WO1999049098A1 - Festschmierstoffschicht - Google Patents

Festschmierstoffschicht Download PDF

Info

Publication number
WO1999049098A1
WO1999049098A1 PCT/DE1998/000887 DE9800887W WO9949098A1 WO 1999049098 A1 WO1999049098 A1 WO 1999049098A1 DE 9800887 W DE9800887 W DE 9800887W WO 9949098 A1 WO9949098 A1 WO 9949098A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solid lubricant
layers
dichalkogenide
metal
lubricant layer
Prior art date
Application number
PCT/DE1998/000887
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Nordbakke
Falko Heutling
Original Assignee
Daimler-Benz Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler-Benz Ag filed Critical Daimler-Benz Ag
Priority to PCT/DE1998/000887 priority Critical patent/WO1999049098A1/de
Publication of WO1999049098A1 publication Critical patent/WO1999049098A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0623—Sulfides, selenides or tellurides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers

Definitions

  • the invention relates to a solid lubricant layer based on at least one first dichalkogenide of the formula MeX2, in which
  • X is sulfur, selenium or tellurium
  • US Pat. No. 5,282,985 discloses solid lubricant layers which, owing to the layered structure, have good lubricant properties up to higher operating temperatures.
  • molybdenum disulfide with intermediate layers of an oxide such as.
  • a solid lubricant layer is formed which lags far behind expectations in terms of its service life.
  • rapid embrittlement of the molybdenum disulfide can be found in layers produced in this way.
  • the object of the invention is to provide a solid lubricant layer of the type mentioned at the outset with good lubricating properties, which is distinguished by a long service life and does not tend to become brittle.
  • a solid lubricant layer of the type described in the introduction is characterized in that a metal, a metal alloy, a second dichalkogenide, sulfur, selenium or tellurium with a content of up to 50% by volume is dispersed in the main layers.
  • the second dichalkogenide is also from the group in which Me is either molybdenum, tungsten, niobium, tantalum or titanium and X is sulfur, selenium or tellurium, but different from the first dichalkogenide.
  • the intermediate layer preferably consists of a metal, a metal alloy, the first or second dichalkogenide, sulfur, selenium or tellurium.
  • the same metal, the same metal alloy or the same dichalkogenide can be used both for dispersion in the main layer and as an intermediate layer itself, or different metals, metal alloys - ⁇
  • non-metallic materials can also be used for the intermediate layers, in particular polymers such as polytetrafluoroethylene.
  • the metal or metals of the metal alloy can be an element
  • group Ib in particular copper, silver or gold,
  • Group IVa especially germanium, tin or lead
  • Vlb group in particular chromium, molybdenum or tungsten
  • Group VIII of the periodic table in particular iron, cobalt, nickel, palladium, platinum or iridium, or a lanthanoid such as cerium or samarium, or magnesium, manganese, rhenium or scandium.
  • Chromium has proven to be particularly suitable, as well as chromium alloys such as nickel-chromium alloys. However, it is also possible to introduce or apply borides or carbides of the elements listed above as a dispersion or intermediate layer.
  • sputtering that is to say plasma PVD
  • magnetron sputtering is used in accordance with the invention, in particular magnetron sputtering.
  • a plate-shaped loading Layering source or target (cathode) used which consists of the first dichalkogenide and is made for example by powder metallurgy.
  • the metal, the metal alloy or the second dichalkogenide is also dispersed in the main layers by PVD.
  • a target made of the first dichalkogenide can be used, from which a piece is removed and replaced by a corresponding piece made of the metal, the metal alloy or the second dichalkogenide.
  • the metal, the metal alloy or the second dichalkogenide can also be introduced into the target from the first dichalkogenide by powder metallurgy.
  • the use of several coating sources (cathodes) offers another possibility.
  • the intermediate layers between the main layers are also applied using PVD, in particular magnetron sputtering, using a further target made of the intermediate layer material.
  • the boundaries between the main and intermediate layers can have a sharp or graded jump in the element distribution.
  • the intermediate layers should be thin in order to impair the lubricating properties of the solid lubricant layer as little as possible.
  • the layer thickness of the intermediate layers is preferably in each case 1 nm to 100 nm, at most 300 nm.
  • the intermediate layers are in any case thinner than the main layers, because the lubricating effect is impaired if the intermediate layers are too thick.
  • Substrate surface are arranged. After reaching a very small layer thickness, the basal orientation is no longer dominant. H. the average angle between the (0001) planes of the dichalkogenide crystallides and the substrate surface increases more and more, until further layer growth leads to the formation of a columnar or columnar structure in which the (OOO I) planes of the crystal lattice are almost run perpendicular to the substrate surface.
  • the breaking off of the columns within the columnar structure when subjected to mechanical stress causes a short lifespan of such layers of the first dichalkogenide applied by PVD.
  • the lubricating effect that can be achieved can only be attributed to the thin layer of dichalcogenide with a basal orientation.
  • crystallographic textures other than the basal orientation promote the diffusion of oxygen and water into the layer of the first dichalcogenide, which leads to the formation of oxides, which causes embrittlement of the smear layer. This can be attributed to the fact that only the (0001) planes of the crystal lattice are chemically inert.
  • a basal orientation of the layer can be maintained.
  • the PVD process is interrupted and an intermediate layer is applied by PVD.
  • the main layer then grows again with a basal orientation. This sequence of alternating application of main layers and intermediate layers is repeated until the desired total thickness of the solid lubricant layer is reached, which can be between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the layer thicknesses of the individual main layers and the individual intermediate layers can be different in order to ensure that lubricant is dispensed as required.
  • the lubricating effect of the solid lubricant layers should always be high. For example, there is a higher need for lubrication in the running-in phase. This higher lubrication requirement can be taken into account by modifying the layer system structure.
  • the stress profile is to be regarded as a selection criterion for the multilayer layer structure.
  • a gradient structure can be provided in which the layer thickness increases from the substrate to the outside, or a periodic or non-periodic layer structure can be present.
  • a variable chemical composition can also be provided.
  • the solid lubricant layer according to the invention is also chemically inert, ie. H. there is no embrittlement in the air or in water. According to the invention, a compact, pore-free solid lubricant layer is achieved.
  • the coefficient of friction of the solid lubricant layer is always lower than without the solid lubricant layer (not only in the case of abrasive wear). Since the solid lubricant layer counteracts the generation of heat, it leads to a longer service life of components and tools.
  • the solid lubricant layer according to the invention is suitable for practically all abrasive surfaces. It can be used in particular for roller and plain bearings, for forming tools and cutting tools. In the case of forming tools, in particular the surfaces which are exposed to high sliding friction are provided with the solid lubricant layer according to the invention. In the case of cutting tools, in particular the area of the tool over which the chip is guided away from the cutting edge is Apply a solid lubricant layer.
  • the lubricating layer according to the invention also leads to a substantial reduction in the development of frictional heat in machining processes, such as drilling or forming processes. As a result, coolants and lubricants can become superfluous and the disposal costs for the funds are eliminated.
  • the solid lubricant layer according to the invention can be used for transmission parts, for example gears, switches, pumps and the like.
  • solid lubricant layers can be used in rolling bearing applications in order to smooth the friction partners, e.g. B. To achieve raceway / roller body.
  • the lubricating layer according to the invention could, for example, be applied to parts of prostheses.
  • Suitable substrates to which the solid lubricant layers are applied according to the invention by PVD are, in particular, substrates made of metal, in particular steel, and also ceramic and plastic.
  • Figure 1 is a schematic representation of a multilayer solid lubricant layer according to the invention.
  • FIG. 2 shows an SEM image of the surface and fracture morphology of the exemplary embodiment corresponding to FIG. 1.
  • the exemplary embodiment shown in the figures is a solid lubricant layer according to the invention with a total thickness of approximately 5.8 ⁇ m on a substrate 1.
  • the molybdenum disulfide main layers 2 growing up in the initial stage and to a certain thickness with a basal orientation have one Thickness of about 80 nm each, while the chrome metal intermediate layers 3 have a layer thickness of about 7 nm.
  • the molybdenum disulfide main layers 2 4% by volume of chromium are dispersed.
  • both the molybdenum disulfide main layers 2 dispersed with chromium and the intermediate chromium layers 3 were applied by means of magnetron sputtering.
  • a molybdenum disulfide and a chrome target were used for the main layers 2.
  • a dynamic process is used, in which the substrate rotates between the simultaneously operated targets.
  • the performance of both targets is variably adjustable, so that the sputter rate and the degree of dispersion can be regulated.
  • Chrome target was also used for the production of the intermediate layers 3.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Die Erfindung umfaßt eine Festschmierstoffschicht auf der Basis wenigstens eines ersten Dichalkogenids der Formel MeX2, worin Me die Elemente Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan umfaßt und X die Elemente Schwefel, Selen oder Tellur, mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten (2) aus dem ersten Dichalkogenid mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, die durch Zwischenschichten (3) getrennt sind, wobei in den Hauptschichten ein Metall, eine Metallegierung, ein zweites Dichalkogenid, Schwefel, Selen oder Tellur mit einem Gehalt von bis zu 50 Vol.-% dispergiert ist.

Description

Festschmierstoffschicht
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festschmierstoffschicht auf der Basis wenigstens eines ersten Dichalkogenids der Formel MeX2, worin
Me Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan,
X Schwefel, Seien oder Tellur ist,
mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten aus dem ersten Dichalkogenid mit einer Schichtdichte von 5 nm bis 1000 nm, die durch Zwischenschichten ge- trennt sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung.
Aus US 5 282 985 sind solche Festschmierstoffschichten bekannt, die aufgrund des schichtförmigen Aufbaus gute Schmiermitteleigenschaften bis zu höheren Einsatztemperaturen besitzen.
Wenn, wie nach US 5 282 985, Molybdändisulfid mit Zwischenschichten aus einem Oxid, wie z. B. Bleioxid durch physikalische Dampfbeschichtung, insbesondere Plasma-PVD, auf ein Substrat aufgebracht wird, entsteht eine Fest- schmierstoffschicht, die hinsichtlich ihrer Lebensdauer weit hinter den Erwar- tungen zurückbleibt. Außerdem ist in derart hergestellten Schichten eine rasche Versprödung des Molybdändisulfids festzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festschmierstoffschicht der eingangs genannten Art mit guten Schmiereigenschaften bereitzustellen, die sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet und nicht zur Versprödung neigt.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Festschmierstoffschicht der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in den Hauptschichten ein Metall, eine Metallegierung, ein zweites Dichalkogenid, Schwefel, Selen oder Tellur mit einem Gehalt von bis zu 50 Vol.-% dispergiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Dichalkogenid ist ebenfalls aus der Gruppe bei der Me entweder Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan und X Schwefel, Selen oder Tellur ist, aber verschieden zum ersten Dichalkogenid.
Durch das erfindungsgemäße Dispergieren von Metall, einer Metallegierung eines zweiten Dichalkogenids, von Schwefel, Selen oder Tellur in den Hauptschichten, werden diese kompakter und erhalten eine höhere Eigenfestigkeit unter Beibehaltung der Schmierwirkung, wodurch die Lebensdauer stark erhöht wird. So konnte nachgewiesen werden, daß eine Molybdänsulfidschicht, in der 5 % Chrom disper- giert ist, einen E-Modul von etwa 20 GPa aufweist, während Molybdändisulfid einen E-Modul von lediglich einem GPa besitzt. So tritt durch die erfindungsgemäße Feststoffschmierschicht eine Vervielfachung der Eigenfestigkeit ein.
Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus einem Metall, einer Metallegie- rung, dem ersten oder zweiten Dichalkogenid, Schwefel, Selen oder Tellur.
Dabei kann das gleiche Metall, die gleiche Metallegierung bzw. das gleiche Dichalkogenid sowohl zum Dispergieren in der Hauptschicht wie als Zwischenschicht selbst verwendet werden oder unterschiedliche Metalle, Metallegierungen — ~
bzw. Dichalkogenide zum Dispergieren in der Hauptschicht oder als Zwischenschicht.
Für die Zwischenschichten können jedoch auch nichtmetallische Materialien ver- wendet werden, insbesondere Polymere, wie Polytetrafluorethylen.
Das Metall bzw. das oder die Metalle der Metallegierung kann/können ein Element
der Gruppe Ib, insbesondere Kupfer, Silber oder Gold,
der Gruppe IVa, insbesondere Germanium, Zinn oder Blei,
der Gruppe IVb, insbesondere Titan, Zirkon oder Hafnium,
der Gruppe Vb, insbesondere Tantal,
der Gruppe Vlb, insbesondere Chrom, Molybdän oder Wolfram, und
der Gruppe VIII des Periodensystems, insbesondere Eisen, Kobalt, Nickel, Palladium, Platin oder Iridium, oder ein Lanthanoid wie Cer oder Samarium, oder Magnesium, Mangan, Rhenium oder Scandium sein.
Insbesondere hat sich Chrom als geeignet erwiesen, ferner Chromlegierungen, wie Nickel-Chrom-Legierungen. Es sind aber auch möglich Boride oder Karbide der oben aufgeführten Elemente als Dispersion oder Zwischenschicht ein- bzw. aufzubringen.
Zur physikalischen Abscheidung der Hauptschichten aus der Gasphase wird er- findungsgemäß insbesondere das Sputtern, also Plasma-PVD angewandt, und zwar vor allem das Magnetron-Sputtem. Dabei wird eine plattenförmige Be- schichtungsquelle oder Target (Kathode) verwendet, welche aus dem ersten Dichalkogenid besteht und beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Das Metall, die Metallegierung bzw. das zweite Dichalkogenid wird ebenfalls durch PVD in den Hauptschichten dispergiert. Dazu kann beispielsweise ein Target aus dem ersten Dichalkogenid verwendet werden, aus dem ein Stück herausgenommen und durch ein entsprechendes Stück aus dem Metall, der Metallegierung oder dem zweiten Dichalkogenid ersetzt ist. Auch kann das Metall, die Metallegierung bzw. das zweite Dichalkogenid pulvermetallurgisch in das Target aus dem ersten Dichalkogenid eingebracht sein. Der Einsatz mehrerer Beschich- tungsquellen (Kathoden) bietet eine weitere Möglichkeit.
Die Zwischenschichten zwischen den Hauptschichten werden unter Verwendung eines weiteren Targets aus dem Zwischenschichtmaterial ebenfalls durch PVD, insbesondere Magnetron-Sputtem aufgebracht. Dabei können die Grenzen zwischen Haupt- und Zwischenschichten einen scharfen oder gradierten Sprung der Elementverteilung aufweisen.
Die Zwischenschichten sollen dabei dünn sein, um die Schmiereigenschaften der Festschmierstoffschicht möglichst wenig zu beeinträchtigen. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Zwischenschichten jeweils 1 nm bis 100 nm, maximal 300 nm. Die Zwischenschichten sind in jedem Falle dünner als die Hauptschichten, denn bei zu dicken Zwischenschichten wird der Schmiereffekt beeinträchtigt.
Durch das Einbringen der dünnen Zwischenschichten wird das Wachstum der
Hauptschichten wiederholt unterbrochen. Beim Aufbringen eines Dichalkogenids mittels PVD auf ein Substrat bilden sich nur im Anfangsstadium des Wachstums Schichten mit einer kristallographischen (0001)-Textur (Basalorientierung), bei der die Schichten des Dichalkogenid-Kristallgitters parallel zur beschichteten - 5 -
Substratoberfläche angeordnet sind. Schon nach Erreichen einer sehr geringen Schichtdicke ist die Basalorientierung nicht mehr dominierend, d. h. der durchschnittliche Winkel zwischen den (0001)-Ebenen der Dichalkogenid-Kristallide und der Substratoberfläche vergrößert sich mehr und mehr, bis es bei weiterem Schichtwachstum zur Bildung einer Säulen- oder kolumnaren Struktur kommt, bei der die (OOO I)-Ebenen des Kristallgitters nahezu senkrecht zur Substratoberfläche verlaufen.
Das Abbrechen der Säulen innerhalb der kolumnaren Struktur bei mechanischer Beanspruchung bewirkt eine kurze Lebensdauer solcher durch PVD aufgebrachten Schichten des ersten Dichalkogenids. Der erzielbare Schmiereffekt ist ausschließlich auf die dünne Schicht des Dichalkogenids mit Basalorientierung zurückzuführen. Außerdem fördern andere kristallographische Texturen als die Basalorientierung das Eindiffundieren von Sauerstoff und Wasser in die Schicht des ersten Dichalkogenids, wodurch es zur Bildung von Oxiden kommt, was eine Ver- sprödung der Schmierschicht bewirkt. Dies läßt sich darauf zurückführen, daß nur die (0001 )-Ebenen des Kristallgitters chemisch inert sind. Durch das Aufbringen von dünnen Hauptschichten mittels PVD mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 10 nm bis 500 nm, kann eine Basalorientierung der Schicht beibehalten werden. Vor dem Erreichen der kritischen Schichtdicke der Hauptschicht, d. h. bevor es zu einer kolumnaren Ausbildung der Hauptschicht kommt, wird der PVD-Prozeß unterbrochen und eine Zwischenschicht durch PVD aufgebracht. Im weiteren Prozeß wächst die Hauptschicht dann anfangs wieder mit Basalorientierung auf. Diese Folge von abwechselnder Aufbringung von Hauptschichten und Zwischenschichten wird solange wiederholt, bis die gewünschte Gesamtdicke der Festschmierstoffschicht erreicht ist, die zwischen 10 μm und 100 μm liegen kann. Die Schichtdicken der einzelnen Hauptschichten und der einzelnen Zwischenschichten können dabei unterschiedlich sein, um eine bedarfsgerechte Schmiermittelabgabe zu gewährleisten. Der Schmiereffekt der Festschmierstoffschichten soll dabei immer hoch sein. Zum Beispiel besteht in der Einlaufphase ein höherer Schmierbedarf. Durch Modifikation des Schichtsystemaufbaus kann diesem höheren Schmierbedarf Rechnung getragen werden. Das Beanspruchungsprofil ist als Auswahlkriterium des Multilayer-Schichtaufbaus zu betrachten. Dabei kann ein Gradientenaufbau vorgesehen werden, bei dem die Schichtdicke vom Substrat nach außen zunimmt, oder es kann ein periodischer bzw. nicht periodi- scher Schichtaufbau vorliegen. Anstelle oder zusätzlich zum Gradientenaufbau kann auch eine variable chemische Zusammensetzung vorgesehen sein.
Da in der Festschmierstoffschicht eine Dominanz der Basalorientierung der Hauptschichten gewährleistet ist, ist die erfindungsgemäße Festschmierstoff- schicht auch chemisch inert, d. h. es ist keine Versprödung an der Luft oder durch Wasser zu beobachten. Erfindungsgemäß wird eine kompakte, porenfreie Festschmierstoffschicht erzielt. Der Reibungskoeffizient der Festschmierstoffschicht ist immer geringer als ohne Festschmierstoffschicht (nicht nur bei abrasi- vem Verschleiß). Da die Festschmierstoffschicht der Entstehung von Wärme ent- gegen wirkt, führt sie zu einer höheren Lebensdauer von Bauteilen und Werkzeugen.
Die erfindungsgemäße Festschmierstoffschicht ist praktisch für alle abrasiv belasteten Oberflächen geeignet. Sie ist insbesondere für Wälz- und Gleitlager ver- wendbar, für Umformwerkzeuge und zerspanende Werkzeuge. Bei Umformwerk- zeugen werden dabei insbesondere die Flächen, die einer hohen Gleitreibung ausgesetzt sind, mit der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht versehen. Bei zerspanenden Werkzeugen wird insbesondere der Bereich des Werkzeugs über den der Span von der Schneide weg geleitet wird mit der erfindungsgemä- ßen Feststoffschmierschicht versehen. Auch führt die erfindungsgemäße Schmierschicht zu einer wesentlichen Verringerung der Reibwärmeentwicklung bei zerspanenden Prozessen, wie Bohren oder Umformprozessen. Dadurch können Kühl- und Schmiermittel überflüssig werden und die Entsorgekosten für die Mittel entfallen. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Festschmierstoffschicht für Getriebeteile verwendbar, beispielsweise Zahnräder, Schalter, Pumpen und dergleichen.
In der Gleitlageranwendung ergeben sich durch eine Lebensdauerschmierung mit der erfindungsgemäßen Festschmierstoffschicht, sowie der Tatsache, daß höhere Belastungen auftreten können, ganz neue Möglichkeiten. So könen bei Wälzlageranwendungen Festschmierstoffschichten angewendet werden, um eine Glättung der Reibpartner, z. B. Laufbahn/Wälzkorpus zu erreichen.
Auch ist ein Einsatz der Festschmierstoffschichten im medizinischen Bereich denkbar. Bei Nachweis der Biokompatibilität könnte beispielsweise die erfindungsgemäße Schmierschicht auf Teile von Prothesen aufgebracht werden.
Als Substrate, auf die die Festschmierstoffschichten durch PVD erfindungsgemäß aufgebracht werden, kommen insbesondere Substrate aus Metall, besonders Stahl, sowie Keramik und Kunststoff in Frage.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merk- male und Vorzüge ergeben. - 8 -
Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Multilayer- Festschmierstoffschicht;
Figur 2 eine REM-Aufnahme der Oberflächen- und Bruchmorphologie des Ausführungsbeispiels entsprechend Figur 1.
Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine erfindungsgemäße Festschmierstoffschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 5,8 μm auf einem Substrat 1. Dabei weisen die im Anfangsstadium und bis zu einer gewissen Dicke mit Basalorientierung aufwachsenden Molybdändisulfid-Haupt- schichten 2 eine Dicke von jeweils etwa 80 nm auf, während die Chrommetall- Zwischenschichten 3 eine Schichtdicke von ca. 7 nm aufweisen. In den Molybdändisulfid-Hauptschichten 2 sind 4 Vol.-% Chrom dispergiert.
Zur Herstellung dieser erfindungsgemäßen Festschmierstoffschicht wurden sowohl die mit Chrom dispergierten Molybdändisulfid-Hauptschichten 2 als auch die Chrom-Zwischenschichten 3 mittels Magnetron-Sputtern aufgebracht. Für die Hauptschichten 2 wurde dazu ein Molybdändisulfid- und ein Chromtarget verwendet. Dazu wird ein dynamisches Verfahren angewendet, bei dem sich das Substrat zwischen den gleichzeitig betriebenen Targets dreht. Die Leistung beider Targets ist variabel einstellbar, so daß darüber die Sputterrate und der Dispersionsgrad geregelt werden kann. Für die Herstellung der Zwischenschichten 3 diente ebenfalls Chromtarget.
Tribologische Versuche haben gezeigt, daß diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Festschmierstoffschicht mit chromdispergierten Molybdändisulfid-Hauptschichten 2 und Chrom-Zwischenschichten 3 eine mehr als doppelt so hohe Lebensdauer aufweist.

Claims

- 10 -Patentansprüche
1. Festschmierstoffschicht auf der Basis wenigstens eines ersten Dichalkogenids der Formel MeX2, worin Me Molybdän, Wolfram, Niob und Tantal oder Titan und
X Schwefel, Selen oder Tellur ist mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten (2) aus dem ersten Dichalkogenid mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, die durch Zwischenschichten (3) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hauptschichten (2) ein Metall oder eine Metallegierung oder ein zweites Dichalkogenid, oder Schwefel oder Selen oder Tellur mit einem Gehalt von bis zu 50 Vol.-% dispergiert ist.
2. Festschmierstoffschicht nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichalkogenid verschieden zum ersten Dichalkogenid ist und zur Gruppe gehört, bei der Me Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan und X Schwefel, Selen oder Tellur umfaßt.
3. Festschmierstoffschicht nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus einem Metall, einer Metallegierung, dem ersten oder zweiten Dichalkogenid, Schwefel, Selen, Tellur oder einem Polymer besteht.
4. Festschmierstoffschicht nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die Metalle der Metallegierung, aus dem die Dispersion oder die Zwischenschichten (3) bestehen, ein Metall der Gruppe 1 b, IVa, IVb, Vb, Vlb oder VI Mb des Periodensystems oder ein Lanthanoid oder Magnesium, Mangan, Rhenium oder Scandium ist.
5. Festschmierstoffschicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- net, daß das Polymer Polytetrafluorethylen ist.
6. Verfahren zur Herstellung der Festschmierstoffschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschichten (2) und die Zwischenschichten (3) durch physikalische Dampfbeschichtung (PVD) auf die zu beschichtende Fläche des Substrats aufgebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Dampfbeschichtung durch Magnetron-PVD erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Hauptschichten (2) vom Substrat ( 1 ) nach außen zunimmt oder einem periodischen bzw. nicht-periodischen Lagenaufbau entspricht.
9. Verwendung der Festschmierstoffschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für Wälz- und Gleitlager, Umformwerkzeuge, zerspanende Werkzeuge und Getriebeteile.
PCT/DE1998/000887 1998-03-26 1998-03-26 Festschmierstoffschicht WO1999049098A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/DE1998/000887 WO1999049098A1 (de) 1998-03-26 1998-03-26 Festschmierstoffschicht

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/DE1998/000887 WO1999049098A1 (de) 1998-03-26 1998-03-26 Festschmierstoffschicht

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1999049098A1 true WO1999049098A1 (de) 1999-09-30

Family

ID=6918629

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1998/000887 WO1999049098A1 (de) 1998-03-26 1998-03-26 Festschmierstoffschicht

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO1999049098A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1170398A1 (de) * 2000-07-03 2002-01-09 Widia GmbH Schneideinsatz zum Zerspanen und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102007014411B4 (de) * 2006-03-30 2019-05-09 Daido Metal Co., Ltd. Gleitmaterial und Verfahren zur Herstellung seiner Überzugsschicht

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2303380A (en) * 1995-07-19 1997-02-19 Teer Coatings Ltd Improving the sputter deposition of metal-sulphur coatings
EP0801144A1 (de) * 1996-04-12 1997-10-15 Hauzer Holding B.V. Bauteil mit Verschleissschutzschicht und Verfahren zu dessen Herstellung
WO1998023786A1 (de) * 1996-11-29 1998-06-04 W. Blösch AG Verfahren zur erzeugung von pvd- und/oder pecvd-hartstoffschichten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2303380A (en) * 1995-07-19 1997-02-19 Teer Coatings Ltd Improving the sputter deposition of metal-sulphur coatings
EP0801144A1 (de) * 1996-04-12 1997-10-15 Hauzer Holding B.V. Bauteil mit Verschleissschutzschicht und Verfahren zu dessen Herstellung
WO1998023786A1 (de) * 1996-11-29 1998-06-04 W. Blösch AG Verfahren zur erzeugung von pvd- und/oder pecvd-hartstoffschichten

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HOFMANN W K: "Thin films of molybdenum and tungsten disulphides by metal organic chemical vapour deposition", JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, NOV. 1988, UK, vol. 23, no. 11, ISSN 0022-2461, pages 3981 - 3986, XP002084608 *
SANG-GI LEE ET AL: "A study on the friction characteristics of RF sputtered MoS/sub 2//PTFE films", JOURNAL OF THE KOREAN INSTITUTE OF METALS AND MATERIALS, SEPT. 1994, SOUTH KOREA, vol. 32, no. 9, ISSN 0253-3847, pages 1135 - 1141, XP002086121 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1170398A1 (de) * 2000-07-03 2002-01-09 Widia GmbH Schneideinsatz zum Zerspanen und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102007014411B4 (de) * 2006-03-30 2019-05-09 Daido Metal Co., Ltd. Gleitmaterial und Verfahren zur Herstellung seiner Überzugsschicht

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0087836B1 (de) Kohlenstoff enthaltende Gleitschicht
DE69606307T3 (de) Verbesserungen in und betreffend Verfahren zur Verbesserung der Sputterabscheidung von Metall-Schwefel-Beschichtungen, z.B. Molybdändisulfid Beschichtungen und verbesserten Beschichtungen
DE60133705T2 (de) Werkzeug aus einem gesinterten Bornitrid Körper mit beschichteter Oberfläche
DE602005003762T2 (de) Gleitelement mit ausgezeichneter Abnutzungsbeständigkeit in einer wasserbasierten Umgebung
EP0300993B1 (de) Hochbelastbares Gleitlager
EP0022285B1 (de) Trockengeschmiertes Gleitlager, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
EP1161572A1 (de) Werkzeug mit einer molybdänsulfid enthaltenden beschichtung und verfahren zu dessen herstellung
DE102010053751A1 (de) Molybdänmonoxidschichten und deren Herstellung mittels PVD
EP1769100A1 (de) Dlc hartstoffbeschichtungen auf kupferhaltigen lagerwerkstoffen
DE102016122834A1 (de) Beschichtung eines Körpers mit Diamantschicht und Hartstoffschicht
EP2912207B1 (de) Bauteil mit einer beschichtung und verfahren zu seiner herstellung
EP0962674B1 (de) Gleitlager und Verfahren zu seiner Herstellung
EP2163661A1 (de) Wälzfräswerkzeug mit einer Beschichtung und Verfahren zur Neubeschichtung eines Wälzfräswerkzeuges
EP1161573A1 (de) Werkzeug mit einer molybdansulfidschicht und verfahren zu dessen herstellung
DE102010048947A1 (de) Diamantähnliches Kohlenstofffilmmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
AT511605B1 (de) Kohlenstoffbasierende beschichtung
EP0534905A2 (de) Werkzeuge für die Zerspannung von Werkstoffen
EP0801144B1 (de) Bauteil mit Verschleissschutzschicht und Verfahren zu dessen Herstellung
DE4127639C2 (de) Reibungsarme Verschleißschicht, ihre Verwendung und ihre Herstellung
WO1999049098A1 (de) Festschmierstoffschicht
EP0907764B1 (de) Schneidwerkzeug und verfahren zu seiner herstellung
DE69833272T2 (de) Gradientenkompositmaterial auf metallbasis mit guten schmier- und abriebswiderstandseigenschaften, herstellungsverfahren und verwendung
DE19640663C2 (de) Feststoffschmierschicht, Verfahren zur Herstellung und deren Verwendung
DE102008034399B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen aus MMC und derartig beschichtete Bauteile
WO1999061682A1 (de) Verfahren zum aufbringen einer schmierstoffschicht auf einen gegenstand sowie gegenstand mit haftender schmierstoffschicht

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase