DD260524A1 - Reibungsarme, verschleissmindernde und selbstschmierende oberflaechenbeschichtung - Google Patents

Reibungsarme, verschleissmindernde und selbstschmierende oberflaechenbeschichtung Download PDF

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DD260524A1
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DD30285187A
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Guenter Dd Hecht
Hartmut Dd Kupfer
Eckehardt Dd Ackermann
Gerit Dd Kampfrath
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Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,Dd
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

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Abstract

Reibungsarme, verschleissmindernde und selbstschmierende Oberflaechenbeschichtungen werden vor allem bei Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie bei durch Abrieb beanspruchten Oberflaechen technischer Gebilde, wie z. B. Kontakte, eingesetzt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die Oberflaechenbeschichtung aus einer mittels Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellten Schichtfolge aus Hartstoffschichten der Dicke 10 nm bis 1 000 nm und Schichten organischer Stoffe der Dicke 1 nm bis 100 nm oder einer Dispersionsschicht aus beiden Stoffen besteht, und eine Gesamtdicke zwischen 500 nm und 1 mm aufweist.

Description

Anwendung der Erfindung
Reibungsarme, verschleißmindernde und selbstschmierende Oberflächenbeschichtungen werden vor allem bei Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie bei durch Abrieb beanspruchten Oberflächen technischer Gebilde, wie z. B. Kontakte, eingesetzt.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Bekannt sind selbstschmierende metallische Dispersionsüberzüge, in die organische Teilchen solcher Stoffe eingelagert werden, die Schmiereigenschaften besitzen. Die Abscheidung der Metalle erfolgt galvanisch oder stromlos aus wäßrigen Lösungen, in denen die organischen Teilchen suspendiert sind und in die wachsende Schicht eingebaut werden. In der DE-OS 3333121 wird über den Einbau von PTFE bzw. (CF)n in Nickel berichtet, wobei die Korngröße der organischen Teilchen bei 500 nm liegen soll. Damit die Agglomerisation der Teilchen verhindert und der Einbau von Teilchen mit einer Größe < 1 /im ermöglicht wird, müssen aber in den Bädern hoheiSchergeschwindigkeiten (10 ms"1 bis 60 ms'1) aufrechterhalten werden. In DE-OS 3407283 wird über den Einbau von (Meth)-Acrylat- bzw. (Meth)-Acrylat-Styrol Copolymer-Teilchen in Chromatierschichten auf Zink- und Cadmiumoberflächen berichtet, wobei die Korngrößen der organischen Teilchen Ο,ΐμηι betragen. Auch andere Feststoffschmiermittel sind bekannt geworden. So wird in DE-OS 3032469 über den Einbau von Graphitteilchen in Goldschichten berichtet, die elektrolytisch abgeschieden werden. In der DE-OS 3328067 werden Edelmetall und edelmetallhaltige Dispersionsüberzüge genannt, die ebenfalls Graphitteilchen enthalten.
Ein schwer zu beherrschendes Problem stellt in all diesen Fällen die Verhinderung der Agglomeration des feindispersiven Feststoffes dar. Dazu sind entweder aufwendige Badbewegungen (DE 3333121) notwendig oder zusätzliche Suspensionsstabilisatoren (DE 3313871). Aufgrund der bisher eingesetzten galvanischen und stromlosen naßchemischen Verfahren sind als Matrixmaterial Metalle und Metallegierungen benutzt worden.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, die Reibung und den Verschleiß der Oberflächen von Gleitpaarungen, Roll- und Gleitlagern sowie von anderen technischen Gebilden wesentlich zu erniedrigen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, reibungsarme, verschleißmindernde und selbstschmierende Oberflächenbeschichtungen mittels Vakuumbeschichtungsverfahren und unter Verwendung organischer Stoffe bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Oberflächenbeschichtung aus einer mittels Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellten Schichtfolge aus Hartstoffschichten der Dicke 10nm bis 1 /im und Schichten organischer Stoffe der Dicke 1 nm bis 100nm oder einer Dispersionsschicht aus beiden Stoffen besteht, und die Oberflächenbeschichtung eine Gesamtschichtddicke von 500nm bis 1 mm aufweist.
Als Materialien für die Hartstoffschicht, die wie eine Matrix wirkt, eignen sich vor allem Edelstahle, Nickel, Nickelchrom, Ferrochrom sowie die bekannten Hartstoffe in Form von Nitriden, Oxiden, Carbiden, Boriden und deren Mischverbindungen.
Diese werden vor allem durch die Vakuumverdampfung, die lonenzerstäubung, die Niederdruck-CVD, die Plasma-CVD sowie die Pa-PVD (plasma assisted-PVD) abgeschieden. Die eingelagerten organischen Partikel, die beispielsweise aus Polymeren
bestehen, werden durch Plasmapolymerisation im Gasraum erzeugt und in die wachsende Schicht eingebaut. Die organischen Schichten, die mit dem Matrixmaterial ein Mikrolaminat bilden, können durch Vakuumverdampfung, Vakuumkondensation, lonenzerstäubung und Plasmapolymerisation abgeschieden werden.
Der Vorteil gegenüber den bekannten Oberflächenbeschichtungen besteht darin, daß mittels Vakuumbeschichtungsverfahren auch Matrixmaterialien abgeschieden werden können, die naßchemisch gar nicht bzw. nur mit hohem Aufwand abscheidbar sind. Auch die Palette der organischen Materialien erweitert sich durch die in-situ-Erzeugung der organischen Partikel und Schichten. Gleichzeitig kann im Vergleich zu bekannten Verfahren eine wesentlich homogenere Verteilung der organischen Partikel in einer steuerbaren Partikelgröße erreicht werden. Die organischen Partikel und Schichten in dem Matrixmaterial wirken wie ein eingelagertes Feststoffschmiermittel.
Dadurch wird die Reibung stark vermindert bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der anderen mechanischen und auch teilweise der elektrischen Parameter der Matrixmaterialien, so daß eine neue Klasse von Werkstoffen entsteht. Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
1. Auf eine Stahloberfläche werden Edelstahlschichten (X8 CrNiTi 18,10) durch DC-Magnetronzerstäubung bei einem Argondruckvon 1,3 · 10~1 Pa und einer Abscheiderate von 0,1 /xm min"1 alternierend mit Polytetrafluorethylenschichten in einem Vakuumzyklus abgeschieden. Das Polytetrafluorethylen wird mittels RF-Magnetronzerstäubung (27,12MHz) mit einer Abscheiderate von 0,01 μ,ιη min"1 aufgebracht. Die Edelstahlschichten sind 150nm dick, während die PTFE-Schichten eine Dicke von 15nm aufweisen. Es werden 20 Schichtfolgen aufgebracht mit einer Gesamtschichtdicke von ca.3,3/xm. DieOberflächenbeschichtung ist festhaftend, hart und zeigt einen sehr geringen Reibwert von 0,15, gemessen gegen eine normale Stahloberfläche. Mit dieser Oberflächenbeschichtung vergütete Maschinenteile von Verarbeitungsanlagen, die einer trockenen Gleitreibung unterliegen, zeigten eine zehnfache Standzeit gegenüber unveredelten Teilen.
2. Auf einer Stahloberfläche befindet sich eine Dispersiohsschicht, die durch simultane Magnetronzerstäubung eines Edelstahltargets (X8CrNiTi 18,10) und einer Plasmapolymerisation von Tetrafluorethylen ensteht. Dazu wird bei einem Druck von 5 · 10"1Pa ein Gasgemisch benutzt, das zu je 50% aus Argon und Tetrafluorethylen besteht. Bei einer Abscheiderate von 0,05μ.ηι · min"1 wird eine Schicht von ca. 4μιη aufgebracht. Die Dispersionsschicht besteht aus einer Metallmatrix, in die plasmapolymerisierteTetrafluorethylenpartikel mit einem Durchmesserzwischen 5 und 100nm eingelagertsind. Dieerzielten Eigenschaften entsprechen im wesentlichen denen des Beispiels 1.
3. Beim Einsatz von Neusilber als Kontaktwerkstoff für Steckverbinder werden zur sicheren Kontaktgabe hohe Steckkräfte benötigt, die auf Grund des hohen Reibkoeffizienten hohe Betätigungskräfte und damit einen hohen Reibverschleiß bedingen. Durch Beschichtung mit einem Mikrolaminat, bestehend aus Neusilber (200 nrri) und PTFE (10nm) werden der Verschleiß und die Steckkraft soweit reduziert, daß 103 Steckzyklen bei einer Gesamtschichtdicke von Ο,δμ,ιτι zu keinem Durchtrieb führen bei voller Gewährleistung der Kontaktsicherheit. Durch die Verringerung der Steckkraft kann die Polzahl des Steckverbinders verdoppelt werden.
Die Neusilberschichten (CuNjI 2Zn 24) werden mittels Magnetronzerstäubung bei ρ = 1,3 · 10"1Pa mit einer Rate von 0,3μιη min"1, die PTFE-Schichten mittels RF-Magnetronzerstäubung mit 0,01 μ,Γη min"1 alternierend abgeschieden.

Claims (5)

1. Reibungsarme, verschleißmindernde und selbstschmierende Oberflächenbeschichtung unter Verwendung organischer Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung aus einer mittels Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellten Schichtfolge aus Hartstoffschichten der Dicke 10nm bis 1 000 nm und Schichten organischer Stoffe der Dicke 1 nm bis 100 nm oder einer Dispersionsschicht aus beiden Stoffen besteht, und die Oberflächenbeschichtung eine Gesamtdicke zwischen 500nm und 1 mm aufweist.
2. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtfolge aus einer Hartstoffschicht, wie Edelstahl, Nickelchrom, Ferrochrom oder Hartstoffen in Form von Nitriden, Carbiden, Boriden und Oxiden oder deren Mischverbindungen mit einer organischen Schicht aus einem fiuorhaltigen Polymer besteht.
3. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsschicht aus einer Hartstoffschicht mit eingelagertem Polymer besteht.
4. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als organischer Stoff ein Plasmapolymer verwendet wird.
5. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung als Kontaktschicht verwendet wird.
DD30285187A 1987-05-18 1987-05-18 Reibungsarme, verschleissmindernde und selbstschmierende oberflaechenbeschichtung DD260524A1 (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2672661A1 (fr) * 1991-02-12 1992-08-14 Commissariat Energie Atomique Piece metallique recouverte d'un film lubrifiant et son procede de fabrication.
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