DD296110A5

DD296110A5 - Verfahren zur herstellung von hartstoffschichten mittels vakuumbogenverdampfung

Info

Publication number: DD296110A5
Application number: DD34218990A
Authority: DD
Inventors: Vadim G Glebovski; Bernd Rother; Jan Siegel
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz,De
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1991-11-21

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Vakuumbogenverdampfung bezieht sich auf die Abscheidung von Schichten von Metallen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und deren Verbindungen und findet Anwendung im Maschinenbau, in der Fahrzeugindustrie sowie oberflaechenaktiven Bereichen der Werkstoffveredlung. Die erfindungsgemaesze Loesung besteht darin, dasz als Katodenmaterial Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, welche einen Reinheitsgrad von mindestens 98 Atom-% aufweisen, elementar oder als Mischung mit einem Borgehalt bis zu 30 Atom-% in legierter oder gesinterter Form verwendet werden.{Vakuumbogenverdampfung; Hartstoffschichten; Maschinenbau; Fahrzeugindustrie; Werkstoffveredlung; Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems ; elementar oder als Mischung; in legierter oder gesinterter Form}

Description

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Titanium mit einem Reinheitsgrad von 99,5 Atom-% wird unter Vakuumbedingungen mit einer Borzugabe von 10 Atom-% induktiv erschmolzen und zu einer zylinderförmigen Katode mit einem Durchmesser von 50mm und einer Höhe von 40 mm weiterverarbeitet. Diese Katode wird bei der Vakuumbogenverdampfung derartig eingesetzt, daß eine direkte Wasserkühlung an der unteren Stirnfläche und die Erosion an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Katode erfolgen. Vor dem Zünden der Entladung wird der Druck im Rezipienten auf 5 x 10~^eTorr abgesenkt und anschließend Stickstoff bis zu einem Druck von 10~³Torr in die Arbeitskammer eingelassen. Der Bogenstrom während der Verdampfung beträgt 100A.

Dabei ist im Vergleich zur Verdampfung des nicht mit Bor legierten Titaniums eine Verringerung des für die kontinuierliche Entladung notwendigen Bogenstromes um 25 A festzustellen. Der Anteil der von der Katode emittierten Makroteilchenkomponente liegt für die Titanium-Bor-Katode im Vergleich zu dem nicht mit Bor legiertem Titanium um etwa 50% niedriger.

Die mit einer Aufwachsrate von 0,3 цт/тіп und bis zu einer Dicke von 2 μιτι auf Stahl und Hartmetall abgeschiedenen Titanium-Bor-Stickstoffschichten weisen einen im Vergleich zu Titanium-Stickstoffschichten um etwa 50% verringerten Gehalt der Makroteilchenkomponente auf. Bei Verschleißbeanspruchungen wirkt sich dies auf eine verringerte Schmierneigung und eine Verringerung des Reibungskoeffizienten auf 75% aus. Gleichzeitig wird die Warmfestigkeit der Schichten gegenüber nicht mit Bor abgeschiedenen Titanium-Stickstoffschichten erhöht.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Vakuumbogenverdampfung zur Anwendung im Maschinenbau, in der Fahrzeugindustrie und in allen oberflächenaktiven Bereichen der Werkstoffveredlung, dadurch gekennzeichnet, daß als Katodenmaterial Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, welche einen Reinheitsgrad von mindestens 98 Atom-% aufweisen, elementar oder als Mischung mit einem Borgehalt bis zu 30 Atom-% in legierter oder gesinterter Form verwendet werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Vakuumbogenverdampfung bezieht sich auf die Abscheidung von Schichten von Metallen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und deren Verbindungen und findet Anwendung im Maschinenbau, in der Fahrzeugindustrie sowie in oberflächenaktiven Bereichen der Werkstoffveredlung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Vakuumbogenverdampfung ist ein Herstellungsverfahren von Hartstoffschichten, welches die Abscheidung haftfester und der jeweiligen Verwendung angepaßter Schichten ermöglicht. Innerhalb dieses Verfahrens wirkt die Katode als Quelle eines Metalldampfplasmas. Die Zusammensetzung, Struktur und Temperatur der Katodenoberfläche beeinflussen dabei die Qualität der Beschichtung maßgeblich. Insbesondere wirken diese Parameter auf die Emission von makroskopischen Teilchen des Katodenmaterials aus dem unmittelbaren Einwirkungsbereich des Katodenbrennflecks. Der Umfang der Makroteilchenkomponente wird durch die Elektronenaustrittsarbeit, die Schmelztemperatur und die thermische Leitfähigkeit des Katodenmaterials sowie durch den Katodenfall und den Energieumwandlungskoeffizienten für die Energieeinspeisung in die Katode bestimmt.

Mittels geeigneter Katodenmaterialien kann der Anteil von Makroteilchen am Gesamterosionsprodukt der Katode erheblich reduziert werden. Dazu sind einerseits hochschmelzende Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente geeignet, andererseits aber auch Legierungen dieser Metalle mit Elementen oder Verbindungen, welche durch eine wesentlich niedrigere Elektronenaustrittsarbeit charakterisiert sind (V. M. Amasov u. a., „Elektrodenwerkstoffe auf der Basis hochschmelzender Metalle", Metallurgija, Moskau 1976).

Die Anwendung der Vakuumbogenverdampfung zur Abscheidung von Hartstoffschichten bedingt eine Beschränkung der Katodenmaterialien auf die für den speziellen Anwendungsfall notwendigen Stoffe. Da hier die Nitride, Oxide, Carbide sowie deren Mischungen der Elemente der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems dominieren, existiert eine Teilmenge zwischen den als Katodenmaterial geeigneten Elementen und den metallischen Komponenten des Schichtmaterials von Hartstoffschichten.

Verbesserungen der Verschleiß- und Warmfestigkeit von Hartstoffschichten werden in jüngster Zeit durch die Abscheidung biundtrinäner Nitride wie z.B. TiAIN, TiBN oder TiAIZrN mittels Magnetronsputtern erzielt. Die Abscheidung dieser und ähnlicher Materialien ist prinzipiell auch mit Hilfe der Vakuumbogenverdampfung durch die Erosion legierter oder gesinterter Katoden möglich. Da die Makroteilchenkomponente allerdings erheblich die Schichtqualität beeinflußt, müssen die Legierungselemente neben den schichtseitigen Effekten gleichzeitig reduzierend auf die von der Katode emittierte Makroteilchenkomponente wirken. Dies wurde bisher durch die Verwendung von Katodenmaterialien aus legiertem und gesintertem Titanium erreicht, wobei aus Gründen der Makroteilchenreduzierung nur Legierungselemente mit im Vergleich zu Titanium (Elektronenaustrittsarbeit 4,65eV) wesentlich niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit, wie Aluminium (4,2 eV) und Zirkonium (3,93 eV) verwendet werden (DE-OS 3731127). Dabei wurden die Anteile der Legierungselemente mit Werten bis zu 40 Atom-% angegeben.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, Hartstoffschichten mit hochwertigen Eigenschaften mittels Vakuumbogenverdampfung für ein breites Anwendungsgebiet bereitzustellen.

Darlegungen des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hartstoffschichten unterschiedlicher Zusammensetzung mittels Vakuumbogenverdampfung herzustellen und dabei zu gewährleisten, daß die Makroteilchenemission des Katodenmaterials verringert und die Schichteigenschaften verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem als Katodenmaterial Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, welche einen Reinheitsgrad von mindestens 98 Atom-% aufweisen, elementar oder als Mischung mit einem Borgehalt bis zu 30 Atom-% in legierter oder gesinterter Form verwendet werden. Bei der Verwendung von Bor als Zusatzelement für das Katodenmaterial hat sich überraschenderweise gezeigt, daß, obwohl Bor zu den Elementen mit einer zu Titanium vergleichbaren Elektronenaustrittsarbeit gehört, die Makroteilchenemission bedeutend verringert wird und Bor-Titanium-Hartstoffschichten mittels Vakuumbogenverdampfung mit sehr guten Verschleiß- und Härteeigenschaften herstellbar sind. Unter Berücksichtigung der bekannten experimentellen und theoretischen Arbeiten auf diesem Gebiet wurde Bor bisher für diese Zwecke ausgeschlossen.