DE19815019A1 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen auf der Grundlage des Plasmanitrierens - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der thermochemischen Rand­ schichtbehandlung zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Aluminiumwerkstoffen.

Stand der Technik

Aluminium und Aluminiumlegierungen werden in wachsendem Umfang für die Ferti­ gung von Bauteilen in der Fahrzeugtechnik sowie in anderen Bereichen eingesetzt, in denen sich durch die geringere Dichte dieser Materialien erheblich reduzierte Beschleunigungs­ kräfte und damit Einsparungen an Antriebsenergie ergeben. Daneben zeichnen sich Alumi­ niumwerkstoffe durch eine sehr gute Recyclingfähigkeit aus. Diesen vorteilhaften Eigen­ schaften stehen eine relativ geringe Härte und Verschleißbeständigkeit gegenüber, weshalb Maßnahmen zur Oberflächenverfestigung getroffen werden müssen, um die Haltbarkeit und Lebensdauer von Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen zu erhöhen.

Eine Gruppe von Technologien zur Erzeugung von verschleißbeständigen Randschichten beruht auf der Bildung einer Aluminiumnitridschicht auf der Oberfläche von Aluminium­ werkstoffen. Aluminiumnitrid zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand aus, der auf der Kombination mehrerer günstiger Eigenschaften wie hoher Härte, hoher thermi­ sche Stabilität und sehr guter Wärmeleitfähigkeit beruht.

Es gibt Verfahren, die auf dem Einbringen von Stickstoff in die partiell aufgeschmolzene Oberfläche beruhen oder Aluminiumnitrid durch Methoden der physikalischen Gasphasen­ abscheidung als Beschichtung auf die Oberfläche aufbringen. Im ersten Fall entsteht ledig­ lich eine mit Aluminiumnitrid dispersionsverfestigte Randschicht, die nicht die Härte des Kompaktmaterials erreicht und außerdem durch eine Deformation der Oberfläche infolge des Schmelzens gekennzeichnet ist. Im zweiten Fall bestehen die Nachteile der Methode in der relativ schlechten Haftung der Nitridschicht auf dem Substrat sowie den hohen Verfah­ renskosten. Demgegenüber ist das Nitrieren ein kostengünstiger Prozeß der bei vergleichs­ weise geringen Temperaturen abläuft. Das von Eisenwerkstoffen bekannte Verfahren, wel­ ches auf der Eindiffusion von Stickstoff in die Randschicht der zu behandelnden Teile be­ ruht, kann in seinen verschiedenen Varianten nicht ohne weiteres auf Aluminiumwerkstoffe übertragen werden. Ursache dafür ist die natürliche Oxidschicht, die als Diffusionssperre wirkt und die daher vor der eigentlichen Nitrierbehandlung entfernt werden muß.

Neben einem Gasnitrierprozeß, bei welchem die Oxidschicht durch ein Aktivierungsgas in eine sublimierende Verbindung umgewandelt wird (Deutsches Patent Nr. 297 667), ge­ lingt es insbesondere durch das Nitrieren im Plasma Aluminiumnitrid zu erzeugen. Dabei werden bei allen bisher bekannten Plasmanitrierverfahren für Aluminiumwerkstoffe spezielle Maßnahmen ergriffen, um die Oberfläche zu aktivieren und/oder um den in die Vakuumap­ paratur eindringenden Sauerstoff zu binden (US Patent Nr. 4522660).

Ziel der Oberflächenaktivierung ist die Entfernung der Oxidschicht vor dem Nitrierpro­ zeß durch Zerstäubung (Sputtern). Zu diesem Zweck wird die Vakuumapparatur in der Re­ gel mit einem Edelgas (Europäisches Patent Nr. 0158 2719) oder mit einem Gemisch aus einem Edelgas mit einem Zusatz von N₂, O₂ oder CH₄ im Bereich von einigen ppm (Europäisches Patent Nr. 0346 931) befüllt und dann eine Gasentladung angeregt, die zum Beschuß der Bauteiloberfläche mit Ionen dieser Gase führt.

Wegen vorzugsweisem Zerstäubens des Metalls gegenüber dem Oxid sowie unterschied­ lichen Sputterausbeuten der Legierungselemente, führt diese Vorbehandlung neben dem Entfernen der Oxidschicht zu einer Aufrauhung der Bauteiloberfläche. Daneben ist dieser Prozeßschritt aus steuerungstechnischen Gründen problematisch, da mit dem Abbau der schlechtleitenden Oxidschicht ein Anstieg der Stromdichte einhergeht, der zur Überhitzung der Teile bis zum Aufschmelzen von Korngrenzen führen kann. Im nachfolgenden Nitrier­ schrift, bei dem die Atmosphäre zu einem wesentlichen Teil aus einem stickstoffhaltigen Gas besteht, geht die Stromdichte bei Bildung des Nitrids, welches ebenfalls Isolatoreigenschaf­ ten besitzt, zurück. Zur Aufrechterhaltung der Temperatur der zu behandelnden Teile muß der verringerte Energieeintrag durch Änderung der Entladungsparameter (Druck, Span­ nung) oder mit Hilfe einer zusätzlichen Heizvorrichtung kompensiert werden.

Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung, Verkürzung und Verbesserung der Reprodu­ zierbarkeit der bisher bekannten, auf dem Plasmanitrieren beruhenden, Verfahren zur Er­ zeugung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen. Dabei soll das modifizierte Verfahren in herkömmliche Plasmanitrieranlagen, die mit einer gepulsten Gleichspannungsversorgung ausgestattet sind, ausführbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einen Prozeßschritt zur Rei­ nigung der Bauteiloberfläche und dem Entfernen der Oxidschicht verzichtet wird und die Plasmanitrierung während der gesamten Prozeßdauer bei gleicher Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Spannung durchgeführt wird. Dabei werden die durch variierende Stromdichten hervorgerufenen Temperaturschwankungen der Teile im wesentlichen durch ein Veränderung des Tastverhältnisses (Pulsdauer/Periode), ausgeglichen. Die Vergleich­ barkeit der Behandlung verschiedener Chargen wird dadurch hergestellt, daß als Kenngröße für die Dauer der Nitrierbehandlung die Gesamtpulsdauer herangezogen wird.

Der Vorteil dieser Methode besteht in einem kontinuierlichen automatisierbaren Prozeß­ ablauf, wobei die erwähnten Nachteile des Sputterns, wie z. B. Aufrauhung der Oberfläche, vermieden werden. Durch die Möglichkeit der Nutzung kommerzieller Anlagentechnik die in der Regel mit gepulster Gleichspannung arbeiten, kann dieses Verfahren ohne zusätzli­ chen Investitionsaufwand in klein- und mittelständischen Unternehmen eingeführt werden.

Ausführungsbeispiel

Ein Teil aus einem Aluminiumwerkstoff wurde plasmanitriert mit dem Ziel der Bildung einer Aluminiumnitridschicht, deren Eigenschaften untersucht wurden. Die Behandlung wurde in einer kommerziellen Anlage, dargestellt in Abb. 1, in der folgenden Weise durch­ geführt.

Das zu nitrierende Teil (1), eine Platte mit den Abmessungen 50×20 mm und einer Dicke von 5 mm aus EN AW-5754 [AlMg3] (Wkst. Nr. 3.3535), wurde auf der katodisch ge­ schalteten Grundplatte (2) aus Reinaluminium angeordnet. Eine weitere Probe aus dem glei­ chen Material wurde daneben positioniert. Diese war mit einer Bohrung versehen, in welche ein Mantelthermoelement (3) eingebracht wurde.

Nach dem Schließen des Rezipienten (4) erfolgte das Evakuieren des Gefäßes mit Hilfe einer Kombination aus Roots- und Drehschieberpumpe (5) bis zu einem Enddruck kleiner 1 Pa. Anschließend wurden die Proben mit einer an der Innenwand des Rezipienten ange­ brachten Zusatzheizung (6) auf eine Temperatur von 430°C erwärmt. Während des Aufhei­ zens wurde die Anlage fortlaufend evakuiert.

Nach Erreichen der Behandlungstemperatur wurde über einen Massendurchflußregler (7) Stickstoff (N₂) in die Anlage bis zu einem Druck von 50-500 Pa eingelassen. Der Druckbe­ hälter (8) für den hochreinen Stickstoff (99,999%) war mit der Anlage über festver­ schraubte Edelstahlleitungen verbunden. Im weiteren erfolgte die Stickstoffzufuhr kontinu­ ierlich mit einer Flußrate von 100-300 l/h. Der Druck wurde mit Hilfe eines Kapazitätsma­ nometers (9) gemessen und über ein Drosselventil (10) in der Saugleitung geregelt.

Nach dem Befüllen mit Stickstoff wird eine Glimmentladung durch Anlegen einer gepul­ sten Spannung im Bereich zwischen 420-1000 V mit einer Frequenz von 20 kHz gezündet. Die Pulsbreite beträgt anfänglich 10% (5 µs), um einen zu hohen Energieeintrag über das Plasma zu vermeiden. Dann erfolgt das Abschalten der Zusatzheizung und die Probentem­ peratur wird durch die Heizleistung des Plasmas aufrechterhalten, wobei die mit dem Ther­ moelement gemessene Temperatur auf die Pulsbreitensteuerung rückgeführt wird. Dadurch erhöht sich das Tastverhältnis zunächst, um den fehlenden Energieeintrag der Zusatzheizung auszugleichen, verringert sich ab- dann wegen der steigenden Stromstärke beim partiellen Entfernen der Oxidschicht durch den Ionenbeschuß.

Im weiteren Verlauf erkennt man, wie die Proben allmählich schwarze Flecken aufwei­ sen. Im gleichen Maße wie diese Einfarbung sich auf die gesamte Oberfläche ausweitet, geht die Stromdichte zurück und die Pulsbreite wird vergrößert, um die Probentemperatur auf dem Wert von 430°C zu halten.

Die Nitrierbehandlung wurde bei dieser Temperatur solange fortgeführt, bis die Ge­ samtpulsdauer einen Wert von 4 Stunden erreicht hatte.

Danach wurde die Spannung abgeschaltet und unter Stickstoff abgekühlt.

Die schwarze Schicht auf der Oberfläche der Proben konnte durch Röntgenbeugungsun­ tersuchungen als Aluminiumnitrid (hexagonal, Wurtzit-Typ) identifiziert werden (Abb. 2). Die Dicke der Schicht wurde am Querschliff zu 2,5 µm bestimmt (Abb. 3). Die chemische Zusammensetzung wurde mittels Glimmentladungs-Emissions-Spektroskopie analysiert (Abb. 4). Es zeigt sich, daß die Schicht zu mehr als 50 at.-% aus Stickstoff besteht, wäh­ rend der Sauerstoffanteil unter 2 at.-% beträgt. Dies verdeutlicht, daß die ursprünglich vor­ handene Oxidschicht während des Nitrierens nahezu vollständig entfernt und das metallische Aluminium in Nitrid umgeformt wurde.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridschichten auf Bauteilen aus Aluminium­ werkstoffen auf der Grundlage des Plasmanitrierens, dadurch gekennzeichnet, daß vor der eigentlichen Nitrierbehandlung kein Prozeßschritt ausgeführt wird, der vor­ rangig auf die Entfernung der natürlichen Oxidschicht durch Katodenzerstäubung (Sputtern) zielt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Plasmas durch eine gepulste Gleichspannung im Frequenzbereich von 5-50 kHz erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Bauteiltemperatur im wesentlichen darauf beruht, daß die über das Plasma im Mittel zugeführte Heizleistung durch die Variation des Tastverhältnisses im Bereich zwischen 0,05 und 0,95 gesteuert wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Nitrierdauer die Gesamtpulsdauer herangezogen wird.