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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Element, das durch
Beschichten eines Basismaterials wie z.B. von Eisenmaterialien und
Stählen
mit einem harten Film gebildet wird und das bezüglich der Bindungsfestigkeit
des Basismaterials und des Beschichtungsfilms verbessert ist, sowie
ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Elements.
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Ein
beschichtetes Element, das durch Bilden eines metallischen Films,
eines keramischen Films, eines Films auf Kohlenstoffbasis oder dergleichen
mit einer Dicke von mehreren Mikrometern bis mehreren zehn Mikrometern
auf einer Oberfläche
von Eisenmaterialien, Stählen
oder dergleichen durch eine physikalische Dampfabscheidung (PVD)
oder eine chemische Dampfabscheidung (CVD) gebildet wird, und welches
das Basismaterial und den Beschichtungsfilm, der eine berfläche dieses
Basismaterials bedeckt, umfasst, wird verbreitet verwendet. Die
Bindungsfestigkeit des Basismaterials und des Beschichtungsfilms,
welche dieses beschichtete Element bilden, stellt ein Problem dar
und in manchen Fällen
wird der Film abgelöst.
Beispielsweise ist bei einem Einsatz von PVD und beim Aufbringen
eines harten Films auf ein Basismaterial, das eine niedrige Temperatur
von 600°C
oder weniger aufweist, die Bindungsfestigkeit des Basismaterials
und des Beschichtungsfilms aufgrund der niedrigen Temperatur gering
und der Film wird häufig
abgelöst.
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In
einem solchen Fall wurden als Mittel zur Erhöhung der Bindungsfestigkeit
des Basismaterials und des Beschichtungsfilms bisher ein Verfahren
des Reinigens einer Basismaterialoberfläche durch Sputtern der Basismaterialoberfläche, ein
Verfahren des Aufrauhens einer Basismaterialoberfläche durch
Abstrahlen der Basismaterialoberfläche, usw., eingesetzt.
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Bei
der Verwendung eines beschichteten Elements als gleitendes Element
ist es wichtig, dass dessen Beschichtungsfilm glatt ist und die
Bindungsfestigkeit des Beschichtungsfilms und eines Basismaterials
hoch ist. Wenn der Beschichtungsfilm nicht glatt ist, ist die Fressbeständigkeit
gering und die Tendenz zum Angreifen eines dazu passenden Elements
nimmt zu. Wenn die Bindungsfestigkeit des Beschichtungsfilms und
des Basismaterials unzureichend ist, wird der Film abgelöst und das
beschichtete Element kann nicht als gleitendes Element verwendet
werden.
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Bei
dem Sputterverfahren ist es häufig
so, dass eine gewünschte
Bindungsfestigkeit im Fall des Aufbringens eines Films bei niedriger
Temperatur nicht erhalten wird, obwohl organische Verschmutzungen
und xide von der Oberfläche
entfernt werden können.
Bei dem Abstrahl verfahren wird die Basismaterialoberfläche stark
zu einer ungleichmäßigen Oberfläche mit
Vorsprüngen
und Vertiefungen von minimal etwa mehreren Mikrometern aufgerauht,
so dass ein glatter Film nicht erhalten werden kann. Somit verschlechtert
sich die Oberflächenrauhigkeit
eines danach ausgebildeten harten Films. Wenn das beschichtete Element
beispielsweise als gleitendes Element verwendet wird, schleift das
beschichtete Element ein dazu passendes Element ab und gewünschte Gleiteigenschaften
können
nicht erhalten werden. Wenn demgemäß das beschichtete Element z.B.
als gleitendes Element verwendet wird, das eine glatte Oberfläche aufweisen
soll, ist manchmal ein Polieren des harten Films erforderlich.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein beschichtetes Element,
das frei von diesen Problemen ist, eine hohe Bindungsfestigkeit
eines Basismaterials und eines Beschichtungsfilms und eine glatte Oberfläche aufweist,
sowie ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Elements bereitzustellen.
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EP 0 408 205 A1 bezieht
sich auf die Haftung von Metall an Polyimidsubstraten. Auf mindestens
einer Oberfläche
des Polyimids ist ein dünner
Film eines Metalls, wie z.B. Kupfer, abgeschieden. Das Polyimidsubstrat
wird an der Luft erhitzt, um eine Texturierung der Oberfläche durch
das abgeschiedene Metall durch die Erzeugung von Rauhigkeitsspitzen
zu verursachen, die eine durchschnittliche Höhe und eine durchschnittliche Breite
von mindestens 0,05 μm
aufweisen. Der resultierende Verbund widersteht selbst bei Löttemperaturen einer
Delaminierung.
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JP 08311652 A beschreibt
die Beschichtung eines zementierten Karbidsubstrats, das vor der
Abscheidung einer Beschichtung einer Läppbehandlung mit Diamantschleifkörnern unterworfen
wird.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden und bestätigt, dass
es dadurch, dass eine Basismaterialoberfläche, die mit einem Beschichtungsfilm
bedeckt werden soll, in eine ungleichmäßige Oberfläche mit Vorsprüngen mit
einer vorgegebenen, extrem geringen Höhe und einer vorgegebenen Breite
umgewandelt wird, möglich
wird, ein beschichtetes Element zu erhalten, das eine hohe Bindungsfestigkeit
des Basismaterials und des Beschichtungsfilms und eine glatte Oberfläche aufweist.
Die Erfinder haben auf diese Weise die Erfindung gemacht.
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Das
erfindungsgemäße beschichtete
Element ist ein beschichtetes Element, das ein metallisches Basismaterial
und einen Beschichtungsfilm umfasst, der eine Oberfläche des
Basismaterials bedeckt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Basismaterialoberfläche,
die mit dem Beschichtungsfilm bedeckt ist, eine ungleichmäßige Oberfläche ist,
die Vorsprünge
mit einer durchschnittlichen Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm und einer durchschnittlichen Breite
von nicht mehr als 300 nm aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Erzeugen eines beschichteten Elements ist dadurch gekennzeichnet,
dass es einen ersten Schritt des Ausbildens von Vorsprüngen mit
einer durchschnittlichen Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm und einer durchschnittlichen Breite
von nicht mehr als 300 nm auf einer zu beschichtenden metallischen
Oberfläche
eines Basismaterials durch Ionenbeaufschlagen im Voraus, so dass
die Basismaterialoberfläche
zu einer ungleichmäßigen Oberfläche geformt
wird, und einen zweiten Schritt des Ausbildens eines Beschichtungsfilms
auf der ungleichmäßigen Oberfläche umfasst.
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Da
eine Grenzfläche
zwischen dem Basismaterial und dem Beschichtungsfilm aus ungleichmäßigen Oberflächen mit
Vorsprüngen
mit einer vorgegebenen Höhe
und Breite ausgebildet ist, ist die Bindung zwischen diesen stark
und ein beschichtetes Element mit einer verbesserten Integrität wird erhalten.
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Das
erfindungsgemäße beschichtete
Element umfasst ein Basismaterial und einen Beschichtungsfilm. Das
Basismaterial bildet verschiedene Komponenten oder Teile einer Vorrichtung,
wie z.B. eines Substrats, eines gleitenden Elements und eines Strukturelements,
und ist aus Metall ausgebildet. Andererseits soll der Beschichtungsfilm
mindestens einen Teil einer Oberfläche dieses Basismaterials bedecken
und zu Funktionen wie z.B. einer Korrosionsbeständigkeit, einer Abriebbeständigkeit
und einer Dekoration der Oberfläche
beitragen. Der Beschichtungsfilm ist ein metallischer Film, ein
keramischer Film oder ein Film auf Kohlenstoffbasis, der durch verschiedene
Aufbringverfahren gebildet wird.
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Beispiele
für das
Metall, welches das Basismaterial bildet, sind Metalle auf Eisenbasis,
wie z.B. Stähle, Metalle
wie z.B. Titan, Aluminium, Kupfer und Magnesium, und Legierungen
dieser Metalle. Beispiele für
einen metallischen Film, der den Beschichtungsfilm bildet, sind
Chrom, Nickel, Wolfram und dergleichen. Beispiele für einen
keramischen Film sind ein Nitridfilm, ein Karbidfilm und ein Oxidfilm,
der eines der Elemente in Gruppe IV bis Gruppe VI des Periodensystems
oder Verbundelemente, die eines dieser Elemente enthalten, umfasst.
Beispiele für
einen Film auf Kohlenstoffbasis sind diamantartiger Kohlenstoff
(DLC) und Diamant.
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Die
Basismaterialoberfläche,
die mit dem Beschichtungsfilm bedeckt bzw. beschichtet werden soll,
ist eine ungleichmäßige Oberfläche mit
Vorsprüngen
mit einer durchschnittlichen Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm und einer durchschnittlichen Breite
von nicht mehr als 300 nm. Die Vorsprünge weisen eine halbkugelförmige Form
auf. Es sollte beachtet werden, dass die Höhe eines Vorsprungs für den Abstand
von der Basis zur Spitze dieses halbkugelförmigen Vorsprungs steht und
dass die Breite eines Vorsprungs für einen horizontalen Abstand
steht, welcher der maximalen Länge
der Basis des halbkugelförmigen
Vorsprungs entspricht (ein Durchmesser in dem Fall, bei dem die
Basisform des Vorsprungs ein Kreis ist, und eine Hauptachsenlänge in dem
Fall, bei dem die Basisform des Vorsprungs eine Ellipse ist).
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Der
Grund dafür,
warum die durchschnittliche Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm liegen sollte, liegt darin, dass dann,
wenn die durchschnittliche Höhe
weniger als 10 nm beträgt,
ein mechanischer Verankerungseffekt nicht erhalten werden kann und
die Bindungsfestigkeit unzureichend wird, und dass andererseits dann,
wenn der durchschnittliche Durchmesser 100 nm übersteigt, ein glatter Film
nicht erhalten werden kann. Es ist mehr bevorzugt, dass die durchschnittliche
Höhe im
Bereich von 20 bis 70 nm liegt. In diesem Bereich wird die Bindungsfestigkeit
weiter verbessert.
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Der
Grund dafür,
warum die durchschnittliche Breite nicht mehr als 300 nm betragen
sollte, liegt darin, dass dann, wenn die durchschnittliche Breite
300 nm übersteigt,
ein Verankerungseffekt nicht erhalten werden kann und die Bindungsfestigkeit
abnimmt. Es sollte beachtet werden, dass die Größe der Vorsprünge nicht
mit einem herkömmlichen
Oberflächenrauhigkeitstestgerät (Tracerverfahren)
gemessen werden kann. Aus diesem Grund wird die Größe und die
Breite der Vorsprünge
hier mit Mikroformmessverfahren gemessen, wie z.B. mit einer Rasterelektronenmikroskop-Untersuchung
(SEM-Untersuchung) und mit AFM.
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Wenn
die Flächen
der Vorsprünge
zu klein sind, kann trotz einer vorgegebenen Größe der Vorsprünge kein
Effekt auf die Bindungsfestigkeit des Films erhalten werden. Das
Verhältnis
der Flächen
der Vorsprünge zu
der Gesamtfläche
einer ungleichmäßigen Oberfläche beträgt vorzugsweise
nicht mehr als 30%, wenn die Gesamtfläche der ungleichmäßigen Oberfläche als
100% angenommen wird. Wenn die Flächen der Vorsprünge 30%
oder mehr betragen, ist die Bindungsfestigkeit des Films hoch.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Erzeugen eines beschichteten Elements umfasst einen ersten Schritt,
bei dem eine Basismaterialoberfläche
in eine ungleichmäßige Oberfläche umgewandelt
wird, und einen zweiten Schritt, bei dem ein Beschichtungsfilm auf
dieser ungleichmäßigen Oberfläche ausgebildet
wird.
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Als
Verfahren zur Bildung einer ungleichmäßigen Oberfläche im ersten
Schritt kann das Ionenbeaufschlagungsverfahren eingesetzt werden.
Durch dieses Ionenbeaufschlagungsverfahren werden auf einer zu beschichtenden
Basismaterialoberfläche
Vorsprünge
mit einer durchschnittlichen Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm und einer durchschnittlichen Breite
von nicht mehr als 300 nm ausgebildet, so dass die Basismaterialoberfläche in eine
ungleichmäßige Oberfläche umgewandelt
wird.
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Zum
Ionenbeaufschlagen wird ein zu behandelndes Basismaterial in einer
luftdichten Kammer angeordnet und der Druck in der luftdichten Kammer
wird auf etwa 10–3 bis 20 Torr eingestellt.
Wenn der Druck weniger als 10–3 Torr beträgt, kann
das zu behandelnde Material nicht ausreichend erhitzt werden. Wenn
der Druck mehr als 20 Torr beträgt,
kann das zu behandelnde Material erhitzt werden, jedoch keine ultrafeine
Ungleichmäßigkeit
erreichen.
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Als
nächstes
wird ein Vorbehandlungsgas für
die ultrafeine Ungleichmäßigkeit
in die Kammer eingeführt.
Dieses Vorbehandlungsgas für
die ultrafeine Ungleichmäßigkeit
kann ein oder mehrere Edelgas(e) von Helium, Neon, Argon, Krypton,
Xenon und Radon sein. Ferner kann im Fall eines Basismaterials auf
Eisenbasis das Zusetzen von Wasserstoff zu dem Vorbehandlungsgas
für die
ultrafeine Ungleichmäßigkeit
eine Oxidation der zu behandelnden Materialoberfläche verhindern.
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Das
Ionenbeaufschlagen wird unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Als
Mittel zur Bereitstellung eines Ionenbeaufschlagens kann eine Glühentladung
oder ein Ionenstrahl verwendet werden. Wenn das Ionenbeaufschlagen
mit einer Entladungsspannung von 200 bis 1000 V, einem elektrischen
Strom von 0,5 bis 3,0 A und einer Behandlungszeit von 30 bis 60
min durchgeführt
wird, kann eine einheitliche ultrafeine Ungleichmäßigkeit
in einer Nano-Größenordnung
gebildet werden. Wenn das zu behandelnde Material auf eine Temperatur
erhitzt wird, bei der die Härte
nicht vermindert wird (mindestens 200°C sind erforderlich), während das
Ionenbeaufschlagen durchgeführt
wird, kann eine einheitlichere und stärker ultrafeine Ungleichmäßigkeit in
einer Nano-Größenordnung
erhalten werden.
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In
dem Fall eines Materials auf Eisenbasis ist es besser, vor dem Ionenbeaufschlagen
eine Nitrierungsschicht, eine Aufkohlungsschicht oder eine Weichnitrierungsschicht
auf einer Oberfläche
des zu behandelnden Materials zu bilden, und zwar durch die Durchführung jedweder
von einer gewöhnlichen
Gasnitrierungsbehandlung, einer Aufkohlbehandlung und einer Gas-Weichnitrierungsbehandlung.
Die Bildung der Nitrierungsschicht, der Aufkohlungsschicht oder
der Weichnitrierungsschicht macht es einfach, durch das Ionenbeaufschlagungsvertahren
eine sehr einheitliche und ultrafeine Ungleichmäßigkeit in einer Nano-Größenordnung
zu bilden. Es sollte beachtet werden, dass die Ungleichmäßigkeit
durch Ionenbeaufschlagen nach der Bildung der Nitrierungsschicht,
der Aufkohlungsschicht oder der Weichnitrierungsschicht in einer
Ionenbeaufschlagungsvorrichtung gebildet werden kann.
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Bezüglich des
Verfahrens zur Bildung eines Beschichtungsfilms in dem zweiten Schritt
kann der Beschichtungsfilm durch Ionenplattieren (ein Lichtbogenverfahren,
ein Hohlkathodenverfahren, usw.), Sputtern, Vakuumabscheiden, Plasma-CVD,
usw., gebildet werden. Da die Basismaterialoberfläche eine
ungleichmäßige Oberfläche ist,
haftet der so gebildete Beschichtungsfilm fest an der Oberfläche. Ferner
weist der erhaltene Beschichtungsfilm eine glatte Oberfläche mit
einer geringen Ungleichmäßigkeit
auf. Bei der CVD wird, da die Behandlung bei hohen Temperaturen
durchgeführt
wird, eine relativ gute Bindungsfestigkeit erreicht, ohne eine mikrofeine
Ungleichmäßigkeit
in dem ersten Schritt der vorliegenden Erfindung zu bilden. Daher
weist die Bildung einer ultrafeinen Ungleichmäßigkeit in dem ersten Schritt
nur einen geringen Effekt auf.
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Nachdem
der zweite Schritt durchgeführt
und ein Beschichtungsfilm gebildet worden ist, muss keine Nachbehandlung,
wie z.B. ein Polieren oder Läppen
des gebildeten Beschichtungsfilms durchgeführt werden. Die geeignete Durchführung des
ersten Schritts und des zweiten Schritts der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
die Bildung eines glatten Beschichtungsfilms, der kein Polieren
oder Läppen
erfordert.
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Das
erfindungsgemäße beschichtete
Element kann als gleitendes Element verwendet werden, das abriebbeständig sein
soll. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße beschichtete Element für Maschinenteile in
einer gleitenden Bewegung verwendet werden, z.B. für gleitende
Abschnitte von Motorenteilen (Kolben, Kolbenringe, Ventilschaft,
usw.), Kompressorenteile (Schaufelräder, Gleitkörper, usw.), einer Kraftstoffeinspritzpumpe
(ein Rotor, ein Kolben, usw.).
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In
dem erfindungsgemäßen beschichteten
Element ist die Grenzfläche
zwischen dem Basismaterial und dem Beschichtungsfilm eine ungleichmäßige Oberfläche mit
Vorsprüngen
mit einer durchschnittlichen Höhe
im Bereich von 10 bis 100 nm und einer durchschnittlichen Breite
von nicht mehr als 300 nm. Aufgrund dieser Mikroungleichmäßigkeit
der Grenzfläche
nimmt die Bindungsfläche
zu. Als Reaktion auf diese Zunahme der Bindungsfläche nimmt
die Bindungsfestigkeit zu. Darüber
hinaus wird ein fester Beschichtungsfilm gebildet, da die Basismaterialoberfläche durch
die Bildung dieser ungleichmäßigen Oberfläche gereinigt
und aktiviert worden ist. Darüber
hinaus werden aufgrund des mechanischen Verankerungsef fekts von
Vertiefungen, die an der Grenzfläche
von Vorsprüngen
ausgebildet sind, das Basismaterial und der Beschichtungsfilm mechanisch
kombiniert, so dass eine festere Bindung erhalten werden kann.
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Da
ferner die Ungleichmäßigkeit
der ungleichmäßigen Oberfläche des
Basismaterials mit 10 bis 100 nm ultrafein ist, wird die Ungleichmäßigkeit
des Basismaterials nicht auf einer Beschichtungsfilmoberfläche wiedergegeben,
und demgemäß ist die
Beschichtungsfilmoberfläche
glatt.
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Es
sollte beachtet werden, dass durch die Bildung einer Nitrierungsschicht,
einer Aufkohlungsschicht oder einer Weichnitrierungsschicht auf
der Basismaterialoberfläche
im Voraus die Bildung von Vorsprüngen durch
Ionenbeaufschlagen einfach wird, die Vorsprünge stärker ultrafein werden und die
Fläche,
die von den Vorsprüngen
pro Einheitsfläche
eingenommen wird, größer wird.
Dies führt
zu einer starken Zunahme der Kontaktfläche des Basismaterials und
des Bedeckungsfilms, so dass die Bindungsfestigkeit weiter verbessert
wird.
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1 ist
eine SEM-Photographie, die den Zustand von Vorsprüngen auf
dem Prüfkörper Nr.
11 der bevorzugten Ausführungsformen
zeigt, die durch Ionenbeaufschlagen erhalten worden sind.
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2 ist
eine SEM-Photographie, die den Zustand von Vorsprüngen auf
dem Prüfkörper Nr.
12 der bevorzugten Ausführungsformen
zeigt, die durch Ionenbeaufschlagen erhalten worden sind.
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In
dem folgenden Experiment wurde der Nitrierungsstahl SACM645 als
Basismaterial verwendet und zu Prüfkörpern mit den Abmessungen 50 × 10 × 7 mm ausgebildet.
Das Basismaterial wies eine Oberflächenrauhigkeit von Rz 0,1 μm auf.
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Untersuchung
der Bedingungen zur Bildung von Ungleichmäßigkeiten
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Es
wurde eine Untersuchung bezüglich
der Bedingungen zur Bildung von Ungleichmäßigkeiten auf einer Basismaterialoberfläche durchgeführt. Der
vorstehend genannte Nitrierungsstahl wurde als Basismaterial verwendet
und eine Gasnitrierungsbehandlung in NH3-Gas
bei 520°C
für 35
Stunden wurde angewandt, wodurch auf der Basismaterialoberfläche eine
Nitrierungsdiffusionsschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 mm gebildet
wurde. Dann wurde die Basismaterialoberfläche so poliert, dass sie eine
Oberflächenrauhigkeit
von Rz 0,1 μm
aufwies.
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Als
Gas für
die Ionenbeaufschlagungsbehandlung zur Bildung einer Ungleichmäßigkeit
wurde Argongas verwendet und Wasserstoff wurde als oxidationsverhinderndes
Gas zugesetzt. Der Gasdruck betrug 4 Torr und die Spannung und der
elektrische Strom betrugen 100 V und 0,4 A und 200 V und 0,8 A.
Die Behandlungszeit betrug 0, 5 und 50 min. Diese Ionenbeaufschlagungsbehandlung
erzeugte Vorsprünge,
die in der Tabelle 1 beschrieben sind. Es sollte beachtet werden,
dass die Oberflächenrauhigkeit
von Rz 0,1 μm
selbst nach der Ionenbeaufschlagungsbehandlung beibehalten wurde.
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Danach
wurde mittels Plasma-CVD ein harter Film aus DLC-Si (Silizium-enthaltender
diamantartiger Kohlenstoff) auf der Basismaterialoberfläche ausgebildet.
Der harte Film wies eine Dicke von 3 μm auf.
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Die
Bindungsfestigkeit des erhaltenen harten Films wurde mit einem Eindrucktest
und einem Kratztest bewertet. Der Eindrucktest diente zur Bewertung
der Bindungsfestigkeit des harten Films durch Drücken eines Rockwell C-Skala-Eindruckkörpers gegen
den Film mit einem Druck von 150 kg und Untersuchen, ob der Film um
einen eingedrückten
Abschnitt abgelöst
worden ist oder nicht. Der Kratztest dient zum Verkratzen einer Oberfläche mit
einem konischen Diamanten, der einen vertikalen Winkel von 120°C und einen
Punkt mit einem Radius von 0,2 mm aufweist, mit einer gegebenen
Belastung. Die Belastung zu dem Zeitpunkt, bei dem der Film abgelöst wird,
wird als kritische Belastung bezeichnet, und die Bindungsfestigkeit
des harten Films wird durch den Wert dieser kritischen Belastung
bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
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Wie
es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, konnte mit einer durchschnittlichen
Höhe der
Vorsprünge
von 5 nm keine ausreichende Bindungsfestigkeit erhalten werden.
Es ist klar, das eine Ionenbeaufschlagungsbehandlung mit einer Spannung
von 200 V, einem elektrischen Strom von 0,8 A und einer Behandlungszeit
von 40 min als Bedingungen zur Bildung einer Ungleichmäßigkeit
erforderlich war.
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Untersuchung der Basismaterialoberflächenhärtungsbedingungen,
welche die Bildung der Ungleichmäßigkeit beeinflussen
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Vorsprünge wurden
unter den gleichen Ionenbeaufschlagungsbedingungen gebildet, wie
sie zur Bildung der Ungleichmäßigkeit
auf dem Prüfkörper Nr.
3 in der Tabelle 1 eingesetzt wurden, und zwar unter Verwendung
von drei Arten von Prüfkörpern: Einem
Prüfkörper, der
keiner Härtungsbehandlung
unterzogen wurde, einem Prüfkörper, welcher
der gleichen Nitrierungsbehandlung wie die Prüfkörper in der Tabelle 1 unterzogen
wurde, und einem Prüfkörper, der
einer Aufkohlungsbehandlung unterzogen wurde. Dann wurde auf jeder Basismaterialoberfläche ein
harter DLC-Si-Film mit einer Dicke von 3 μm mit der gleichen Plasma-CVD
ausgebildet, wie sie für
die Prüfkörper in
der Tabelle 1 verwendet worden ist. Danach wurde die Bindungsfestigkeit jedes
erhaltenen harten Films durch einen Eindrucktest und einen Kratztest
in der gleichen Weise wie bei den Filmen der Prüfkörper in der Tabelle 1 bewertet.
Die Ergebnisse sind zusammen in der Tabelle 2 gezeigt.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Aufkohlungsbehandlung unter Verwendung
eines Einsatzstahls als Basismaterial und Anordnen dieses Stahls
in einem Salzbad bei 900°C
für eine
Stunde durchgeführt
wurde. Die erhaltene Aufkohlungsschicht wies eine Dicke von 0,4
mm auf.
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Aus
der Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Basismaterialoberfläche vor
der Ionenbeaufschlagungsbehandlung zur Bildung einer Ungleichmäßigkeit
vorzugsweise einer Härtungsbehandlung
unterworfen wird. In dem Fall des Prüfkörpers Nr. 11, der keiner Oberflächenhärtungsbehandlung
unterzogen worden ist, bildete selbst die Ionenbeaufschlagungsbehandlung
mit einer Spannung von 200 V, einem elektrischen Strom von 0,8 A
und einer Behandlungszeit von 40 min keine ausreichende Ungleichmäßigkeit.
Somit war die Bindungsfestigkeit nicht ausreichend.
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Es
ist klar, dass es die Nitrierung oder Aufkohlung des Basismaterials
im Voraus einfach machte, eine Ungleichmäßigkeit durch eine Ionenbeaufschlagungsbehandlung
zu bilden.
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SEM-Photographien
von ungleichmäßigen Oberflächen der
Prüfkörper Nr.
11 und 12 nach der Durchführung
der Ionenbeaufschlagungsbehandlung und vor der Bildung von harten
Filmen sind in den 1 und 2 gezeigt.
Diese Figuren zeigen, dass die halbkugelförmigen Vorsprünge durch
eine Ionenbeaufschlagung gebildet worden sind. Auf dem Prüfkörper Nr.
11 sind weniger Vorsprünge
ausgebildet, wie es in der 1 gezeigt
ist. Andererseits zeigt die 2, dass
die Vorsprünge über der
gesamten Oberfläche
des Prüfkörpers Nr.
12 ausgebildet sind.
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Gesamtbewertungstest
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Insgesamt
vier Arten von Prüfkörpern wurden
unter Verwendung von TiN als harte Beschichtungsfilme hergestellt.
Für eine
Oberflächenbehandlung
durch Nitrieren wurden zwei Arten von Prüfkörpern, d.h. unbehandelte und
behandelte Prüfkörper, hergestellt.
Für eine
Bildung von Ungleichmäßigkeiten
wurden zwei Arten von Prüfkörpern, d.h.
Prüfkörper mit
ausgebildeten Ungleichmäßigkeiten
und nicht ausgebildeten Ungleichmäßigkeiten, hergestellt. Danach
wurden ein Eindrucktest und ein Kratztest in der gleichen Weise
wie bei den Prüfkörpern in
der Tabelle 1 durchgeführt,
wodurch die Bindungsfestigkeit des harten Films bewertet wurde. Die
Ergebnisse sind zusammen in der Tabelle 3 gezeigt.
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Eine
Nitrierungsbehandlung wurde in der gleichen Weise wie bei den Prüfkörpern in
der Tabelle 1 durchgeführt.
Eine Ionenbeaufschlagungsbehandlung zur Bildung einer Ungleichmäßigkeit
wurde mit einer Spannung von 400 V, einem elektrischen Strom von
1,5 A und einer Behandlungszeit von 1 Stunde durchgeführt. TiN-Beschichtungsfilme
wurden durch Lichtbogenionenplattieren mit einer Behandlungstemperatur
von 400°C
und einer Behandlungszeit von 1 Stunde durchgeführt. Auf diese Weise wurden
TiN-Beschichtungsfilme mit einer Dicke von 3 μm gebildet.
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Wie
es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, führte die Bildung von Ungleichmäßigkeiten
zu einer Verbesserung der Bindungsfestigkeit, und ferner waren die
Prüfkörper, die
vor der Bildung von Ungleichmäßigkeiten einer
Oberflächenhärtungsbehandlung
unterworfen wurden, bezüglich
der Bindungsfestigkeit weiter verbessert.
