DD202898A1

DD202898A1 - Hartstoff und festkoerperschmierstoffschichtsystem

Info

Publication number: DD202898A1
Application number: DD23453581A
Authority: DD
Inventors: Klaus Gaertner
Original assignee: Ruhla Uhren Veb K
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1983-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem, das mittels Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe, insbesondere auf Schnitt-, Stanz-, Zieh- und Zerspanungswerkzeuge, auf Vorrichtungen, Lagern u. ae. aufbringbar ist. Ziel der Erfindung ist es, ein universell einsetzbares Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem, welches zu einer wesentlichen Standzeiterhoehung fuehrt, zu schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe aufbringbares sehr duennes Hartstoff- und Festkoerperschmierstoffschichtsystem im nm-Bereich zu finden, das durch eine Haerteerhoehung der Schichten bei gleichzeitiger Verminderung des Reibungskoeffizienten der Schichten zu einer Minderung des Verschleisses und Verbesserung der Gleiteigenschaften fuehrt. Erfindungsgemaess ist der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur ueberlagert. D. auf die Hartstoffschicht ohne Unterbrechung des Vakuums aufgesputterte Schicht ist bspw. Molybdaendisulfid. Die Gesamtschicht des Hartstoff und Festkoerperschmierstoffschichtsystem liegt in einem Bereich von 100 - 1000 mym.

Description

234535

Titel der Erfindung

Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem

Anwendungsgebiet - '

Die Erfindung betrifft ein Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem, das mittels Sputtern auf verschiedene Metallwerlcstof fe , insbesondere auf Schnitt^- Stanz^y—Zxeh^r-— and Zerspanungswerkzeuge, auf Vorrichtungen Lager u. ä. aufbringbar ist·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist allgemein bekannt auf verschiedenartige Werkstoffe durch bestimmte Verfahren Schichten aufzubringen, die bspw. eine Erhöhung der Standzeit und eine Verminderung des Verschleißes von Werkzeugen, Lagern o« ä. bewirken. Diese Schichten können durch CVD (Chemische Abscheidung aus der Gasphase), Sputtern, Ion-Plating oder auch durch galvanische Verfahren aufgebracht werden. In den meisten Anwendungsfällen wird die Standzeiterhöhung durch das Aufbringen von Hartstoffschichten wie z. 8* Karbiden, Nitriden oder Boritfen erreicht. Die erzielte'Standzeiterhöhung ist dabei vom konkreten Anwendungsfall abhängig. Nachteilig bei den bisher bekannten Schichten ist, daß sie zur Erhöhung der Standzeit nur einseitig durch eine'Härteerhöhung und der damit verbundenen Verschleißminderung wirken." Ein in zahlreichen Fällen benötigtes Schraierverhalten und damit eine Verbesserung des Gleitverhaltens

, , -- ;' - , -. ' -^{: :} ;. ^;' ~_ 2 -' .· ' . , 11;JÄIi.1982*982.6i6 :

wird nicht erreicht. Nachteilig an den meisten bekann t-en Verfahren ist weiterhin eine erhebliche Temperaturbelastung der Substrate, die unter bestimmten Bedingungen unerwünschte Gefügeänderungen und Deformationen des ,Substrats bewirkt. Nachteilig sind ebenfalls bspw» beim 5"CVD-Verfahren, die verfahrensbedingten großen Schicht- ~_ "dicken "(größer 1 "jum bis zu mm"). und damit der erschwerte

, Einsatz in bestimmten Gebieten des Werkzeug- und Maschinenbaus/ ^ ' " . . Λ .

Die DE-OS 15 21 325 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von verschleißfesten Gleitflächen mit guten w" Einlaufeigenschaften auf Werkstücke aus Eisen und Stahl, ' *bspw» Zylinder-Kolben, Nitridgehärtete Gleit flächen, insbesondere glimmnitrierte Gleitflächen haben eine sehr hohe Verschleißfestigkeit. Die"nitridgehärteten Gleitflächen, insbesondere ionitrierte Werkstücke aus Eisen und Stahl erhalten^bei diesem Verfahren an ihrer Oberfläche eine weichere Einlaufschicht von max. 0,01 mra Dicke· Diese weichere Einlauffläche wird erfindungsgemäß durch an sich bekannte Veredlungsverfahren, wie Galvanotechnik, Katodenzerstäubung oder Aufdampfen im Vakuum aufgebracht. Die ,. , weichere Oberflächenschicht nutzt sich vergleichsweise schneller ab und führt daher schon in kurzer Zeit zu einem guten Tragespiegel, bei dem die tragende Funktion auf die durchtretenden Partien der verschleißfesten gehärteten Schicht entfällt. ·> , . Nachteilig hi'erbei ist, daß durch die schnellere Ab- ·

- nutzung der weicheren Oberflächenschicht eine dauerhafte Verbesserung des Schmieryerhaltens nicht erreicht wird.

Ein weiterer Nachteil ist die höhere Temperaturbelastung, ' was bei VVerkzeugen Gefügeänderungen und Verzug des Werk-

zeuges zur Folge haben kann. χ - ,

In der DE-OS 15 21 370 ist ein Verfahren zur Herstellung 35~von Gleitoberflächen auf Stahlgegenständen beschrieben. . Bei diesem Verfahren wird der Stahlgegenstand zunächst

Λ ^ (Λ M α η Ί η . i\ €λ c\ γ* .4 γ*

ganz oder teilweise mit einer wäßrigen Aluminiumbjlogenidlösung benetzt. Darauf wird ein Bronzepulver oder ein pulverförmiges Metallgemisch, welches beim Zusammensintern Bronze bildet, aufgebracht. Dieses wird durch Sinterung mit der Oberfläche verbunden» Auf diesem Haftgrund wird eine wäßrige Dispersion von Polytetrafluorethylen und einem abriebfesten Hetalloxyd aufgebracht, welches beim Erhitzen eine ganz oder teilweise vorhandene Gleitoberfläche, bildet» Die Dispersion kann zusätzlich Bleimonoxyd

oder Molybdänsulfid enthalten. _v

Die bei diesem Verfahren entstandene ganz oder teilweise vorhandene Gleitfläche ist ebenfalls nicht in der Lage eine dauerhafte Verbesserung des Gleitverhaltens zu garantieren. Weitere Nachteile sind die damit verbundene geringere Standzeiterhöhung und die geringere Qualität der aufgebrachten Schichten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein universell einsetzbares Hartstoff und FestkörperschmierstoffSchichtsystem, welches zu einer wesentlichen Standzeiterhöhung beiträgt, zu schaffen«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Qer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe aufbringbares sehr dünnes Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem im nm-Bereich zu finden, das durch eine Härteerhöhung der Schichten bei gleichzeitiger Verminderung des Reibungskoeffizienten der Schichten zu einer Minderung des Verschleißes und Verbesserung der Gleiteigenschaften

£rfindungsgemäß\ wird dies dadurch erreicht ,daß der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur überlagert ist. Dabei ist die auf die Hart- -.' -.-.. β to ff schicht ohne Unterbrechung des Vakuums aufgesputterte Schicht bspw. Molybdändisulfid. Die Gesamtschichtdicke des Hartstoff und Festkörperschraierstoffschichtsystems liegt

im einem Bereich von 100 - 1000 nsu

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· Es ist bekannt, mittels verschiedener Verfahren Hartstoffschichten auf verschiedene Metallwerkstoffe aufzubringen. Bei der erfindungsgemäSen Lösung ist nun der zuerst aufgebrachten Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur überlagert· Für das Aufbringen dieses Schichtsysteras wird das bekannte Hochfrequenzkatodenzerstäubungsverfanren (Sputtern) angewandt· Ira Zusammenhang

,mit diesem Verfahren siod speziell erarbeitete Vorreinigumgstechnologien erforderlich· Der vorbereitete Metallwerkstoff der bspw· ein Werkzeug, ein Lager o. ä, sein kann wird in der Vorbehandlung nach dem Spülen bspw· in ^Aceton in destilliertem Wasser zwischengespült, danach in einem zyanhaltigen Elektrolyten elektrolytisch entfettet und nach nochmaligen Spülen in destilliertem Wasser einer abschließenden Methanolspülung unterzogen. Diese Technologie ist Grundlage sämtlicher durchgeführter .Sputteryersuch.e. Neben dieser Vorreinigungstechnclogie werden die zu behandelnden Werkstoffe bspw. Substrate im Vakuum durch Ionenreinigung behandelt. Entsprechend der Größe des zu behandelnden Werkstoffes sind von Fall zu Fall verschiedene Ausgangswerte erf order lic tL»_JIn„einem Ausführungsbeispiel sind bspw. die Reinigungszeit t Rz = 10 min das Ausgangsvakuum P. = 5 χ 10 Torr, der Argondruck P_AR = 2 χ 10 Torr, die Substratspannung U₃ =0,5 KV und die Targetspannung U_ = 0,8 KV groß· Anschließend an das Ionenreinigen erfolgt in bekannter Weise das Aufbringen der Hartstoffschicht im nm-Bereich _L durch Aufsputtern. Hierbei sind ebenfalls von der Größe des zu beschichtenden Werkstoffes abhängige von Fall zu\ Fall verschiedene Verfahrenswerte erforderlich» Dabei handelt es sich um das Ausgangsvakuum P' , den Argondruck P_AR, die Targetspannung υ-, und die Beschichtungszeit t·

11 JAN, 1ä8:2*ä'8-2ö 16.

In einem Ausführungsbeispiel sind diese Werte P. = 5 χ "" ΙΟ"⁵ Torr, P_AR - 8 χ 10"² Torr, U₇ = 0,5 KV und t =30 min groß· Die erhaltene Schichtdicke ist bspw. von der Größe des Argondruckes P._R und dem Substrat-Target-Abstand abhangig. Die Hartstoffschicht kann bspw, Titancarbid (TiC) sein» Unmittelbar nach dem Aufsputtern der Hartstoffschicht wird nun ohne Unterbrechung des Vakuums eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur auf die-. Hart-. Stoffschicht äufgesputtert. Diese Schicht kann bspw.

Molybdandisulfid (MOS₂) sein und die Schichtdicke bewegt sich ebenfalls im nm-Bereich. DiTe Gesamtschichtdicke desSystems liegt im Bereich von 100 - 1000 nm. In dem ) ^angeführten Äusführungsbeispiel betragen die für das Aufsguttern der zweiten Schicht notwendige Verfahrens-

15'werte P_Aü - 5 χ 10~⁵ Torr, P_AR = 2.x ΙΟ"³ Torr, υ_χ = 0,7 KV und die Beschichtungszeit t ebenfalls 30 min, sind aber auch entsprechend der Größe des Werkstückes von Fall zu Fall verschieden

Durch das Aufbringen einer Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur auf die Hartstoffschicht wird erreicht, daS zu der mit der Hartstoffschicht erreichten Härte eine Verminderung des Reibungskoeffizienten kommt, also praktisch die Schmier- und Gleitwirkung erhöht wird. Mit dem aufgebrachten Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystem, daß im angeführten Ausführungsbeispiel bspw. / TiC-MOS₂ ist, wird der Vorteil der erhöhten Härte mit einer Verbesserung des Gleitverhaltens verbunden. Dadurch ist es den bisher bekannten Schichten hinsichtlich Standzeiterhöhung, Güte der Schicht, niedriger Teraperaturbelastung und Verminderung des Verschleißes weit überlegen. Das Gleitverhalten und die Lebensdauer rei- , bungsbeanspruchter Bauteile wird wesentlich verbessert. Das Aufbringen des erfindungsgemäßen Schichtsystems mittels Sputtern ruft auf Grund der geringen Temperaturbelastung des Substrates keine Gefügeänderungen im Substrat hervor und die Schichtdicke des Systems liegt unter dem für den Präzissionswerkzeugbau üblichen Toleranzen· Es werden sehr dünne Schichten erreicht.

Das erflndungsgemaße Schichtsystem .kann dadurch in allen Bereichen des Hochleistungswerkzeugbaus und in einigen Bereichen des Maschinenbaus sowie bei der Verbesserung der Lagereigenschaften, insbesondere bei hochbeanspruch-.

ten Lagern mit Erfolg zur Anwendung kommen· Weitere Vorteile sind der geringere Verschleiß und die auf Grund seiner Struktur universelle Einsetzbarkeit dieses Systems, was mit einer breiten Anwendungsvielfalt ver-

. bunden ist· ' .^ -; ' - -: -: , " " " .' .; '.

11.JAN19d2*ö82bl6

Claims

.'- Erfindungsanspruch:

!•Hartstoff und Festkörperschraierstoffschichtsystem_ä das mittels Sputtern auf verschiedene Metallwerkstoffe, insbesondere auf Schnitt-, Stanz-, Zieh und Zerspanungswerkzeuge, auf Vorrichtungen, Lager u. ä, aufbringbar ist und eine Hartstoffschicht enthält, .gekennzeichnet dadurch, daß der zuerst aufgebrachten ^ Hartstoffschicht eine Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur überlagert ist»

ι ' -
2· Hartstoff und Festkörperschraierstoffschichtsystem nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die auf die Hartstoffschicht ohne Unterbrechung des Vakuums aufgesputterte Schicht bspw. Molybdändisulfid ist»
3· Hartstoff und Festkörperschraierstoffschichtsystem nach Punkt 1 + 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Gesaratschichtdicke des Hartstoff und Festkörperschmierstoffschichtsystems in einem Bereich von 100 - 1000 nra liegt.

λ Λ ΙΛΜ HQJO ο. c, w O Li·-I 7?