DE102009008271A1 - Method for coating a substrate with a carbon-containing hard material by depositing in the gas phase comprises post-treating the deposited hard material layer for controlled adjustment of friction with a hydrogen and/or oxygen plasma - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1.
Ein
derartiges Verfahren ist z. B. aus
Aufgabe der Erfindung ist es daher, kohlenstoffhaltige Hartstoffschichten bereitzustellen, die einen kontrolliert herabgesetzten, also vordefiniert niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen.task It is therefore the object of the invention to use carbon-containing hard material layers provide a controlled reduced, so pre-defined low Have friction coefficients.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die abgeschiedene Hartstoffschicht einer Nachbehandlung mit einem Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma unterworfen wird.This is inventively achieved in that the deposited hard material layer of a subsequent treatment with a hydrogen and / or oxygen plasma is subjected.
Dadurch werden erfindungsgemäß kohlenstoffhaltige Hartstoffschichten mit einem kontrolliert herabgesetzten, also einem gleichbleibend niedrigen Reibungskoeffizienten erhalten.Thereby According to the invention, carbon-containing hard material layers with a controlled reduced, so a consistent obtained low coefficient of friction.
Die Schwankungen des Reibungskoeffizienten der abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Hartstoffschichten nach dem Stand der Technik dürften nämlich damit zusammenhängen, dass die Hartstoffschicht nach ihrer Abscheidung freie Bindungen, sogenannte „dangling bonds” aufweist. Wenn nach der Abscheidung der Hartstoffschicht auf dem Substrat die evakuierte Reaktionskammer mit Stickstoff geflutet wird, ist davon auszugehen, dass aufgrund der Inertheit des Stickstoffs nur ein vernachlässigbarer Anteil der freien Bindungen in dem oberflächennahen Bereich der Schicht passiviert wird. Sobald die Reaktionskammer geöffnet wird, kommt es daher zu einer unkontrollierten Passivierung eines Großteils der noch übrigen freien Bindungen, durch den Sauerstoff der Luft, aber auch durch Wasserstoff, beispielsweise aus der Luftfeuchtigkeit. Ähnliche Vorgänge treten beim Fluten mit atmosphärischer Luft auf. Bei Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Methan, als Reaktionsgas werden zudem in der Schicht enthaltene Wasserstoffatome zur Passivierung der freien Bindungen an den oberflächennahen Bereich der Schicht zur Verfügung gestellt. Der Anteil dieser Prozesse an der Festlegung der Oberflächenterminierung variiert beispielsweise mit den Umgebungsbedingungen und ist a priori unbekannt.The Fluctuations in the coefficient of friction of the deposited carbonaceous Namely, hard material layers of the prior art are likely to related to the fact that the hard material layer according to their Deposition free bonds, so-called "dangling bonds" has. If after deposition of the hard material layer on the substrate the The evacuated reaction chamber is flooded with nitrogen is of it assume that due to the inertness of nitrogen only one negligible proportion of free bonds in the near-surface region the layer is passivated. Once the reaction chamber is open is, therefore, it comes to an uncontrolled passivation of a Most of the remaining free bonds, through the oxygen of the air, but also by hydrogen, for example from the humidity. Similar events occur during Flooding with atmospheric air. For hydrocarbons, For example, methane, as a reaction gas are also in the layer contained hydrogen atoms to passivate the free bonds to the near-surface area of the layer available posed. The share of these processes in the definition of the surface termination varies, for example, with the environmental conditions and is a priori unknown.
Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung der abgeschiedenen Hartstoffschicht mit Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma wird eine definierte Terminierung des amorphen Kohlenstoffs, also eine Absättigung der freien Bindungen in der oberflächennahen Schicht erreicht.By the aftertreatment of the deposited according to the invention Hard material layer with hydrogen and / or oxygen plasma is a defined termination of the amorphous carbon, so a Saturation of free bonds in the near-surface Layer reached.
Das Substrat kann aus Metall, Keramik, Kunststoff oder dergleichen bestehen. Es kann ein Werkstück oder ein Werkstoff sein. Um die Haftung zu verbessern, kann auf das Substrat eine Haftschicht aufgebracht werden, bevor die Hartstoffschicht abgeschieden wird. Bei einem Substrat aus Stahl kann die Haftschicht beispielsweise aus Titan, Chrom oder dergleichen bestehen, wobei sie durch Sputtern aufgetragen werden kann.The Substrate may be made of metal, ceramic, plastic or the like. It can be a workpiece or a material. To the adhesion too improve, an adhesive layer can be applied to the substrate, before the hard material layer is deposited. For a substrate made of steel, the adhesive layer, for example, titanium, chromium or the like, being applied by sputtering can.
Der kohlenstoffhaltige Hartstoff kann ein Carbid, beispielsweise Wolfram-, Titan- oder Siliziumcarbid sein. Vorzugsweise wird jedoch eine Hartstoffschicht aus amorphem, undotiertem Kohlenstoff, also eine DLC-Schicht, der erfindungsgemäßen Nachbehandlung unterworfen. Die Schichtdicke der kohlenstoffhaltigen Hartstoffschicht kann beispielsweise 0,1 μm bis 50 μm, insbesondere 0,5 μm bis 10 μm betragen.Of the Carbon-containing hard material may be a carbide, for example tungsten, Titanium or silicon carbide be. Preferably, however, a hard material layer made of amorphous, undoped carbon, so a DLC layer, the Subjected after treatment according to the invention. The layer thickness of the carbon-containing hard material layer can be, for example 0.1 μm to 50 μm, in particular 0.5 μm to 10 microns.
Der harte amorphe Kohlenstoff oder DLC weist sp3-hybridisierte Bindungen auf. Ein hoher Anteil sp3-hybridisierter Bindungen liegt insbesondere bei tetraedrischem amorphen Kohlenstoff vor. Neben dem tretraedrischen amorphen Kohlenstoff kann die harte amorphe Kohlenstoff- oder DLC-Schicht auch aus amorphem, wasserstoffabgesättigten Kohlenstoff bestehen.The hard amorphous carbon or DLC has sp 3 -hybridized bonds. A high proportion of sp 3 -hybridized bonds is present in particular with tetrahedral amorphous carbon. In addition to the tretrahedral amorphous carbon, the hard amorphous carbon or DLC layer may also consist of amorphous, hydrogen-saturated carbon.
Zur Beschichtung des Substrats mit der harten amorphen Kohlenstoff- oder DLC-Schicht kann die chemische Gasphasenabscheidung oder „Chemical Vapor Deposition” (CVD) oder die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) durchgeführt werden. Das CVD-Verfahren wird dabei vorzugsweise als „plasma enhanced” oder PECVD-Verfahren durchgeführt. Dabei wird eine Beschichtung aus amorphen, wasserstoffgesättigtem Kohlenstoff gebildet.to Coating the substrate with the hard amorphous carbon or DLC layer can be the chemical vapor deposition or "Chemical Vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD). The CVD method is included preferably carried out as a "plasma enhanced" or PECVD method. This is a coating of amorphous, hydrogen-saturated Carbon formed.
Dabei kann eine handelsübliche PECVD-Anlage verwendet werden. Die Abscheidung der amorphen, wasserstoffabgesättigten Kohlenstoffschicht kann bei einem Druck von weniger als 10–2 mbar durchgeführt werden. Die Temperatur in der Abscheidungskammer beträgt vorzugsweise mehr als 100°C, insbesondere 200 bis 250°C. Das der Abscheidungskammer zugeführte Reaktionsgas besteht aus einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan und/oder Acetylen, welcher zusammen mit einem Intertgas, beispielsweise Argon, der Abscheidungskammer zugeführt wird.In this case, a commercially available PECVD system can be used. The deposition of the amorphous, hydrogen-saturated carbon layer can be carried out at a pressure of less than 10 -2 mbar. The temperature in the deposition chamber is preferably more than 100 ° C, in particular 200 to 250 ° C. The reaction gas supplied to the deposition chamber consists of a Hydrocarbon, in particular methane and / or acetylene, which is supplied together with an inert gas, for example argon, the deposition chamber.
Für die Abscheidung des tetraedrischen amorphen Kohlenstoffs hat sich insbesondere die Vakuumbogenentladung als geeignet erwiesen. Dabei wird ein Gleichstrom-Vakuumbogen erzeugt, wobei die Kathode (Target) aus Graphit besteht, der durch den Lichtbogen sublimiert wird. Um die Sublimation steuern zu können, wird als Hintergrundgas ein Inertgas, beispielsweise Argon, verwendet. Der Prozessdruck beträgt dabei vorzugsweise weniger als 10–2 mbar. Als Anode dient die Kammerwand. Der Lichtbogen brennt im von ihm erzeugten Dampf.For the deposition of the tetrahedral amorphous carbon, in particular the vacuum arc discharge has proven to be suitable. In this case, a DC vacuum arc is generated, wherein the cathode (target) consists of graphite, which is sublimated by the arc. In order to control the sublimation, an inert gas, such as argon, is used as the background gas. The process pressure is preferably less than 10 -2 mbar. The chamber wall serves as an anode. The arc burns in the steam generated by it.
Die Vakuumbogenentladung wird vorzugsweise super-gepulst durchgeführt, d. h. der Gleichspannung wird eine Wechselspannung überlagert. Dabei kann eine Gleichstromquelle von z. B. 60 bis 800 A und eine Pulsquelle von beispielsweise 20 bis 30 A zur Anwendung kommen. Die hohen Ströme von z. B. 30 Sekunden Dauer werden vorzugsweise durch Abschaltphasen von z. B. 90 Sekunden unterbrochen, damit die Temperatur des beschichteten Substrats nicht zu hoch wird, also vorzugsweise 150°C nicht übersteigt. Während der Pulspausen erhält der Gleichstrom die Lichtbogenentladung aufrecht.The Vacuum arc discharge is preferably carried out super-pulsed, d. H. the DC voltage is superimposed on an AC voltage. there can a DC power source of z. B. 60 to 800 A and a pulse source from, for example, 20 to 30 A are used. The high currents of z. B. 30 seconds duration are preferably by shutdown from Z. B. 90 seconds, so that the temperature of the coated substrate not too high, so preferably does not exceed 150 ° C. During the pauses in the pulse receives the direct current the arc discharge upright.
Die
durch Vakuumbogenentladung erhaltene Schicht aus tetraedrischem
amorphen Kohlenstoff wird vorzugsweise anschließend unter
Druck graphitisiert und beispielsweise durch Bürsten geglättet, wobei
die Schichtdicke verringert wird (vergleiche
Nach der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Hartstoff-, also insbesondere DLC-Schicht wird die Abscheidungskammer z. B. mit Stickstoff geflutet.To the deposition of the carbon-containing hard material, ie in particular DLC layer is the deposition chamber z. B. flooded with nitrogen.
Das Wasserstoff- und/Sauerstoffplasma, mit dem die kohlenstoffhaltige Hartstoff- also insbesondere DLC-Schicht nachbehandelt wird, um einen kontrolliert niedrigen Reibungskoeffizient zu erhalten, wird vorzugsweise mit einer Mikrowellenplasmaanlage erzeugt. Das Wasserstoff- und/oder Sauerstoffplasma wird durch die Mikrowelle geheizt, die von einem Magnetron erzeugt und in die evakuierte Reaktionskammer eingekoppelt wird.The Hydrogen and / or oxygen plasma with which the carbonaceous Hard material, ie in particular DLC layer is aftertreated to a controlled low friction coefficient is obtained preferably generated with a microwave plasma system. The hydrogen and / or oxygen plasma is heated by the microwave, the generated by a magnetron and in the evacuated reaction chamber is coupled.
Da in einem reinen Mikrowellenplasma sehr hohe Leistungen benötigt werden, kann die kohlenstoffhaltige Hartstoff-, also insbesondere die DLC-Schicht jedoch erodiert und dadurch ein erhöhter Reibungskoeffizient erhalten werden.There in a pure microwave plasma very high powers needed can be, the carbonaceous hard material, ie in particular However, the DLC layer erodes and thereby increased Friction coefficient can be obtained.
Vorzugsweise wird deshalb eine Elektron-Zyklotron-Resonanz- oder ECR-Plasmaanlage zur Nachbehandlung der kohlenstoffhaltigen Hartstoff- bzw. DLC-Schicht verwendet. Mit einer solchen Anlage werden Mikrowellen, beispielsweise mit einer Frequenz von 2,45 GHz, die von einem Magnetron erzeugt werden, beispielsweise über einen Hohlleiter und ein Fenster z. B. aus Keramik in die Reaktionskammer eingekoppelt. Mit einem Magnetfeld, das von Magnetspulen erzeugt wird, erfolgt eine Gyration der Elektronen des Plasmas, wodurch sich die Wegstrecke der Elektronen verlängert und damit die Zahl der Stöße erhöht wird. Auf diese Weise kann mehr Energie in das Plasma eingekoppelt werden. Damit wird eine hohe Plasmadichte bei geringer Ionenenergie erzeugt.Preferably Therefore, an electron cyclotron resonance or ECR plasma system for Post-treatment of the carbon-containing hard material or DLC layer used. With such a system are microwaves, for example with a frequency of 2.45 GHz, produced by a magnetron be, for example via a waveguide and a window z. B. coupled from ceramic into the reaction chamber. With a Magnetic field, which is generated by magnetic coils, there is a gyration of Electrons of the plasma, thereby increasing the path of the electrons lengthened and thus the number of shocks is increased. In this way, more energy can enter the plasma be coupled. Thus, a high plasma density becomes lower Ion energy generated.
Die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffionen des Plasmas treffen mit geringerer Energie auf die Hartstoff- bzw. DLC-Schicht auf, sodass sie in die Schicht vorzugsweise nur maximal 10 nm, insbesondere maximal 2 nm eindringen. Eine Änderung der Rauheit ist nicht nachweisbar. Die Oberfläche wird durch diesen Ionenbeschuss wasserstoff- bzw. sauerstoffterminiert.The Hydrogen and oxygen ions of the plasma meet with less Energy on the hard material or DLC layer so that they in the Layer preferably only a maximum of 10 nm, in particular a maximum of 2 nm penetration. A change in roughness is not detectable. The surface is rendered hydrogen by this ion bombardment. or oxygen-terminated.
Eine
ECR-Plasmaanlage ist in Publikationen und Berichten des Instituts
für Plasmaphysik der Max-Planck-Gesellschaft näher
beschrieben (vergleiche
Die Reibung zwischen zwei Festkörpern setzt sich aus mehreren Komponenten, nämlich festkörpermechanischen Wechselwirkungen (Hertz'sche Theorie, mechanisches Interlocking), hydrodynamischen Kräften und der Adhäsion (insbesondere Van-der-Waals Kräfte) zusammen, wobei die hydrodynamischen Kräfte von dem Zwischenmedium zwischen den Tribopartnern abhängig sind und sich insbesondere bei geringer Last und hohen relativen Geschwindigkeiten auswirken.The Friction between two solids is composed of several Components, namely solid-state mechanical interactions (Hertzian theory, mechanical interlocking), hydrodynamic Forces and adhesion (in particular Van der Waals Forces) together, the hydrodynamic forces depends on the intermediate medium between the tribo partners are and especially at low load and high relative Affect speeds.
Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung der kohlenstoffhaltigen Hartstoff- bzw. DLC-Schicht werden insbesondere der hydrodynamische und der adhäsive Anteil der Reibung kontrolliert, also reproduzierbar herabgesetzt.By the aftertreatment according to the invention of the carbonaceous Hard material or DLC layer are in particular the hydrodynamic and the adhesive portion of the friction controls, ie reproducibly reduced.
Durch die Nachbehandlung mit dem Wasserstoffplasma werden der Oberfläche der abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Hartstoff- bzw. DLC-Schicht stärkerhydrophobe Eigenschaften verliehen, die bei hydrophilen Zwischenmedien zu einer Herabsetzung der hydrodynamischen Reibung führen.By the post-treatment with the hydrogen plasma become the surface the deposited carbonaceous hard or DLC layer more hydrophobic Characteristics, which in hydrophilic intermediate media to a Reduction of hydrodynamic friction lead.
Um einen bestimmten niedrigen Reibungskoeffizienten zu erhalten, kann jedoch der nach der Wasserstoffbehandlung erreichte niedrige Reibwert auf einen bestimmten höheren Wert eingestellt werden, in dem sich an die Wasserstoffplasmabehandlung eine Sauerstoffplasmabehandlung anschließt.In order to obtain a certain low coefficient of friction, however, the low friction value achieved after the hydrotreating can be set to a certain higher value in which the hydrogen plasma treatment is followed by an oxygen plasma treatment.
Bei bestimmten Zwischenmedien kann ggf. auch nur eine Sauerstoffplasmabehandlung durchgeführt werden, also ohne vorherige Wasserstoffplasmabehandlung.at certain intermediate media may also possibly only an oxygen plasma treatment be carried out, without prior hydrogen plasma treatment.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.The The following examples serve for further explanation the invention.
Beispiel 1:Example 1:
Zwei
Stahlscheiben, die jeweils mit einer gesputterten Chromhaftschicht
mit einer Dicke von etwa 100 nm versehen sind, werden mit einer
ca. 2 μm dicken tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht
durch super-gepulste Vakuumbogenentladung mit einem Graphit-Target
unter folgenden Prozessbedingungen beschichtet:
Prozessdruck
5 × 10–5 mbar, Gleichstromquelle
60 bis 80 A, Pulsquelle 20 bis 30 A, Stromimpulse von 30 Sekunden
mit Abkühlphasen von 90 Sekunden, Temperatur kleiner 150°C.Two steel discs, each provided with a sputtered chromium adhesive layer approximately 100 nm thick, are coated with a ca. 2 μm thick tetrahedral amorphous carbon layer by super-pulsed vacuum arc discharge with a graphite target under the following process conditions:
Process pressure 5 × 10 -5 mbar, direct current source 60 to 80 A, pulse source 20 to 30 A, current pulses of 30 seconds with cooling phases of 90 seconds, temperature less than 150 ° C.
Nach
der Abscheidung der DLC-Schicht wird die Beschichtungskammer mit
Stickstoff geflutet. Die geschichteten Scheiben werden anschließend
geglättet und dann in einer ECR-Plasmaanlage mit einem
Wasserstoffplasma unter folgenden Prozessbedingungen nachbehandelt:
Mikrowellenleistung
70 W, Frequenz 2,54 GHz, Dauer 900 Sekunden, 7 × 10–6 mbar, Wasserstoffdruck 0,5 Pa.After deposition of the DLC layer, the coating chamber is flooded with nitrogen. The layered slices are then smoothed and then post-treated in an ECR plasma system with a hydrogen plasma under the following process conditions:
Microwave power 70 W, frequency 2.54 GHz, duration 900 seconds, 7 × 10 -6 mbar, hydrogen pressure 0.5 Pa.
Beispiel 2:Example 2:
Eine
der beiden Scheiben, die gemäß dem Beispiel 1
einer Wasserstoffplasmabehandlung unterzogen worden sind, wird anschließend
in der ECR-Plasmaanlage einer Sauerstoffplasmabehandlung unter folgenden
Prozessbedingungen unterworfen:
Mikrowellenleistung 300 W,
Frequenz 2,45 GHz, Dauer 5 Minuten, Basisdruck 7 × 10–6 mbar, Sauerstoffdruck 0,56 Pa.One of the two discs, which have been subjected to a hydrogen plasma treatment according to Example 1, is then subjected to an oxygen plasma treatment in the ECR plasma system under the following process conditions:
Microwave power 300 W, frequency 2.45 GHz, duration 5 minutes, base pressure 7 × 10 -6 mbar, oxygen pressure 0.56 Pa.
Die Reibungskoeffizienten der nach den Beispielen 1 und 2 nach behandelten DLC-Beschichtungen wurden mit einem Tribometer der Firma Optiomal Instruments durch Schwing-Reibverschleiß (SRV)-Messung mit einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1 cm ermittelt.The Coefficient of friction of the treated according to Examples 1 and 2 after DLC coatings were made with a tribometer from Optiomal Instruments by vibratory fretting (SRV) measurement determined with a steel ball with a diameter of 1 cm.
Dazu wurde auf die Scheiben jeweils ein Tropfen aus entionisiertem Wasser mit einem Volumen von ca. 0,1 ml gegeben. Alsdann wurde die Stahlkugel auf den Wassertropfen auf der Scheiben bei einer Temperatur von 30°C mit einer Kraft von 20, 50 und 100 N gedrückt und mit einer Frequenz von 20 Hz hin- und herbewegt.To one drop of deionized water was added to the slices given with a volume of about 0.1 ml. Then the steel ball became on the drops of water on the slices at a temperature of 30 ° C with a force of 20, 50 and 100 N pressed and reciprocated at a frequency of 20 Hz.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in dem beigefügten Diagramm wiedergegeben, dessen Koordinate den Reibungskoeffizient μ darstellt, und die Abszisse die Zeit in Minuten.The results obtained are in the attached diagram whose coordinate represents the coefficient of friction μ, and the abscissa the time in minutes.
Dabei
stellt die Kurve (
Es ist ersichtlich, dass bei einer geringen Last von 20 N der Reibungskoeffizient der nur mit dem Wasserstoffplasma behandelten DLC-Schicht wesentlich und zwar um etwa 30% geringer ist als der Reibungskoeffizient der anschließend mit dem Sauerstoffplasma behandelten DLC-Schicht. Bei höheren Belastungen von 50 bzw. 100 N wird dieser Unterschied geringer, was darauf zurückzuführen ist, dass durch die Wasserstoffplasmabehandlung (ohne Sauerstoffplasmabehandlung) insbesondere der hydrodynamische Anteil der Reibung wesentlich herabgesetzt worden ist.It It can be seen that at a low load of 20 N, the coefficient of friction the only with the hydrogen plasma treated DLC layer essential and that is about 30% less than the coefficient of friction of subsequently treated with the oxygen plasma DLC layer. At higher loads of 50 or 100 N, this difference lower, which is due to the fact that by hydrogen plasma treatment (without oxygen plasma treatment) in particular, the hydrodynamic portion of the friction significantly reduced has been.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise ein Zahnrad-Getriebe sowie die Nockenwelle, Stößel, Kolben, Kolbenringe, Zylinderlaufflächen und/oder Ventile von Motoren verschleißfest und reibungsarm ausgebildet werden. Die Erfindung ist jedoch auch auf zahlreichen anderen Gebieten einsetzbar, beispielsweise in der Medizin zum Beschichten künstlicher Gelenke.With the method of the invention can For example, a gear transmission and the camshaft, ram, Pistons, piston rings, cylinder surfaces and / or valves made of motors wear-resistant and low-friction become. However, the invention is also in numerous other fields can be used, for example in medicine for coating artificial Joints.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102007047629 A1 [0002] DE 102007047629 A1 [0002]
- - EP 1829986 A1 [0015] - EP 1829986 A1 [0015]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - Bernhard Landkammer, Untersuchung der Erosion von Kohlenwasserstoffschichten durch Sauerstoff-Gasentladungen, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 1999 [0021] - Bernhard Landkammer, Investigation of the erosion of hydrocarbon layers by oxygen-gas discharges, Max Planck Institute for Plasma Physics, 1999 [0021]
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