Reibungsarme und verschleißmindernde Schutzschichten und Verfahren zu ihrer AbscheidungLow-friction and wear-reducing protective layers and processes for their deposition
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstofftechnik, der Chemie und des Maschinenbaus und betrifft reibungsarme und verschleißmindernde Schutzschichten, wie sie z.B. auf tribologisch und/oder korrosiv beanspruchten Bauteilen, wie beispielsweise auf Ventileinsätzen, auf Kugellagern oder auf Umformwerkzeugen sowie auf medizinischen Implantaten eingesetzt werden, sowie ein Verfahren zu deren Abscheidung.The invention relates to the fields of materials technology, chemistry and mechanical engineering and relates to low-friction and wear-reducing protective layers, such as those e.g. on tribologically and / or corrosively stressed components, such as on valve inserts, on ball bearings or on forming tools and on medical implants, and a method for their deposition.
Stand der TechnikState of the art
Reibungsarme und verschleißmindernde Schutzschichten sind bekannte Möglichkeiten, die Lebensdauer und/oder das Leistungsvermögen tribologischer Paarungen zu verbessern. Schichten aus Kohlenstoff oder mit hohen Kohlenstoffanteilen haben hierbei eine besondere Bedeutung, da sich in der Regel niedrige Reibzahlen im Bereich von 0,1 mit einem geringen Verschleiß kombinieren lassen. Sehr frühe Hinweise auf derartige reibungs- und verschleißmindernde Eigenschaften von aus Gasentladungen in Kohlenwasserstoffen abgeschiedenen Kohlenstoffschichten wurden von Schmellenmeier, H., Experimentelle Technik der Physik 1 (1953) 49, gegeben.Low-friction and wear-reducing protective layers are known ways of improving the service life and / or the performance of tribological pairings. Layers made of carbon or with a high proportion of carbon are of particular importance here, as a rule low friction coefficients in the range of 0.1 can be combined with low wear. Very early indications of such friction and wear-reducing properties of carbon layers deposited from gas discharges in hydrocarbons were given by Schmellenmeier, H., Experimentelle Technik der Physik 1 (1953) 49.
Bekannte Schichtsysteme und geeignete Abscheideverfahren sind mehrfach beschrieben worden (Reinke, S., Kulisch, W., Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 23). Danach sind als reibungsarme und verschleißmindernde Schutzschichten folgende kohlenstoffbasierte Schichtsysteme angegeben:Known layer systems and suitable deposition processes have been described several times (Reinke, S., Kulisch, W., Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 23). The following carbon-based layer systems are then specified as low-friction and wear-reducing protective layers:
1. amorpher Kohlenstoff mit wasserstoffgesättigten internen Bindungen (a-C.H),1. amorphous carbon with hydrogen-saturated internal bonds (a-C.H),
2. vorwiegend tetragonal vernetzter amorpher Kohlenstoff mit wasserstoffgesättigten internen Bindungen (ta-C.H),
3. amorpher Kohlenstoff mit wasserstoffgesättigten internen Bindungen, sowie mit Metalleinlagerungen (Me-C:H),2. predominantly tetragonally cross-linked amorphous carbon with hydrogen-saturated internal bonds (ta-CH), 3. amorphous carbon with hydrogen-saturated internal bonds, as well as with metal inclusions (Me-C: H),
4. amorpher Kohlenstoff (a-C),4. amorphous carbon (a-C),
5. vorwiegend tetragonal vemetzter amorpher Kohlenstoff (ta-C),5. predominantly tetragonal cross-linked amorphous carbon (ta-C),
6. Kohlenstoff mit polykristalliner Diamantstruktur (PD).6. Carbon with polycrystalline diamond structure (PD).
Die Abscheidung der Schichten erfolgt außer für das letzte System ausnahmslos ionengestützt. Polykristalliner Diamant kann dagegen auch ohne lonenunterstützung abgeschieden werden, dann allerdings bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1000 °C. Die ionengestützte Schichtabscheidung ermöglicht im Gegensatz dazu die Abscheidung reibungs- und verschleißarmer Schichten bereits bei Temperaturen unter 200 °C. Die lonenunterstützung dient dabei der Generierung einer in erster Linie mechanisch stabilen Kohlenstoffvernetzung mit einem möglichst hohen räumlichen Vernetzungsgrad bei einem möglichst hohen Anteil der tetragonalen sp3- Bindungen. Für die lonenunterstützung des Schichtwachstums können sowohl schichtbildende oder auch lediglich schichtmodifizierende Ionen eingesetzt werden.The layers are deposited with the exception of the last system with ion support. In contrast, polycrystalline diamond can also be deposited without ion support, but then at temperatures in the range of 800 to 1000 ° C. In contrast, the ion-supported layer deposition enables the deposition of low-friction and low-wear layers even at temperatures below 200 ° C. The ion support serves to generate a primarily mechanically stable carbon crosslinking with the highest possible spatial degree of crosslinking with the highest possible proportion of the tetragonal sp 3 bonds. Both layer-forming or layer-modifying ions can be used to support the layer growth.
Als Beschichtungsverfahren sind bekannt:The following are known as coating processes:
1. die Feststoffzerstäubung (Magnetronsputtem) eines Graphittargets bei gleichzeitigem lonenbombardement der Substrate, wobei als Arbeitsgase Ar, Kohlenwasserstoffe, Ar/H2 sowie Mischungen dieser Gase bekannt sind (Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 45),1. solid atomization (magnetron sputtering) of a graphite target with simultaneous ion bombardment of the substrates, Ar, hydrocarbons, Ar / H 2 and mixtures of these gases being known as working gases (Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 45),
2. Abscheidungen aus dem Plasma einer Kohlenwasserstoffatmosphäre (Thin Solid Films 40 (1977) L31),2. Deposition from the plasma of a hydrocarbon atmosphere (Thin Solid Films 40 (1977) L31),
3. die Feststoffzerstäubung von Metalltargets, wobei als Arbeitsgas Kohlenwasserstoffe und Mischungen aus Kohlenwasserstoffen und Inertgasen genutzt werden (Appl. Phys. Lett. 50 (1987) 1056),3. the solid atomization of metal targets, hydrocarbons and mixtures of hydrocarbons and inert gases being used as the working gas (Appl. Phys. Lett. 50 (1987) 1056),
4. die Abscheidung mittels massenseparierter Kohlenstoffionenstrahlen,4. the deposition by means of mass-separated carbon ion beams,
5. die Abscheidung aus dem Plasma der kathodischen Lichtbogenverdampfung einer Graphitkathode (J. Mater. Res. 6(1991)101).5. the deposition from the plasma of the cathodic arc evaporation of a graphite cathode (J. Mater. Res. 6 (1991) 101).
Allen genannten Verfahren ist gemeinsam, dass das Schichtwachstum und damit die Ausbildung einer reibungs- und verschleißmindernden Schutzschicht mittels teilweise hochenergetischer Ionen modifiziert werden muss und dass Maßnahmen zur
Ladungsträgerkompensation auf der Oberfläche der sich ausbildenden elektrisch isolierenden Schicht erforderlich sind. Letzteres wird in der Regel mit einer hochfrequenten Substratspannung erreicht.It is common to all the methods mentioned that the layer growth and thus the formation of a friction and wear-reducing protective layer must be modified by means of partially high-energy ions and that measures for Charge carrier compensation on the surface of the electrically insulating layer that is formed are required. The latter is usually achieved with a high-frequency substrate voltage.
Eine aligemeine Zielstellung der Verfahren zur Abscheidung harter und verschleißfester Kohlenstoffschichten ist die Generierung eines möglichst hohen Anteils tetraedischer Kohlenstoffbindungen (Diamantbindung) in den Schichten. Ein einfacher Hinweis auf diese Anteile ist die Massendichte der Schichten Als Grenzwerte gelten die Massendichte von Diamant mit 3,51 g/cm3 und die von Graphit mit 2,25 g/cm3. Für reine Kohlenstoffschichten mit hohen Anteilen tetraedische" Bindungen werden Dichtewerte im Bereich von 2,8 g/cm3 angegeben (J. Vac. Sei. Technol. A12 (1994) 1457-1462). Bei wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten erfolgt eine Verschiebung der experimentell ermittelten Dichten nach niedrigeren Werten, wobei Werte von bis zu 1 ,35 g/cm3 angegeben werden (Rother, B und Vetter, J.: Plasma-Beschichtungsverfahren und Hartstoffschichten, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1992, S. 105). Es gilt als allgemein bekannt, dass die Verschleißfestigkeit reiner Kohlenstoffschichten mit geringen inneren Spannungen mit einem möglichst hohen Anteil an tetraedischen Bindungen korrelieren soll.A general aim of the methods for the deposition of hard and wear-resistant carbon layers is the generation of the highest possible proportion of tetrahedral carbon bonds (diamond bond) in the layers. A simple indication of these proportions is the mass density of the layers. The mass density of diamond with 3.51 g / cm 3 and that of graphite with 2.25 g / cm 3 apply as limit values. Density values in the range of 2.8 g / cm 3 are given for pure carbon layers with high proportions of tetrahedral bonds (J. Vac. Sei. Technol. A12 (1994) 1457-1462). In the case of hydrogen-containing carbon layers, the experimentally determined densities are shifted according to lower values, values of up to 1.35 g / cm 3 being given (Rother, B and Vetter, J .: plasma coating process and hard material layers, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1992, p. 105) It is generally known that the wear resistance of pure carbon layers with low internal stresses should correlate with the highest possible proportion of tetrahedral bonds.
Allen bekannten mit den genannten Verfahren abgeschiedenen Schutzschichten ist nach übereinstimmden Aussagen verschiedener Autoren gemeinsam, dass sie unter teilweise erheblichen inneren Eigenspannungen stehen und gleichzeitig eine feste Anbindung insbesondere an metallische Grundwerkstoffe problematisch ist. Es sind daher meist Zwischenschichten zur Anbindung der Schutzschicht an den Grundwerkstoff erforderlich (Surf. Coat. Technol. 98 (1998) 1518). Zusätzlich muss die Schichtdicke wegen der hohen inneren Eigenspannungen oftmals auf Werte im Bereich von 1 μm begrenzt bleiben.All known protective layers deposited using the above-mentioned processes have in common, according to various authors, that they are subject to considerable internal residual stresses and, at the same time, a permanent connection, particularly to metallic base materials, is problematic. Intermediate layers are therefore usually required to connect the protective layer to the base material (Surf. Coat. Technol. 98 (1998) 1518). In addition, the layer thickness often has to remain limited to values in the range of 1 μm due to the high internal residual stresses.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kohlenstoffbasierte reibungsarme und verschleißmindernde Schutzschicht und ein Verfahren zu ihrer Abscheidung bereitzustellen, wobei die Schutzschicht im Vergleich zum Stand der Technik relativ
einfach und weitgehend spannungsfrei und haftfest auf verschiedene Grundwerkstoffen aufgebracht werden kann.The object of the invention is to provide a carbon-based, low-friction and wear-reducing protective layer and a method for its deposition, the protective layer being relative to the prior art can be easily and largely stress-free and adhered to various base materials.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Further training is the subject of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet auf der Basis der Feststoffzerstäubung eines Graphittargets oder eines Graphit enthaltenden Targets unter Einsatz von Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid als Arbeitsgas oder als Bestandteil des Arbeitsgases. Damit wirken sowohl targetbasierter als auch arbeitsgasbasierter Kohlenstoff als Schichtbildner. Die Einlagerung von Sauerstoff wird dagegen wegen der gasförmigen Oxidationsprodukte des Kohlenstoffs weitgehend unterdrückt. Targetbasierter Kohlenstoff sind im wesentlichen neutrale Kohlenstoffatome im energetischen Grundzustand mit nur geringfügiger kinetischer Energie. Arbeitsgasbasierter Kohlenstoff wird dagegen im Plasma der Gasentladung sehr vielfältig energetisch aktiviert, was für molekulare Arbeitsgase unter anderen die Generierung von Ionen, von neutralen und ionisierten Molekülbestandteilen sowie von energetisch angeregten atomaren und molekularen Spezies umfasst. Wesentliche Effekte für das Schichtwachstum werden zusätzlich von dissoziierten Sauerstoffanteilen des Arbeitsgases erzielt, was mit der bekannten präferentiellen Oxidation graphitisch gebundenen Kohlenstoffs im Vergleich zu tetragonal gebundenem Kohlenstoff zusammenhängt.The method according to the invention works on the basis of the solid atomization of a graphite target or a graphite-containing target using carbon monoxide and / or carbon dioxide as the working gas or as a component of the working gas. This means that both target-based and working gas-based carbon act as layer formers. By contrast, the incorporation of oxygen is largely suppressed due to the gaseous oxidation products of the carbon. Target-based carbon are essentially neutral carbon atoms in the energetic ground state with only minimal kinetic energy. Working gas-based carbon, on the other hand, is energetically activated in a variety of ways in the plasma of the gas discharge, which for molecular working gases includes the generation of ions, neutral and ionized molecular components and energetically excited atomic and molecular species. Significant effects for the layer growth are additionally achieved by dissociated oxygen portions of the working gas, which is related to the known preferential oxidation of graphitically bound carbon compared to tetragonally bound carbon.
Insgesamt kommt es während der Abscheidung zu einer offenbaren Kopplung zwischen chemischen und physikalischen Wirkungen der schichtbildenden und schichtmodifizierenden Teilchen, welche eine im Vergleich zum Stand der Technik relativ einfache Verfahrensgestaltung zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Schutzschichten ermöglicht und dabei gleichzeitig verbesserte Schichteigenschaften, insbesondere eine gesteigerte Verschleißfestigkeit und geringere innere Eigenspannungen, generiert. Die relativ einfache Verfahrensgestaltung beruht hauptsächlich auf dem möglichen Verzicht auf eine zusätzliche Nachbeschleunigung der Ionen und auf eine Ladungsträgerkompensation am Substrat mittels hochfrequenter Spannungen. Gleichzeitig entfallen durch den Verzicht auf wasserstoffhaltige gasförmige Kohlenstoffträger (Kohlenwasserstoffe) Maßnahmen
zur Reduzierung des Wasserstoffgehaltes in den Schichten, was bei diesen Ausgangsmaterialien nach dem Stand der Technik nur durch erhöhte lonenenergien und/oder Substrattemperaturen bewirkt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Wasserstoff nur aus dem Restgas oder aus einer Gasbeladung der Graphitkathode in die Schichten gelangen. Für die Einlagerung von Sauerstoff gilt der eingangs bereits genannte Mechanismus.Overall, there is an apparent coupling between the chemical and physical effects of the layer-forming and layer-modifying particles during the deposition, which enables a relatively simple process design for the deposition of the protective layers according to the invention in comparison with the prior art, and at the same time improved layer properties, in particular increased wear resistance and less internal residual stresses, generated. The relatively simple design of the process is based primarily on the fact that there is no need for additional post-acceleration of the ions and for charge carrier compensation on the substrate by means of high-frequency voltages. At the same time, no hydrogen-containing gaseous carbon carriers (hydrocarbons) are necessary to reduce the hydrogen content in the layers, which can only be achieved with these starting materials according to the prior art by increased ion energies and / or substrate temperatures. In the method according to the invention, hydrogen can only get into the layers from the residual gas or from a gas loading of the graphite cathode. The mechanism already mentioned above applies to the storage of oxygen.
Die Härte, der E-Modul und die hohe Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäßen Schichten weisen auf einen hohen Anteil an tetraedisch gebundenen Kohlenstoffs hin. Im Gegensatz dazu werden an den Schichten Massendichten im Bereich von 1 ,8 + 0,2 g/cm3 gemessen, was deutlich unter der Massendichte von Graphit liegt. Ähnliche Massendichten sind von Fulleren-Schichten bekannt (Applied Surface Science 86 (1995) S. 595). Diese sind aber durch geringe plastische Härten und E- Module als die mittels der erfindungsgemäßen Methode abgeschiedenen Schichten gekennzeichnet.The hardness, the modulus of elasticity and the high wear resistance of the layers according to the invention indicate a high proportion of tetrahedral carbon. In contrast, mass densities in the range of 1.8 + 0.2 g / cm 3 are measured on the layers, which is significantly lower than the mass density of graphite. Similar mass densities are known from fullerene layers (Applied Surface Science 86 (1995) p. 595). However, these are characterized by low plastic hardness and modulus of elasticity as the layers deposited by means of the method according to the invention.
Die atomare Struktur der erfindungsgemäßen Schichten kann damit über indirekte Vergleiche keiner bekannten Kohlenstoffstruktur zugeordnet werden. Ein typisches Merkmal für diese neue Struktur erfindungsgemäßer reiner Kohlenstoffschichten ist die geringe Dichte in Verbindung mit plastischen Härte-Werten im Bereich von 5 bis 30 GPa, vorteilhafterweise von 10 bis 15 GPa, und E-Modul-Werten im Bereich von 50 bis 200 GPa, vorteilhafterweise im Bereich von 90 bis 150 GPa.The atomic structure of the layers according to the invention can therefore not be assigned to any known carbon structure via indirect comparisons. A typical feature of this new structure of pure carbon layers according to the invention is the low density in connection with plastic hardness values in the range from 5 to 30 GPa, advantageously from 10 to 15 GPa, and elastic modulus values in the range from 50 to 200 GPa, advantageously in the range from 90 to 150 GPa.
Für die erfindungsgemäßen Schutzschichten kann außerdem eine hohe Biokompatibilität nachgewiesen werden. In Besiedlungsversuchen mit Osteoplasten werden auf den Schutzschichten unterschiedlicher Dicke ähnlich gute Werte wie auf speziell für Zellbesiedlungsversuche präparierten Polystyrensubstraten gemessen.A high level of biocompatibility can also be demonstrated for the protective layers according to the invention. In colonization experiments with osteoplasts, values as good as those on polystyrene substrates specially prepared for cell colonization experiments are measured on the protective layers of different thicknesses.
Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to carry out the invention
Die Erfindung wird weiter an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1The invention is further explained in several exemplary embodiments. example 1
Polierte Proben aus gehärtetem Schnellarbeitsstahl werden in eine" Vakuumapparatur so positioniert, dass sie direkt unter einem nach unten ausgerichteten und mit einem Graphittarget ausgerüstetem Rundmagnetron von 16 cm Durchmesser fixiert sind. Der Target-Proben-Abstand beträgt dabei 10 cm. Die Proben sind auf einem Substrathalter befestigt, welcher über eine elektrische Kontaktierung verfügt.Polished samples of hardened high-speed steel are positioned in a "vacuum apparatus in such a way that they are fixed directly under a downward-facing round magnetron of 16 cm in diameter equipped with a graphite target. The target-sample distance is 10 cm. The samples are on one Fixed substrate holder, which has an electrical contact.
Nach der Positionierung wird die Vakuumkammer auf einen Basisdruck von 5 x 10 ~ Pa evakuiert. Es folgt eine Glimmreinigung der Proben in einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 10 Pa. Der Basisdruck für die Beschichtung wird anschließend wieder auf 5 x 10~3 Pa abgesenkt. Der Gaseinlass für Kohlenmonoxid wird nun soweit geöffnet, dass sich bei gedrosseltem Hauptventil in der Vakuumkammer ein Druck von 5 x 10"2 Pa einstellt. Bei einer elektrischen Leistungseinkoppelung an das Magnetron von 700 W beträgt die Brennspannung des Targets dann 540 V. Nach einer Beschichtungszeit von 2 h ist eine Schichtdicke von 3,6 μm erreicht und der Prozess wird beendet.After positioning, the vacuum chamber is evacuated to a base pressure of 5 x 10 ~ Pa. The samples are then glow cleaned in an argon atmosphere at a pressure of 10 Pa. The base pressure for the coating is then reduced again to 5 x 10 ~ 3 Pa. The gas inlet for carbon monoxide is now opened so that a pressure of 5 x 10 "2 Pa is established in the vacuum chamber when the main valve is throttled. When the power is coupled to the magnetron at 700 W, the target's operating voltage is 540 V. After a coating time A layer thickness of 3.6 μm is reached within 2 hours and the process is ended.
Die Bewertung der Schutzschichten erfolgt mittels Reibungsuntersuchungen in einem Oszillationstribometer. welches nach dem Stift-Scheibe-Prinzip arbeitet. Im einzelnen wird dabei eine in einer Aufnahme fixierte Hartmetallkugel von 6 mm Durchmesser mit einer Last von 2 N beaufschlagt und mit einer Frequenz von 3 Hz sowie mit einer Amplitudendifferenz von 2 mm über die Schichtoberfläche gerieben. Mit diesen Belastungsbedingungen wird nach einer kurzen Einlaufphase eine konstante Reibzahl von 0,15 gemessen. Die Reibspurtiefe beträgt nach 20 x 103 Reibzyklen lediglich 30 bis 40 nm. Kohlenstoffbasierte Schutzschichten nach dem Stand der Technik, wie z.B. a-C:H-Schichten, sind unter identischen Belastungsbedingungen bereits nach 10 x 103 Reibzyklen bis zu einer Tiefe von mehr als 100 nm eingerieben.The protective layers are evaluated by means of friction tests in an oscillation tribometer. which works on the pin-washer principle. In particular, a hard metal ball with a diameter of 6 mm fixed in a receptacle is loaded with a load of 2 N and rubbed over the surface of the layer with a frequency of 3 Hz and an amplitude difference of 2 mm. With these loading conditions, a constant coefficient of friction of 0.15 is measured after a short running-in phase. After 20 x 10 3 rubbing cycles, the friction track depth is only 30 to 40 nm.Carbon-based protective layers according to the prior art, such as aC: H layers, are already under 10 x 10 3 rubbing cycles to a depth of more than 100 under identical load conditions nm rubbed.
Die Härte und der E-Modul der 3,6 μm dicken Schicht ist mittels registrierender Härtemessungen bestimmt worden, wobei als Eindringkörper ein Vickersdiamant zur Anwendung kam. Aus den Messungen wurden bei einer Endlast von 50 mN und
einer Eindringtiefe von 0,4 μm für die Schichten eine plastische Härte von 13,6 + 0,4 GPa und ein E-Modul von 98 + 2 GPa bestimmt.The hardness and the modulus of elasticity of the 3.6 μm thick layer was determined by means of recording hardness measurements, a Vickers diamond being used as the indenter. From the measurements, a final load of 50 mN and a penetration depth of 0.4 μm for the layers a plastic hardness of 13.6 + 0.4 GPa and an elastic modulus of 98 + 2 GPa were determined.
In den Schichten wurden keine, mittels optischer Glimmentladungsspektroskopie quantifizierbaren, Anteile von Sauerstoff und Wasserstoff festgestellt. Schichten welche unter identischen Bedingungen auf Si-Wafern abgeschieden wurden, konnten bei einer Schichtdicke von 2 μm mit einer Auflösungsgrenze von 0,1 GPa als frei von makroskopischen inneren Spannungen eingestuft werden.No proportions of oxygen and hydrogen, quantifiable by means of optical glow discharge spectroscopy, were found in the layers. Layers that were deposited on Si wafers under identical conditions could be classified as free of macroscopic internal stresses with a layer thickness of 2 μm with a resolution limit of 0.1 GPa.
Durch Wägung großer Flachproben vor und nach der Beschichtung, wobei die Beschichtung unter den gleichen Bedingungen erfolgte, sowie durch Schichtdickenmessung wurden für Schichten mit einer Dicke von 3,6 μm eine Massendichte von 1 ,8 + 0,2 g/cm3 ermittelt. Dieser Wert wurde mittels Schwebeversuchen mit abgelösten Schichtpartikeln verschieden dicker und identisch abgeschiedener Schichten in einer Mischung aus Methanol und Bromoform bestätigt.A mass density of 1.8 + 0.2 g / cm 3 was determined for layers with a thickness of 3.6 μm by weighing large flat samples before and after the coating, the coating being carried out under the same conditions, and by measuring the layer thickness. This value was confirmed by means of suspension tests with detached layer particles of layers of different thicknesses and identically deposited in a mixture of methanol and bromoform.
Beispiel 2Example 2
Es werden nadeiförmige Proben aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge von 50 mm in einer Vakuumkammer positioniert, welche mit zwei Magnetrons ausgerüstet ist. Die Magnetrons sind mit einem Graphit- und einem Chromtarget bestückt. Die Halterung für die Proben ist so gestaltet, dass mittels Mehrfachrotation ein gleichmäßiger Schichtauftrag über den Umfang erfolgen kann. Nach der zu Beispiel 1 identischen Konditionierung der Probenoberfläche mittels Glimmentladung wird Argon bis zu einem Arbeitsdruck von 1 x 10 "2 Pa in den Beschichtungsraum eingelassen sowie eine Vorspannung von -2 kV an die Substrate gelegt.Needle-shaped samples made of stainless steel with a diameter of 1 mm and a length of 50 mm are positioned in a vacuum chamber which is equipped with two magnetrons. The magnetrons are equipped with a graphite and a chrome target. The holder for the samples is designed in such a way that multiple layers can be used to apply a uniform layer over the circumference. After identical to Example 1, the conditioning of the sample surface by means of glow discharge argon up to a working pressure of 1 x 10 "2 Pa introduced into the coating chamber as well as set a bias voltage of -2 kV to the substrates.
In einem ersten Beschichtungsschritt wird nunmehr eine ca. 50 nm dicke Cr-Schicht auf den Nadelumfang abgeschieden. Für einen zweiten Beschichtungsschritt wird das Graphittarget aktiviert und das Chromtarget abgeschaltet. Innerhalb des zweiten Beschichtungsschrittes erfolgt die Abscheidung einer ca. 30 nm dicken Zwischenschicht aus Kohlenstoff, welche mit Argon als Arbeitsgas gesputtert wird. Die Substrate sind hierbei weiterhin mit -2 kV vorgespannt.
Der dritte und letzte Beschichtungsschritt ist die Abscheidung der eigentlichen Verschleißschutzschicht. Die Abscheidung erfolgt mittels Zerstäubung des Graphittargets in einer CO-Atmosphäre mit den gleichen Parametersätzen wie in Beispiel 1. Nach zwei Stunden Beschichungszeit ist auf dem Nadelumfang eine gleichmäßige Schichtdicke von 1 μm erreicht.In a first coating step, an approximately 50 nm thick Cr layer is now deposited on the circumference of the needle. For a second coating step, the graphite target is activated and the chrome target is switched off. In the second coating step, an approx. 30 nm thick intermediate layer of carbon is deposited, which is sputtered with argon as the working gas. The substrates are still biased at -2 kV. The third and last coating step is the deposition of the actual wear protection layer. The deposition is carried out by atomizing the graphite target in a CO atmosphere with the same parameter sets as in Example 1. After two hours of coating time, a uniform layer thickness of 1 μm is achieved on the circumference of the needle.
Die Schichten konnten mit dem beschriebenen Verfahrensablauf haftfest und gleichmäßig auf den Proben abgeschieden werden. Auf parallel beschichteten ebenen Probekörpern konnten die gleichen Schichteigenschaften wie bei den in Beispiel 1 abgeschiedenen Schichten gemessen werden.
With the described procedure, the layers could be deposited firmly and evenly on the samples. The same layer properties as for the layers deposited in Example 1 could be measured on parallel coated specimens.