WO2010043364A1 - Verfahren zur oberflächenvergütung von metallischen bauteilen - Google Patents

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WO2010043364A1
WO2010043364A1 PCT/EP2009/007326 EP2009007326W WO2010043364A1 WO 2010043364 A1 WO2010043364 A1 WO 2010043364A1 EP 2009007326 W EP2009007326 W EP 2009007326W WO 2010043364 A1 WO2010043364 A1 WO 2010043364A1
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plasma
components
diffusion
coating
aluminum
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PCT/EP2009/007326
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Inventor
Sven Meier
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a method for the surface reduction of metallic components, in particular of components made of aluminum or an aluminum alloy, which leads to an increased wear resistance.
  • Aluminum and aluminum alloys have become increasingly important in recent years, among other lightweight materials such as magnesium, titanium and polymeric composites for economic and environmental reasons.
  • Aluminum alloys play an important role in lightweight construction due to their comparatively low sprouts and uncomplicated heat treatment.
  • Corrosion resistance provided, which can meet the material aluminum only insufficiently due to its low hardness and its tendency to cold welding without further action.
  • thermal processes or plasma diffusion treatments have long been intensively used for setting the required surface layer hardness.
  • the corresponding thin layers can then be deposited on the surface layers prepared in this way and fully demonstrate their advantages.
  • the use of thermal processes does not lead to the components required for aluminum components
  • Hard surface layer A hardening of the surface layers of aluminum components using the technique of plasma diffusion, in particular plasma nitriding, has already become reported by various authors, but has not yet led to components that meet the requirements of wear resistance in conjunction with an applied Dunn Anlagen.
  • a surface hardening of aluminum components with an aluminum oxide layer is insufficiently suitable for producing a substrate for hard material layers.
  • an aluminum oxide layer has a higher hardness than an aluminum nitride layer, it is much more brittle and tends to shrink Layer form for cracking. Furthermore, such a layer is only slightly temperaturleitfahig and forms as a decisive disadvantage no graded diffusion zone. As a result, even by anodizing or hard anodizing aluminum components, it is not possible to produce a sufficient substrate for subsequent thin-film processes.
  • the object of the present invention is to provide a method for the heatnvergutung of metallic components, which allows a remuneration of components made of aluminum materials and leads to increased wear resistance of the components.
  • the proposed method can be used for metallic components which, in the course of their
  • Plasma diffusion and heat treatment thus occur simultaneously, so that the desired homogeneous Maschinenstoffuge formed during the plasma process and is not disturbed by high temperatures in a subsequent plasma diffusion process again.
  • a hardened edge layer can be produced, in particular in the case of components made of aluminum or aluminum alloys without destroying the material compound, which is well suited as a substructure for the subsequent application of a thin layer, in particular a hard material layer.
  • Such a plasma diffusion or plasma nitriding process can be carried out, for example, in a plasma system which is designed for plasma treatment by means of a DC plasma (direct current plasma).
  • DC plasma direct current plasma
  • classic nitriding systems with a pulsed DC or MF generator unit can be used for this purpose.
  • the expansion of the system must be the necessary Temperaturbowung allow, ie the appropriate temperatures either via the plasma generation or supported by additional heat sources, eg. Via a heatable recipient allow.
  • the plasma diffusion is carried out with an HF plasma.
  • a suitable plasma system is known, for example, from WO 2007/042017 A1.
  • the use of an HF plasma for plasma nitriding has the advantage of improved plasma analysis.
  • the plasma parameters can be detected better in such a plasma than in a DC plasma, so that, for example, the removal of the aluminum oxide layer present on aluminum components as well as the plasma diffusion itself can be controlled more accurately by detecting the plasma parameters.
  • the use of a plasma system for generating an HF plasma also has the further advantage that a subsequent coating process for applying a thin layer, in particular a layer of hard material, can then take place in the same plasma system, independently of the material of the layer to be applied. This applies in particular to electrically non-conductive layers for which the use of a DC plasma is not possible.
  • the Temperaturbowung for the heat treatment of the plasma diffusion or plasma nitriding subjected blank of the component requires in addition to Heating and required holding time at the appropriate temperatures also a subsequent deterrent.
  • this quenching takes place by targeted injection of liquid nitrogen into the plasma system. In this way, the quenching component need not be removed from the plasma system.
  • the use of liquid nitrogen as a deterrent offers the advantage that no contamination of the recipient by other gases has to be accepted.
  • the Oberflachenvergutung done by combining the plasma nitriding with a subsequent application of a Dunn für to produce the desired surface properties.
  • This combination also referred to as duplex method, preferably takes place continuously in the same plasma system by means of RF plasma diffusion for plasma nitriding and subsequent RF plasma deposition by PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) or PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition).
  • PACVD Pullasma Assisted Chemical Vapor Deposition
  • PAPVD Pullasma Assisted Physical Vapor Deposition
  • the coating is preferably carried out by deposition of one or more DLC (diamond like carbon) or BN (boron nitride) layers. These layers have a low coefficient of friction and high wear resistance.
  • DLC diamond like carbon
  • BN boron nitride
  • the plasma diffusion treatment has the task of hardening the component surface and improving the adhesion for the subsequently applied DLC or BN layer.
  • the component surface can better support the subsequent coating under high loads and thus significantly improve the load-bearing capacity of the coating system.
  • the component internally receives its ductile (tenacious) properties, which have a positive effect on fatigue strength and elongation at break.
  • Other layers than DLC or BN layers are of course possible.
  • the DLC or BN layer is a functional carrier for the tribological interaction of the component with a friction partner in use.
  • the generation of the diffusion layer and the layer system applied thereto by plasma-based processes offers the procedurally attractive possibility of both steps in a continuous process in a single plasma process. to realize investment.
  • Such components can be used, for example, very advantageous as lightweight components in mechanical engineering and in vehicle technology.
  • Aluminum alloys must be removed before any plasma diffusion treatment, the existing oxide layer on the component surface, as this is a diffusion barrier for nitrogen and other elements.
  • the removal of the oxide layer in the present method is preferably carried out by a plasma sputtering process, which can be carried out in the plasma system used without further ado. Subsequent to this sputtering process, the plasma system can optionally pre-nitride at an optimum temperature for the material alloy used.
  • high power pulsed DC generators may be used and combined with a heatable receiver.
  • a big advantage in the use of high-frequency currents is the ability to realize a complete thermal decoupling between the inside of the plant and the implementation by a capacitive transformer is used.
  • all components are preferably treated in separate ceramic or glass plugs (Topfnitr Schl).
  • the HF supply line via a ceramic, which is surrounded only by a metal film or a Metallhulse.
  • a heat radiator can be installed outside the glass boiler. However, it can also be used a classically constructed boiler, if this meets the electrical and thermal requirements. Ideally, this boiler is electrically and thermally isolated from the grounding system, when the structure of the system corresponds to the system principle of WO 2007/042017 Al. In the passage area between the two boiler systems there is a second plasma source.
  • Source may be an inductively coupled plasma source, which is supplied by a medium or high frequency.
  • a microwave source can also be used. In this way, a decoupling of ion energy and plasma density takes place.
  • Fig. 1 is a schematic representation of
  • FIG. 1 shows the different process sections and temperatures to which the component is exposed during the process.
  • the aluminum oxide layer is removed from the surface of the components by using an RF plasma, which is excited by HF currents. Through the sputtering process, the aluminum oxide layer can be reliably removed.
  • Sputtering result can be massively influenced by the gas composition, the HF parameters and the process pressure.
  • hydrogen should also be added to the process gas.
  • the time of complete removal of the layer can be determined by a suitable plasma diagnostics, since the plasma properties change due to the transition from an electrically insulating component surface (alumina layer) to an electrically conductive component surface.
  • pre-titration takes place by introducing nitrogen into the plasma kettle or recipient.
  • the Vornitriren takes place at moderate temperatures ( ⁇ 400 ° C). Most of the ion energies used must be below the sputtering threshold.
  • Process pressure and performance should be selected accordingly.
  • the temperature for the pre-nitriding is based on the desired diffusion depth and diffusion time. This process step is optional.
  • the subsequent main nitriding step with simultaneous solution cooling takes place at temperatures in most aluminum alloys at temperatures of about
  • the time for the Losungsgluhen is arbitrary and is based on the desired Nitrieriefe.
  • the temperature is in this case by suitable control of the plasma generation in the illustrated
  • the process pressure and the RF power are to be coordinated so that the majority of the sputtering threshold is not reached; usually process pressures of between 100 Pa and 500 Pa are desired.
  • the aluminum components to be treated are in this case in a pot made of ceramic or glass or in another electrically and thermally insulating material, which complies with the temperature profile during the heat treatment. This pot contains a radiation shield which impedes the infrared heat radiation.
  • Coating step performed.
  • the starting gases are exchanged in the plasma kettle or recipient.
  • This process part corresponds to a customary procedure with regard to selected gases and process parameters.
  • the process pressure thus drops to 0.5 to 5 Pa at the beginning of this process step.
  • a plasma system for the proposed method is used, as it is known from WO 2007/042017 Al.
  • This stand-alone PACVD technology realized with the system is largely scalable, operates without any cleaning and is excellently 3D-capable due to spatially displaced counterelectrodes, ie it is suitable for the treatment of three-dimensional components. It is a multi-source process of simultaneous operation of capacitively and inductively coupled plasmas provides. If required, this PACVD system technology can optionally be supplemented by a special interconnection of HF and bipolar pulsed DC plasma excitation of the capacitively coupled substrate electrode.
  • an RF-excited plasma is used with variable plasma density, which is independent of the ion energy adjustable, which can be achieved with the plasma system mentioned above.
  • variable plasma density which is independent of the ion energy adjustable, which can be achieved with the plasma system mentioned above.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberf lachenvergutung von metallischen Bauteilen, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die im Verlauf ihres Herstellungsprozesses nach einer Formgebung noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Bei dem Verfahren erfolgt die Oberf lachenvergutung durch Härtung einer Randschicht mittels Plasmadiffusion in einer Plasmaanlage, wobei die Wärmebehandlung simultan zur Plasmadiffusion durch eine gesteuerte Temperaturf uhrung wahrend der Plasmadiffusion erfolgt. Im Anschluss an diese Wärmebehandlung und Plasmadiffusion kann dann noch eine Beschichtung auf die gehartete Randschicht aufgebracht werden. Das Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit verschleißfesten Oberflachen.

Description

Verfahren zur Oberflachenvergutung von metallischen
Bauteilen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflachenvergutung von metallischen Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die zu einer erhöhten Verschleiß- bestandigkeit fuhrt.
Aluminium und Aluminiumlegierungen haben in den letzten Jahren neben anderen Leichtbauwerkstoffen wie Magnesium, Titan und polymeren Verbundwerkstoffen aus ökonomischen und ökologischen Gründen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aluminiumlegierungen spielen dabei wegen der vergleichsweise geringen Sprodigkeit und der unkomplizierten Wärmebehandlung eine wichtige Rolle für den Leichtbau. Für zahlreiche Bauteile im Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik, bspw. für Motorblocke, Zylinderkopfe oder Getriebegehause, werden jedoch auch erhöhte Anforderungen an die Verschleiß- und
Korrosionsbeständigkeit gestellt, welche der Werkstoff Aluminium aufgrund seiner geringen Harte und seiner Neigung zur Kaltverschweißung ohne weitere Maßnahmen nur unzureichend erfüllen kann.
Stand der Technik
Zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von metallischen Bauteilen sind verschiedene Verfahren der Oberflachenvergutung bekannt. Neben den üblichen umweltbedenklichen Vergutungsverfahren wie Hartanodisieren, Cadmieren und Chromatieren wird auch versucht, alternative und umweltschonende Methoden einzusetzen. Hierzu gehören neben den rein chemischen (CVD: Chemical Vapor
Deposition) und physikalischen (PVD: Physxcal Vapor Deposition) Gasphasenabscheideverfahren auch die Ionenstrahl-gestutzten Abscheideverfahren. Eine Anwendung dieser Techniken bei Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ist jedoch problematisch, da Aluminiummaterialien vergleichsweise weiche Grundwerkstoffe sind. Somit besteht unter hoher mechanischer Belastung aufgrund der unzureichenden Stutzfunktion durch das Bauteilmaterial selbst oder einer fehlenden tiefer reichenden Hartegradientenschicht die Gefahr einer frühzeitigen Zerstörung der aufgebrachten HartstoffSchicht durch ein Einbrechen in den Grundwerkstoff. Der Einsatz von Dunnschichten auf Aluminium- materialien ist damit bisher auf Anwendungsfalle mit lokal geringen mechanischen Belastungen beschrankt und nur in Ausnahmefallen lohnenswert.
Bei Stahlbauteilen werden zur Einstellung der erforderlichen Randschichtharte thermische Verfahren oder Plasmadiffusionsbehandlungen seit langem intensiv genutzt. Auf den so vorbereiteten Randschichten können dann die entsprechenden Dunnschichten abgeschieden werden und ihre Vorteile voll zur Geltung bringen. Der Einsatz thermischer Verfahren fuhrt bei Bauteilen aus Aluminium jedoch nicht zu der erforderlichen
Randschichtharte. Eine Härtung der Randschichten von Aluminiumbauteilen mit der Technik der Plasmadiffusion, insbesondere der Plasmanitrierung, wurde zwar bereits von verschiedenen Autoren berichtet, führte jedoch bisher nicht zu Bauteilen, die in Verbindung mit einer aufgebrachten Dunnschicht die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit erfüllen.
So generierten bspw. T. Arai et al . , Proc. Ist Intern. Conf. Ion Nitπdmg, Cleveland, OH (1986) 37, bereits mit Hilfe eines Stickstoffplasmas harte Aluminiumnitrid-Diffusionsschichten auf Aluminium- oberflachen. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Sputtern von Aluminiumoxid und der schwer kontrollierbaren Diffusion von Stickstoff in Aluminium bei inakzeptabel hohen Temperaturen für die eingesetzten Bauteile können die durch Plasmadiffusion erzeugten Aluminium- nitπdoberflachen jedoch nicht als Unterbau für moderne Hartstoffschichten in praxisrelevanten Anwendungen eingesetzt werden.
Sabina Gredelj et al., Radio frequency plasma nitridmg of aluminium at higher power levels, in: This Solid Films 515 (2006) 1480-1485, zeigen die Verwendung von HF-Plasmen zur Realisierung des Nitrierschritts bei Aluminiumbauteilen. Auch hier besteht jedoch das Problem, dass durch die bei der Plasmanitπerung auftretenden hohen Temperaturen die vorgefertigten
Aluminiumbauteile in ihrer Struktur geschadigt werden.
Eine Randschichthartung von Aluminiumbauteilen mit einer Aluminiumoxidschicht (Al2O3) ist zur Erzeugung eines Untergrundes für Hartstoffschichten nur unzureichend geeignet. Eine Aluminiumoxidschicht besitzt zwar eine höhere Harte als eine Aluminium- nitπdschicht , ist aber wesentlich spröder und neigt in Schichtform zur Rissbildung. Weiterhin ist eine derartige Schicht nur geringfügig temperaturleitfahig und bildet als entscheidenden Nachteil keine gradierte Diffusionszone aus. Dadurch kann auch durch Eloxieren bzw. Hartanodisieren von Aluminiumbauteilen kein ausreichender Untergrund für nachfolgende Dunnschicht- prozesse erzeugt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Oberflachenvergutung von metallischen Bauteilen anzugeben, das eine Vergütung von Bauteilen aus Aluminiummaterialien ermöglicht und zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit der Bauteile fuhrt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhangigen
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausfuhrungsbeispiel entnehmen.
Das vorgeschlagene Verfahren lasst sich für metallische Bauteile einsetzen, die im Verlauf ihres
Herstellungsprozesses nach einer Formgebung noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die für die Bildung des gewünschten inneren Werkstoffgefuges der Bauteile erforderlich ist. Eine derartige Wärmebehandlung ist auch unter dem Begriff des Losungsgluhens bekannt, um Legierungselemente homogen in der Matrix zu losen und gleichmaßige, homogene Gefuge- und Werkstoffeigen- schaften zu erhalten. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun die Härtung der Randschicht des Bauteils nicht nach dessen kompletter Fertigstellung, d. h. nach der Durchfuhrung der Wärmebehandlung, sondern simultan mit der Wärmebehandlung durchgeführt. Hierzu wird der Prozess der Plasmadiffusion, vorzugsweise einer Plasmamtrierung, in der eingesetzten Plasmaanlage so in der Temperatur gesteuert, dass der für die Wärmebehandlung erfor- derliche Temperaturverlauf eingehalten wird.
Plasmadiffusion und Wärmebehandlung erfolgen somit gleichzeitig, so dass das gewünschte homogene Werkstoffgefuge wahrend des Plasmaprozesses gebildet und nicht durch hohe Temperaturen bei einem spater erfolgenden Plasmadiffusionsprozess wieder gestört wird.
Mit einer derartigen Vorgehensweise lasst sich insbesondere bei Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ohne Zerstörung des Werkstoff- gefuges eine gehartete Randschicht erzeugen, die als Unterbau für die nachfolgende Aufbringung einer Dunnschicht, insbesondere einer HartstoffSchicht, gut geeignet ist.
Em derartiger Plasmadiffusions- oder Plasma- nitrierungsprozess kann bspw. in einer Plasmaanlage durchgeführt werden, die für eine Plasmabehandlung mittels eines DC-Plasmas (Gleichstromplasma) ausgebildet ist. Beispielsweise können hierzu klassische Nitrieranlagen mit gepulster DC- bzw. MF- Generatoreinheit verwendet werden. Der Ausbau der Anlage muss jedoch die notwendige Temperaturfuhrung zulassen, d. h. die geeigneten Temperaturen entweder über die Plasmaerzeugung oder unterstutzt durch zusatzliche Wärmequellen, bspw. über einen beheizbaren Rezipienten, ermöglichen. In einer besonders bevor- zugten Ausgestaltung wird jedoch die Plasmadiffusion mit einem HF-Plasma durchgeführt. Eine geeignete Plasmaanlage ist bspw. aus der WO 2007/042017 Al bekannt. Der Einsatz eines HF-Plasmas zur Plasma- nitrierung hat den Vorteil einer verbesserten Plasmaanalytik. Die Plasmaparameter lassen sich bei einem derartigen Plasma besser erfassen als bei einem DC-Plasma, so dass bspw. die Abtragung der auf Aluminiumbauteilen vorhandenen Aluminiumoxidschicht sowie die Plasmadiffusion selbst durch Erfassung der Plasmaparameter genauer gesteuert werden können.
Dadurch werden qualitativ hochwertigere Randschichten und Randschichtoberflachen für die anschließende Beschichtung erzielt. Eine Erfassung von Plasmaparametern in DC-Plasmen ist demgegenüber ohne nachhaltige Beeinflussung des Plasmas nicht möglich.
Der Einsatz einer Plasmaanlage zur Erzeugung eines HF-Plasmas hat auch den weiteren Vorteil, dass dann ein nachfolgender Beschichtungsprozess zur Aufbringung einer Dunnschicht, insbesondere einer HartstoffSchicht , unabhängig vom Material der aufzubringenden Schicht in der gleichen Plasmaanlage erfolgen kann. Dies betrifft insbesondere elektrisch nicht leitende Schichten, für die der Einsatz eines DC-Plasmas nicht möglich ist.
Die Temperaturfuhrung für die Wärmebehandlung des dem Plasmadiffusions- oder Plasmanitrierungsprozess unterzogenen Rohlings des Bauteils erfordert neben der Erwärmung und erforderlichen Haltezeit bei den entsprechenden Temperaturen auch eine anschließende Abschreckung. In der bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt diese Abschreckung durch gezielte Injektion von flussigem Stickstoff in die Plasmaanlage. Auf diese Weise muss das Bauteil für die Abschreckung nicht aus der Plasmaanlage entfernt werden. Prinzipiell ließe sich auch ein anderes flussiges Gas bei entsprechend tiefen Temperaturen nutzen. Aufgrund der Nutzung von Stickstoff für die Plasmanitrierung bietet die Verwendung von flussigem Stickstoff zur Abschreckung hier jedoch den Vorteil, dass keine Verunreinigung des Rezipienten durch andere Gase in Kauf genommen werden muss.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Oberflachenvergutung durch Kombination der Plasmanitrierung mit einer anschließenden Aufbringung einer Dunnschicht zur Erzeugung der gewünschten Oberflacheneigenschaften.
Diese Kombination, auch als Duplexverfahren bezeichnet, erfolgt bei dem vorliegenden Verfahren vorzugsweise durchgangig in der gleichen Plasmaanlage mittels HF- Plasmadiffusion für die Plasmanitrierung und anschließender HF-Plasmaabscheidung durch PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) oder PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapor Deposition) . Dabei kann ohne Unterbrechung der Stickstoffatmosphare von der Wärmebehandlung und dem simultanen Plasmanitrierungsprozess zum anschließenden Beschichtungsprozess übergegangen werden. Der unmittelbar im Anschluss an die Wärmebehandlung durchzuführende Auslagerungsschritt erfolgt dabei ebenfalls unter der Stickstoffatmosphare, so dass hier eine zusatzlich Nachnitrierung der Bauteil- oberflache stattfindet. Ohne ein Brechen von Vakuum und Plasma kann der letzte Schritt der Beschichtung dann in einfacher Weise durch Austausch der Gase in der Plasmakammer gestartet werden.
Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung einer oder mehrerer DLC- (Diamant Like Carbon) oder BN- (Bornitrid) Schichten. Diese Schichten weisen einen geringen Reibwert sowie einen hohen Verschleißwiderstand auf.
Die Plasmadiffusionsbehandlung hat bei dieser Ausgestaltung die Aufgabe, die Bauteiloberflache zu Harten und die Haftung für die anschließend aufgebrachte DLC- oder BN-Schicht zu verbessern. Durch die Härtung des Randbereichs kann die Bauteiloberflache die nachfolgende Beschichtung bei hohen Belastungen besser unterstutzen und so die Belastbarkeit des Schicht- Systems deutlich verbessern. Das Bauteil erhalt dabei intern seine duktilen (zähen) Eigenschaften, die sich positiv auf Schwingfestigkeit und Bruchdehnung auswirken. Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Dunnschichten auf ein derart randschichtgehartetes Bauteil aufbringen. Auch andere Schichten als DLC- oder BN-Schichten sind selbstverständlich möglich. Die DLC- bzw. BN-Schicht ist Funktionstrager für die tribo- logische Wechselwirkung des Bauteils mit einem Reibpartner im Einsatz. Die Erzeugung der Diffusions- schicht und des darauf aufgebrachten Schichtsystems durch plasmagestutzte Prozesse bietet die verfahrenstechnisch attraktive Möglichkeit, beide Schritte in einem durchgangigen Prozess m einer einzigen Plasma- anläge zu realisieren. Damit wird insbesondere für Bauteile aus Aluminium und Aluminiumlegierungen eine tragfahige Randschicht erzeugt, gefolgt von einer Beschichtung mit harten, chemisch resistenten, reib- und verschleißmindernden DLC- oder BN-Schichten .
Derartige Bauteile lassen sich bspw. sehr vorteilhaft als Leichtbauteile im Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik einsetzen.
Bei Einsatz von Bauteilen aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen muss vor jeder Plasmadiffusions- behandlung die vorhandene Oxidschicht an der Bauteil- oberflache entfernt werden, da diese eine Diffusionsbarriere für Stickstoff und andere Elemente darstellt. Die Entfernung der Oxidschicht erfolgt beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise durch einen Plasma- Sputterprozess, der sich in der eingesetzten Plasmaanlage ohne weiteres durchfuhren lasst. Im Anschluss an diesen Sputterprozess kann in der Plasmaanlage optional ein Vornitrieren bei einer für die verwendete Werkstofflegierung optimalen Temperatur erfolgen.
Um die für die Plasmadiffusion und die simultane Wärmebehandlung notwendigen Temperaturen in der Plasmakammer bzw. dem Rezipienten zu erreichen, können gepulste DC-Generatoren hoher Leistung verwendet und mit einem beheizbaren Rezipienten kombiniert werden. Um den hohen Energieverbrauch einer derartigen Verfahrens- fuhrung drastisch zu reduzieren, wird jedoch vorzugsweise auf beheizbare Rezipientenwande verzichtet und ein anderes Anlagenkonzept vorgeschlagen, das auf der Nutzung von HF-Plasmen basiert. Ein großer Vorteil bei der Verwendung von hochfrequenten Strömen liegt in der Möglichkeit, eine vollständige thermische Entkopplung zwischen dem Innenleben der Anlage und der Durchfuhrung zu realisieren, indem ein kapazitiver Übertrager eingesetzt wird. Um zusatzlich die Abstrahlung von Wärmeleistung zu behindern, werden alle Bauteile vorzugsweise in separaten Keramik- oder Glastopfen behandelt (Topfnitrieren) . Die HF-Zuleitung erfolgt über eine Keramik, welche lediglich von einem Metallfilm oder einer Metallhulse umgeben ist. Sollte eine Nachheizung erforderlich sein, kann außerhalb des Glaskessels ein Warmestrahler angebracht werden. Es kann jedoch auch ein klassisch aufgebauter Kessel eingesetzt werden, wenn dieser die elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllt. Idealerweise ist dieser Kessel elektrisch und thermisch gegenüber dem Massesystem isoliert, wenn der Aufbau der Anlage dem Anlagenprinzip der WO 2007/042017 Al entspricht. Im Durchgangsbereich zwischen den beiden Kesselsystemen befindet sich dabei eine zweite Plasmaquelle. Diese
Quelle kann eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle sein, die von einer Mittel- bzw. Hochfrequenz versorgt wird. Eine Mikrowellenquelle kann auch verwendet werden. Auf diese Weise findet eine Entkopplung von Ionenenergie und Plasmadichte statt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung der
Verfahrensfuhrung gemäß einem Ausfuh- rungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens .
Wege zur Ausfuhrung der Erfindung Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines möglichen Ausfuhrungsbeispiels nochmals erläutert, bei dem Bauteile aus einer Aluminium- legierung mit einem Duplexverfahren in einer HF- Plasmaanlage oberflachenvergutet werden.
Die Figur 1 zeigt die unterschiedlichen Verfahrensabschnitte und Temperaturen, denen das Bauteil wahrend des Verfahrens ausgesetzt ist. In einem ersten Schritt erfolgt eine Abtragung der Aluminiumoxid- Schicht von der Oberflache der Bauteile durch Verwendung eines HF-Plasmas, das durch HF-Strome angeregt wird. Durch den Sputterprozess kann die Aluminiumoxidschicht zuverlässig entfernt werden. Das
Sputter-Ergebnis kann durch die Gaszusammensetzung, die HF-Parameter und den Prozessdruck massiv beeinflusst werden. Neben dem immer vorhandnen Anteil an Argon, sollte auch Wasserstoff dem Prozessgas zugesetzt werden. Der Zeitpunkt der vollständigen Entfernung der Schicht kann durch eine geeignete Plasmadiagnostik ermittelt werden, da sich die Plasmaeigenschaften aufgrund des Übergangs von einer elektrisch isolierenden Bauteiloberflache (Aluminiumoxid-Schicht ) zu einer elektrisch leitenden Bauteiloberflache andern. Im Anschluss an den Sputter-Schritt findet in diesem Beispiel durch Einbringen von Stickstoff in den Plasmakessel bzw. Rezipienten eine Vormtrierung statt. Das Vornitriren findet bei moderaten Temperaturen (<400°C) statt. Die zur Anwendung kommenden Ionenenergien müssen sich mehrheitlich unter der Sputter- schwelle befinden. Prozessdruck und Leistung sind dementsprechend zu wählen. Die Temperatur für die Vor- nitrierung orientiert sich dabei an der gewünschten Diffusionstiefe und Diffusionszeit. Dieser Prozessschritt ist optional. Der anschließende Hauptnitrierschritt mit gleichzeitigem Losungsgluhen findet bei den meisten Aluminiumlegierungen bei Temperaturen um etwa
5000C statt, vorzugsweise im Bereich zwischen 4500C und 5500C. Die Zeit für das Losungsgluhen ist beliebig wahlbar und orientiert sich an der gewünschten Nitriertiefe. Die Temperatur wird hierbei durch geeignete Steuerung der Plasmaerzeugung in dem dargestellten
Bereich gehalten. Der Prozessdruck und die HF-Leistung sind so aufeinander abzustimmen, dass die Sputter- schwelle mehrheitlich nicht erreicht wird, üblicherweise werden Prozessdrucke zwischen 100 Pa und 500 Pa angestrebt. Die zu behandelnden Aluminiumbauteile befinden sich hierbei in einem Topf aus Keramik oder Glas oder in einem anderen elektrisch und thermisch isolierenden Material, das den Temperaturverlauf wahrend der Wärmebehandlung vertragt. Dieser Topf enthalt ein Strahlungsschild welches die infrarote Wärmestrahlung behindert.
Anschließend wird das für die Wärmebehandlung erforderliche Abschrecken der Bauteile durchgeführt. Dieser Schritt erfolgt in der gleichen Plasmaanlage durch gezielte Injektion von flussigem Stickstoff, so dass die bereits bestehende Stickstoffatmosphare dadurch nicht gestört wird. Der nach der Wärmebehandlung erforderliche Auslagerungsschritt über mehrere Stunden bei Temperaturen zwischen 1000C und 3000C erfolgt ebenfalls unter Stickstoffatmosphare, so dass die Bauteile hierdurch nachnitriert werden. Die zur Anwendung kommenden Prozessparameter sind denen für das Vornitrieren ähnlich, wobei die notwendige HF-Leistung geringer ist. Nach dem Auslagerungsschritt wird schließlich ohne ein Brechen von Vakuum und Plasma der abschließende
Beschichtungsschritt durchgeführt. Hierzu werden die Ausgangsgase im Plasmakessel bzw. Rezipienten ausgetauscht. Dieser Prozessteil entspricht einem marktublichen Verfahren hinsichtlich ausgewählter Gase und Prozessparameter. Der Prozessdruck sinkt damit mit Beginn dieses Prozessschritts auf 0,5 bis 5 Pa. Durch Aufbringen einer DLC-Schicht auf die Bauteile wird bei diesem Schritt eine besonders verschleißfeste Oberflache der Bauteile erhalten. Der ganze Prozess der Oberflachenvergutung erfolgt damit in einer einzigen Plasmaanlage ohne die Notwendigkeit die Bauteile zwischenzeitlich herausnehmen zu müssen.
Besonders vorteilhaft wird eine Plasmaanlage für das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt, wie sie aus der WO 2007/042017 Al bekannt ist. Diese mit der Anlage verwirklichte eigenständige PACVD-Technologie ist weitgehend skalierfahig, arbeitet reinigungsfrei und ist durch räumlich verschobene Gegenelektroden hervorragend 3D-fahig, d. h. zur Behandlung von dreidimensionalen Bauteilen geeignet. Es handelt sich um einen Mehrquellenprozess der den gleichzeitigen Betrieb von kapazitiv und induktiv gekoppelten Plasmen vorsieht. Diese PACVD-Anlagentechnologie kann optional bei Bedarf auch durch eine spezielle Verschaltung von HF- und bipolar gepulster DC-Plasmaanregung der kapazitiv angekoppelten Substratelektrode ergänzt werden.
Besonders vorteilhaft zum erfolgreichen Absputtern der AL2O3-HaUt wird ein HF-angeregtes Plasma mit variabler Plasmadichte eingesetzt, die unabhängig von der Ionenenergie einstellbar ist, was sich mit der oben genannten Plasmaanlage erreichen lasst. Für den gleichmaßigen Aufbau einer Diffusionszone können im Rahmen einer Plasmadiagnostik Plasmaparameter des HF- Plasmas erfasst werden, um die Plasmanitrierung mit einem kontrollierten Mehrquellen-Hochfrequenzprozess durchzufuhren. Das Aufbringen der DLC-Schicht im selben Rezipienten kann durch bekannte und etablierte Prozesse erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflachenvergutung von metallischen Bauteilen, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die im Verlauf ihres Herstel- lungsprozesses nach einer Formgebung noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei dem die Oberflachenvergutung eine Härtung einer Randschicht mittels Plasmadiffusion in einer Plasmaanlage umfasst , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung simultan zur Plasma- diffusion durch eine gesteuerte Temperaturfuhrung wahrend der Plasmadiffusion erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- vor der Plasmadiffusion eine Oxidschicht, die nach der Formgebung auf Rohlingen der Bauteile gebildet ist, durch Sputtern entfernt wird, - eine im Rahmen der Wärmebehandlung erforderliche Abschreckung der Bauteile durch Injektion von flussigem Stickstoff in die Plasmaanlage erfolgt,
- die Oberflachenvergutung weiterhin eine Beschichtung der Bauteile umfasst, die auf die gehartete Randschicht aufgebracht wird, und
- zwischen der Plasmadiffusion und der Beschichtung ein Auslagerungsschritt in der Plasmaanlage durchgeführt wird, wahrend dem unter Stickstoff- atmosphare eine Nachnitπerung erfolgt.
3. Verfahren nach der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Rahmen der Wärmebehandlung erforderliche Abschreckung der Bauteile durch Injektion von flussigem Stickstoff in die Plasmaanlage erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenvergutung weiterhin eine
Beschichtung der Bauteile umfasst, die auf die gehartete Randschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung eine HartstoffSchicht , insbesondere eine DLC- oder eine BN-Schicht, aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Plasmaabscheidung, insbesondere mittels Plasma-CVD oder Plasma-PVD, aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadiffusion und die Beschichtung in einem durchgangigen Prozess in der gleichen Plasmaanlage erfolgen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Plasmadiffusion und der Beschichtung ein Auslagerungsschritt in der Plasmaanlage durchgeführt wird, wahrend dem unter Stickstoffatmosphare eine Nachnitrierung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Plasmadiffusion eine Oxidschicht, die nach der Formgebung auf Rohlingen der Bauteile gebildet ist, durch Sputtern entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sputtern und der Plasmadiffusion ein Vornitrierungsschπtt durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung der Randschicht durch eine Plasmanitrierung erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadiffusion mit einem HF-Plasma durchgeführt wird.
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