WO2013023802A1 - Einglättende schicht für metallische werkstücke - Google Patents

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Ulrich May
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Robert Bosch Gmbh
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    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3485Sputtering using pulsed power to the target
    • HELECTRICITY
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    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3464Operating strategies
    • H01J37/3467Pulsed operation, e.g. HIPIMS

Definitions

  • the present invention relates to coatings for metallic workpieces, e.g. made of steel, aluminum or titanium.
  • metallic workpieces e.g. made of steel, aluminum or titanium.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • PECVD Physical Vapor Deposition
  • diamond-like carbon layers for example, diamond-like carbon layers
  • these layers consist of several individual components.
  • the functional layer portion for example wear protection
  • a metallic, adhesion-promoting intermediate layer for example to ensure the function of the layer.
  • a coating system for metallic workpieces comprising at least one adhesion-promoting layer applied to the workpiece surface and at least one functional layer applied to the at least one adhesion-promoting layer, wherein the adhesion-promoting layer applied to the workpiece surface is determined by means of a HiPIMS method ("High Power Impulse Magnetron Sputtering ", also" High Power Pulse Magnetron Sputtering "- HPPMS) was applied.
  • HiPIMS method High Power Impulse Magnetron Sputtering ", also” High Power Pulse Magnetron Sputtering "- HPPMS
  • metal workpieces is understood to mean, in particular, workpieces made of metal, in particular iron, steel, aluminum, titanium or alloys of these substances, for example as components or components, in a fuel injection system, for example as part of a fuel injector, or as part of a fuel injection system High-pressure fuel pump can be used.
  • adheresion-promoting layer is understood in particular to mean a layer or a layer system which comprises the functional layer
  • Component binds. This bond is also based on the implantation of
  • Adhesive layer on the surface of the metallic workpiece is Adhesive layer on the surface of the metallic workpiece.
  • the adhesion-promoting layer typically comprises metallic layers, but also connecting layers or mixed layers with metals with the elements oxygen, nitrogen, carbon with hydrogen.
  • the implantation of the metals chromium, titanium, niobium and other transition metals form strong bonds with the atoms of the metallic workpiece.
  • the essential function of the adhesion-promoting layer is this bond even under high mechanical load of the operating stress
  • the adhesion-promoting layer which likewise ensures the smoothing of the surface, does not necessarily have to be over the layer thickness of a homogeneous texture. It can have gradients in the composition over the layer thickness or change the composition over the layer thickness two to five times.
  • adhesion-promoting layer If more than one adhesion-promoting layer is provided, it will be understood by those skilled in the art that only the “lowermost” layer, i.e. the workpiece closest to the workpiece, is applied to the workpiece while referring to the "uppermost”, i. the workpiece furthest layer, the functional layer is applied.
  • function-giving layer is understood in particular to mean a layer which significantly improves the mechanical, tribological load-bearing capacity of the surface of the metallic workpiece and / or significantly reduces the coefficient of friction of this surface
  • Properties are considered to increase the load-bearing capacity by at least 20% (eg impact resistance, stress resistance under one-sided or reversing vibratory friction load, surface resistance to scratches / grooves due to abrasive particles, temperature resistance, cavitation resistance) or an extension of the service life of a surface Highly stressed machine element by the coating of at least 20% compared to the uncoated variant with the same
  • HiPIMS method is understood to mean vacuum sputtering methods which are known under the name “High Power Impulse Magnetron Sputtering” and / or “High Power Pulsed Magneton Sputtering.” In particular, this term is understood to mean a method in which special
  • HiPIMS generator consists of one
  • Capacitor bank which is fed from a power supply. This capacitor bank is then put into vacuum via a switch
  • Discharge sputtering target Discharge sputtering target.
  • the current slew rate is in the
  • the implantation of the adhesive layer atoms in the surface of the metallic workpiece is preferably directly based on the application of the HiPIMS method. Also is a local epitaxy (the crystal structure of the layer agrees with the
  • Crystal structure of the metallic workpiece this can extend to ranges of up to 100 nm 2 ) can be achieved on an industrial scale by means of HiPIMS technology. It has been found that in most applications the
  • Layer microstructure of the adhesive layer is determined by the HiPIMS method.
  • HiPIMS method e.g. conventional DC sputtering, in which typical
  • Embodiment of the invention represents. Furthermore, in most applications of the present invention, no growth disturbances in the microstructure are induced at edges determined by the geometry of the metallic workpiece, but a contour-consistent imaging through the coating takes place. This therefore also represents a preferred embodiment of the invention.
  • the present invention also relates to a method for producing an adhesion-promoting layer for metallic workpieces, comprising the step of applying the adhesion-promoting layer by means of a
  • the HiPIMS method is at a power density in the pulse maximum of> 1 MW to ⁇ 8 MW. This has proven itself in practice. On average, the power densities are comparable to those of conventional magnetron sputtering due to the maximum thermal load capacity of the sputtering cathodes.
  • the duty cycle of the pulsed drive is> 0.005 to ⁇ 0.05.
  • current densities on the target surface are usually up to 5 A / cm 2 , at up to 1200 V.
  • the HiPIMS method is performed at a plasma density of> 10 17 1 / m 3 achieved up to ⁇ 5 * 10 20 1 / m 3 , preferably from> 10 18 1 / m 3 to ⁇ 10 20 1 / m 3 .
  • Conventional DC magnetron sputtering typically uses plasma densities of 10 16 1 / m 3 in comparison.
  • the HiPIMS method is performed at pulse durations in the range of> 1 s to ⁇ 3 ms, preferably ⁇ 500 s.
  • the repetition frequencies of the pulses or pulse groups are preferably> 10 Hz up to ⁇ 10 kHz.
  • the present invention further relates to the use of a HiPIMS process for the preparation of adhesion promoting layers
  • Fig. 1 is a schematic partial side view of a
  • Fig. 2 is a schematic partial side view of a
  • FIG. 1 shows a schematic partial side view of a
  • Coating system 1 for metallic workpieces according to a first
  • an adhesion-promoting layer 2 has been applied to the surface 11 of the metallic workpiece 10 to be coated by means of the HiPIMS method. It can be seen that this layer 2 not only provides a smooth surface, but also compensates for the roughness of the workpiece surface 11, ie acts as a "smoothing" layer
  • the function-imparting layer 3 is applied to the adhesion-promoting layer 2 Service. This can also be done by HiPIMS, but also by conventional
  • Fig. 2 is a schematic partial side view of a

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungssystem für metallische Werkstücke, wobei auf das Werkstück mittels eines HiPIMS-Verfahrens eine haftvermittelnde und einglättende Schicht aufgebracht wird.

Description

Beschreibung
Titel
Einglättende Schicht für metallische Werkstücke Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für metallische Werkstücke die z.B. aus Stahl, Aluminium oder Titan bestehen. Zum Schutz vor mechanischem Verschleiß werden derartige Werkstücke, die z.B. in mechanisch hochbelasteten Maschinenkomponenten benutzt werden, üblicherweise beschichtet. Dabei werden z.B. mittels PVD („Physical Vapour Deposition") aufgebrachte Nitrid oder Carbidschichten verwendet. Auch finden Kombinationsverfahren aus PVD und PECVD („Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition") beispielsweise bei diamantartigen Kohlenstoffschichten
(DLC,„Diamond Like Carbon") Anwendung.
Typischerweise bestehen diese Schichten aus mehreren Einzelkomponenten. So ist es bei Werkstücken, welche einer hohen tribologischen Belastung unterliegen häufig notwendig, den funktionsgebenden Schichtanteil (z.B. Verschleißschutz) mittels einer metallischen, haftvermittelnden Zwischenschicht an die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks anzubinden und damit die Funktion der Schicht zu gewährleisten. Obwohl eine Vielzahl von Schichtsystemen für metallische Werkstücke bekannt sind, besteht die Notwendigkeit und die Nachfrage nach alternativen
Schichtsystemen mit ggf. verbesserten Eigenschaften.
Offenbarung der Erfindung Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative
Beschichtungslösung für metallische Werkstücke bereitzustellen. Dies wird durch das Beschichtungssystem gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird ein Beschichtungssystem für metallische Werkstücke bereitgestellt, umfassend mindestens eine auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte haftvermittelnde Schicht sowie mindestens eine auf die mindestens eine haftvermittelnde Schicht aufgebrachte funktionsgebende Schicht, wobei die auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte haftvermittelnde Schicht mittels eines HiPIMS-Verfahrens („High Power Impulse Magnetron Sputtering", auch„High Power Pulse Magnetron Sputtering" - HPPMS) aufgebracht wurde.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass so selbst bei Werkstücken mit einer hohen Oberflächenrauhigkeit (d.h. Ra-Werte von 1 ,5 - 2μη"ΐ) eine haftvermittelnde Schicht mit einer glatten Oberfläche mit Ra-Werten im Bereich von Ra 0,012 μηη bis Ra 0,05 μηη hergestellt werden kann. Die haftvermittelnde Schicht dient somit gleichzeitig als einglättende Schicht.
Unter dem Term„metallische Werkstücke" werden insbesondere Werkstücke aus Metall, insbesondere Eisen, Stahl, Aluminium, Titan oder Legierungen dieser Stoffe verstanden, welche beispielsweise als Bauteile oder Bauelemente, in einem Kraftstoffeinspritzsystems beispielsweise als ein Bestandteil eines Kraftstoffinjektors, oder auch als ein Bestandteil einer Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt werden.
Besonders vorzuheben sind in diesem Zusammenhang Anwendungen in den Funktionsgruppen/Maschinenelementen Ventile (Schalt-, Regel-, Dosierventile), Druckerzeuger/-übersetzer (Kolben-Zylinder-Systeme) sowie Gleitlagerungen (radial, axial) und Kupplungen. Diese metallischen Werkstücke, Bauteile werden in ihrer Funktion (Kraftübertragung, Druckerzeugung, Kraftstoffdosierung) mechanisch hoch belastet und erfordern daher eine tribologisch günstige, hohe Oberflächengüte. Typischerweise ist diese hohe Oberflächengüte oft auch für sehr enge (« 1 μηη ... 2 μηη) Toleranzpaarungen notwendig.
Unter dem Term„haftvermittelnde Schicht" wird insbesondere eine Schicht oder ein Schichtsystem verstanden, welche die funktionsgebende Schicht
(Verschleißschutz, Abrasionsbeständigkeit, hohe Härte) durch physikalische und chemische Bindungskräfte zwischen den Kontaktoberflächen (Haftschicht - Werkstückoberfläche) an die technisch raue Oberfläche des metallischen
Bauteils anbindet. Diese Bindung beruht auch auf der Implantation von
Metallionen des Haftschichtmaterials in die Oberfläche (1 nm bis 10 nm) des metallischen Werkstückes sowie auf lokal epitaktischem Wachstum der
Haftschicht auf der Oberfläche des metallischen Werkstückes.
Die haftvermittelnde Schicht umfasst dabei typischerweise metallische Schichten, aber auch Verbindungsschichten oder Mischschichten mit Metallen mit den Elementen Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff mit Wasserstoff.
Die Implantation der Metalle Chrom, Titan, Niob und weitere Übergangsmetalle gehen starke Bindungen mit den Atomen des metallischen Werkstückes ein. Die wesentliche Funktion der haftvermittelnden Schicht ist es, diese Bindung auch unter hoher mechanischer Belastung der Betriebsbeanspruchung
sicherzustellen. Die haftvermittelnde Schicht, welche ebenfalls die Glättung der Oberfläche gewährleistet muss nicht zwingend über die Schichtdicke von homogender Beschaffenheit sein. Sie kann Gradienten in der Zusammensetzung über die Schichtdicke aufweisen oder auch über die Schichtdicke zwei bis fünf mal die Zusammensetzung sprunghaft ändern.
Falls mehr als eine haftvermittelnde Schicht vorgesehen ist, ist es für den Fachmann verständlich, dass nur die„unterste" d.h. dem Werkstück am nächsten liegende Schicht auf dem Werkstück aufgebracht ist, während auf die„oberste", d.h. dem Werkstück am weitesten liegende Schicht die funktionsgebende Schicht aufgebracht ist.
Unter dem Term„funktionsgebende Schicht" wird insbesondere eine Schicht verstanden, welche die mechanische, tribologische Belastbarkeit der Oberfläche des metallischen Werkstückes signifikant verbessert oder/und den Reibwert dieser Oberfläche signifikant senkt. Als signifikante Verbesserung der
Eigenschaften wird eine Steigerung der Beanspruchbarkeit um mindestens 20 % angesehen (z. B. Schlagbelastbarkeit, Beanspruchbarkeit unter einsinniger bzw. reversierender Schwing-Reibbelastung, Beanspruchbarkeit der Oberfläche gegen Kratzer/Furchen durch abrasive Partikel, Temperaturbelastbarkeit, Kavitationsbeständigkeit) bzw. eine Verlängerung der Lebensdauer eines hochbelasteten Maschinenelements durch die Beschichtung von mindestens 20% im Vergleich zur unbeschichteten Variante bei gleichbleibender
Beanspruchung. Unter dem Term„HiPIMS-Verfahren" werden Vakuumsputterverfahren verstanden, die unter dem Namen„High Power Impulse Magnetron Sputtering" und/oder„High Power Puls Magneton Sputtering" bekannt sind. Insbesondere wird unter diesem Term ein Verfahren verstanden bei dem spezielle
Leistungsversorgungen zur Erzeugung des HiPIMS-Plasmapulses zum Einsatz kommen. Diese können bei sehr kurzen Pulsen sehr hohe Strom und
Leistungsdichten auf dem Sputtertarget im Vergleich zu herkömmlichem DC- Sputtern erzeugen. Prinzipiell besteht ein HiPIMS-Generator aus einer
Kondensatorbank, welche aus einer Leistungsversorgung gespeist wird. Diese Kondensatorbank wird dann über einen Schalter ins Vakuum auf das
Sputtertarget entladen. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit wird dabei im
Allgemeinen durch eine zwischengeschaltete Induktivität eingestellt und begrenzt oder alternativ durch Halbleiterschaltelemente.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Oberflächenrauhigkeit der mindestens einen haftvermittelnden Schicht von Ra
>0,012 μηη bis Ra <0,05 μηη. Die Implantation der Haftschichtatome in die Oberfläche des metallischen Werkstückes geht dabei bevorzugtdirekt auf die Anwendung des HiPIMS-Verfahrens zurück. Ebenfalls ist eine lokale Epitaxie (die Kristallstruktur der Schicht stimmt mit der
Kristallstruktur des metallischen Werkstückes überein, dies kann sich auf Bereiche von bis zu 100 nm2 erstrecken) in industriellem Maßstab mittels der HiPIMS-Technologie erreichbar. Es hat sich herausgestellt, dass bei den meisten Anwendungen die
Schichtmikrostruktur der Haftschicht durch das HiPIMS-Verfahren bestimmt wird. Im Gegensatz zum z.B. konventionellen DC-Sputtern, bei dem typische
Metallhaftschichten ein säulenförmiges Schichtwachstum aufweisen, weisen die mittels HiPIMS-Verfahren aufgebrachten Schichten oftmals ein dichtes, amorphes, strukturloses Schichtwachstum auf, was insofern eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung darstellt. Ferner werden bei den meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung an durch die Geometrie des metallische Werkstückes bestimmten Kanten keine Wachstumsstörungen in der Mikrostruktur induziert, sondern es findet eine konturgetreue Abbildung durch die Beschichtung statt. Dies stellt somit ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht für metallische Werkstücke, umfassend den Schritt des Aufbringens der haftvermittelnde Schicht mittels eines
HiPIMS-Verfahrens.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS- Verfahren bei einer Leistungsdichte im Pulsmaximum von >1 MW bis <8 MW. Dies hat sich in der Praxis bewährt. Im Mittel sind die Leistungsdichten wegen der maximalen thermischen Belastbarkeit der Sputterkathoden vergleichbar denen des konventionellen Magnetronsputterns.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Tastgrad der gepulsten Ansteuerung bei >0,005 bis <0,05. Dabei werden üblicherweise Stromdichten auf der Targetoberfläche bis zu 5 A/cm2, bei bis zu 1200 V
Targetspannung erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS- Verfahren bei einer erreichten Plasmadichte von >1017 1/m3 bis zu <5*1020 1/m3 durchgeführt, bevorzugt von >1018 1/m3 bis zu <1020 1/m3. Dies hat sich in der Praxis bewährt und stellt eine besonderen Vorteil der Erfindung dar. Beim konventionellen DC-Magnetronsputtern werden im Vergleich typischerweise Plasmadichten von 1016 1/m3 verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das HiPIMS- Verfahren bei Pulsdauern im Bereich von >1 s bis <3ms, bevorzugt <500 s durchgeführt. Bevorzugt liegt dabei die Wiederholfrequenzen der Pulse oder Pulsgruppen bei > 10 Hz bis zu <10 kHz. Dies führt im Ergebnis dazu, dass bei den meisten in der Praxis beobachteten Verfahrensdurchführungen die zur Schichtbildung führenden Spezies je nach Sputtermaterial bis zu 90% ionisiert am Substrat vorliegt. Dies stellt einen wesentliche Vorteil des HiPIMS-Verfahrens dar.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf die Verwendung eines HiPIMS-Verfahrens zur Herstellung von haftvermittelnden Schichten bei
Beschichtungssystemen für metallische Werkstücke
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden
Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines
Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines
Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß eines
Vergleichsbeispiels
Fig.1 zeigt eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines
Beschichtungssystems 1 für metallische Werkstücke gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist auf die Oberfläche 1 1 des zu beschichtenden metallischen Werkstücks 10 eine haftvermittelnde Schicht 2 mittels des HiPIMS-Verfahrens aufgebracht worden. Man sieht, dass diese Schicht 2 nicht nur eine glatte Oberfläche liefert, sondern auch die Rauhigkeit der Werkstückoberfläche 1 1 ausgleicht, d.h. als„einglättende" Schicht fungiert. Auf die haftvermittelnde Schicht 2 ist die funktionsgebende Schicht 3 aufgebracht worden. Dies kann ebenfalls per HiPIMS, aber auch per konventionellen
Verfahren geschehen. Es resultiert ein Werkstück mit einer glatten Oberfläche 4.
Fig. 2 eine schematische ausschnittsweise Seitenansicht eines
Beschichtungssystems für metallische Werkstücke gemäß eines
Vergleichsbeispiels. Die einzelnen Komponenten sind grundsätzlich dieselben, sodass dieselben Nummern verwendet werden. Der Unterschied ist hier jedoch, dass die gemäß eines konventionellen Verfahrens aufgebrachte haftvermittelnde Schicht 2 nicht in der Lage ist,„einglättend" zu wirken, so dass eine Oberfläche 4 mit einer erheblich größeren Rauhigkeit resultiert.
Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem
Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendetet^ Wort umfassen schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein" schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten.

Claims

Ansprüche
1 . Beschichtungssystem (1 ) für metallische Werkstücke (10), umfassend
mindestens eine auf die Werkstückoberfläche (1 1 ) aufgebrachte
haftvermittelnde Schicht (2) sowie mindestens eine funktionsgebende Schicht (3), wobei die auf die Werkstückoberfläche aufgebrachte
haftvermittelnde Schicht (2) mittels eines HiPIMS-Verfahrens aufgebracht wurde.
2. Beschichtungssystem gemäß Anspruch 1 , wobei mindestens eine
haftvermittelnde Schicht (2) eine Oberflächenrauhigkeit von Ra >0,012 μηη bis Ra <0,05 μηη besitzt.
3. Beschichtungssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine haftvermittelnde Schicht (2) ein dichtes, amorphes, strukturloses
Schichtwachstum aufweist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungssystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den Schritt des Aufbringens einer
haftvermittelndenSchicht (2) auf die Werkstückoberfläche (1 1 ) eines
Werkstücks (10) mittels eines HiPIMS-Verfahrens.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das HiPIMS-Verfahren bei einer
Leistungsdichte im Pulsmaximum von >1 MW bis <8 MW durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das HiPIMS-Verfahren bei einer erreichten Plasmadichte von >1017 1/m3 bis zu <5*1020 1/m3 durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das HiPIMS- Verfahren bei Pulsdauern im Bereich von >1 s bis <3ms durchgeführt wird.
8. Verwendung eines HiPIMS-Verfahrens zur Herstellung von haftvermittelnden Schichten (2) bei Beschichtungssystemen (1 ) für metallische Werkstücke
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