefäß in dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt mit einer Gasmischung gefüllt wird, die aus Argongas und 25 bis 500 ppm Sauerstoffgas besteht.

9. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 6, worin das geschlossene Gefäß in dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt mit einer Gasmischung gefüllt wird, die aus Argongas und 50 bis 750 ppm Methangas besteht.

10. Verfahren zum Ionennitridieren eines Aluminiummaterials nach Anspruch 6, worin das geschlossene Gefäß in dem die Oberfläche aufrauhenden Schritt mit einer Gasmischung gefüllt wird, die aus Argongas, Stickstoffgas und Sauerstoffgas besteht.