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WO1997049840A1 - Stoffverbund und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Stoffverbund und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO1997049840A1
WO1997049840A1 PCT/EP1997/003292 EP9703292W WO9749840A1 WO 1997049840 A1 WO1997049840 A1 WO 1997049840A1 EP 9703292 W EP9703292 W EP 9703292W WO 9749840 A1 WO9749840 A1 WO 9749840A1
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WO
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layer
substrate
carbon
composite
composite material
Prior art date
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PCT/EP1997/003292
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Holleck
Michael STÜBER
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to AT97930386T priority patent/ATE222611T1/de
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Priority to US09/215,392 priority patent/US6110329A/en

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/027—Graded interfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605—Carbon

Definitions

  • the invention relates to a composite material according to the preamble of the first claim and a method for its production according to the fifth claim.
  • Such a composite and various processes for its production are described in the publication by SJ Bull: "Tribology of carbon coatings: DLC, diamond and beyond", Diamond and Related Materials 4 (1995) 827-836.
  • the publication relates to amorphous carbon layers applied to substrates which contain both sp 2 and sp 3 bonds. Such carbon layers are referred to as “diamond-like” carbon (DLC) layers.
  • DLC diamond-like carbon
  • the hardness of such layers depends on various parameters, in particular on the proportion of the sp 3 hybridized bonds or the bias voltage during the production by sputtering processes.
  • the author regards the adhesion of the layers to the substrate as problematic. Since diamond-like layers are chemically inert, they do not bind to the substrate.
  • a carbide-forming element is often applied to the substrate as an intermediate layer, which guarantees the best adhesion for diamond-like layers.
  • Silicon and silicon carbide are suitable for such an intermediate layer. Reference is made to more complicated intermediate layers. Another problem is that the highest hardness is achieved with such diamond-like layers that have high internal stresses.
  • the invention has for its object to provide a composite of the type mentioned, in which the adhesion between the substrate and the carbon layer improves and internal stresses in the carbon layer can be minimized despite the high hardness of the layer surface.
  • a new process is to be proposed, with the help of which the composite can be produced.
  • the object is achieved with regard to the composite material by the feature specified in the characterizing part of the first patent claim and with regard to the method by the method described in claim 5.
  • preferred configurations of the composite material and the method are specified.
  • a gradient layer is built up on a substrate.
  • the substrate can consist of metal, ceramic or a thermally sufficiently resilient plastic.
  • the gradient layer adheres well to the substrate with small layer thicknesses. If the adhesion is not sufficient for thicker layers (approximately over 1 ⁇ m), an intermediate layer preferably made of a carbide, Nitride or boride of a transition metal can be provided. TiC is well suited as an intermediate layer. The thickness of the intermediate layer should be approximately 5 to 300 nm, preferably 5 to 50 nm; it can according to the known methods, for. B. by magnetron sputtering.
  • the gradient layer which is built up on the substrate or, if appropriate, on the intermediate layer, consists of - apart from inevitable impurities - pure carbon. It is preferably between 0.5 ⁇ m and 5 ⁇ m, more preferably between 1 and 3 ⁇ m thick.
  • the interface to the substrate or to the intermediate layer should have a predominant proportion of sp 2 hybridized bonds; it is amorphous, low in internal tensions and relatively soft with 1600 to 2000 HV. This part of the layer conveys the adhesion to the substrate or to the intermediate layer.
  • the proportion of sp 3 hybridized bonds increases in the direction of the free surface of the layer, so that finally the sp 2 hybridization portion recedes and the sp 3 bonds predominate.
  • the free surface of the layer therefore consists of diamond-like and therefore correspondingly hard carbon.
  • Such layers can be produced with the aid of PVD processes. So that the desired gradient layer results, the momentum input into the layer must be increased during the production of the layer. If the momentum input is continuously increased, a gradient layer results, the internal tension and hardness of which continuously increase from the boundary layer to the surface. The impulse input can also be increased discontinuously. In this case there is a gradient layer, the properties of which change step-wise between the boundary layer and the surface.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the composite fabric according to the invention.
  • FIG. 7 shows the penetration depth of a test specimen (nanoindenter) into an amorphous carbon layer and into the composite material according to the invention.
  • Magnetron sputtering from a graphite target at 150 W power and 0.6 to 1.0 Pa argon partial pressure (alternatively: 90% by volume Ar, 10% by volume H2) was applied to various substrates at a deposition temperature of 100 to 200 ° C carbon layers deposited with a total layer thickness of 1 to 5 ⁇ m.
  • the substrates consisted of silicon, hard metal, aluminum, aluminum oxide and silicon carbide; they were before etched the coating with 500 W HF for 10 minutes.
  • the intermediate layer was produced by depositing a 5 to 100 nm thick TiC layer on the substrates in the process chamber of the magnetron sputtering system by sputtering from a TiC target.
  • the subsequent carbon separation was carried out in the same process chamber by sputtering the graphite target.
  • the bias voltage was continuously increased from 0 V to 300 V.
  • the carbon layer was built up in three stages: 30 minutes. at 0 V bias voltage, 30 to 40 min. at 150 V bias voltage and 30 min. at 300 V bias voltage.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the layer composite according to the invention.
  • An approximately 200 nm thick layer of titanium carbide is applied to a hard metal substrate.
  • a graded carbon layer which was produced by continuously increasing the bias voltage as described in the exemplary embodiment.
  • the layer thickness is 2 ⁇ m. Unless otherwise stated, the results shown in the following figures were obtained with this composite.
  • the examined homogeneous, graded carbon layers were each 2 to 5 ⁇ m thick.
  • the target was made of graphite; the sputtering power was 150 W (3.5 W / cm) and the sputtering pressure was 1.0 Pa Ar.
  • bias voltages below 200 V amorphous carbon layers are formed, the sp 3 component of which increases with the bias voltage.
  • the highest hardness results at a bias voltage of approx. 300 V.
  • the hardness drops again, which in turn results in amorphous, graphite-like layers.
  • the left column shows the thermal conductivity of homogeneous graphitic carbon layers as a benchmark.
  • the middle column indicates the thermal conductivity of such amorphous layers, which correspond to the interface areas of the composite material according to the invention.
  • the right column represents the gradient layer of the composite material according to the invention.
  • the thermal conductivity of the gradient layer is higher by a factor of 4 compared to graphitic carbon layers.
  • Fig. 4 the residual compressive stresses in [GPa] are given in amorphous carbon layers.
  • the column on the left denotes the residual compressive stress of the amorphous carbon with a high sp 2 hybridization content, which according to the invention is generated in the carbon layer of the composite at the interface with the substrate or at the intermediate layer at a bias voltage of 0 V.
  • the residual compressive stress is 0.69 GPa.
  • the right column shows the residual pressure (238 GPa) of an entire carbon gradient layer, in which the bias voltage was increased to 300 V.
  • the residual compressive stress on the surface of the gradient layer would be even higher; however, the high internal compressive stress of the surface is partially compensated for by the softer interface area.
  • FIG. 5 shows the critical loads in [N] of the failure of thin carbon layers in the scratch test.
  • the layer thickness was 1 ⁇ m.
  • Column A represents a carbon layer applied directly to a hard metal substrate without an intermediate layer, which corresponds to the amorphous carbon layer at the interface of the composite material according to the invention at a bias voltage of 0 V; the critical load is 40 N.
  • Column B represents a composite that corresponds to A, but with a 200 nm thick intermediate layer made of TiC; the critical load is 65 N.
  • column C the critical load of a composite is out Tungsten carbide and a diamond-like layer with a high sp 3 hybridization content (15 N), which was produced with a bias voltage gradient of 300 V, has no intermediate layer and corresponds in its morphology to the surface of the gradient layer provided according to the invention.
  • column D shows the critical load (50 N) of an embodiment of the composite material according to the invention with a hard metal substrate, a 200 nm thick TiC intermediate layer and a bias gradient which is continuously changed between 0 and 300 V. It can be seen that the critical load for the material composite according to the invention is high, although the superhard surface of the carbon gradient layer is subject to high compressive stress.
  • the solid curve shows the results for the composite material according to the invention, while the dashed curve represents the carbon layer described for column A in FIG. 5.
  • the penetration depths of the composite material according to the invention are significantly smaller and show a relatively high elastic component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stoffverbund mit einem Substrat und einer im wesentlichen aus reinem, sp?2 und sp3¿ hybridisiertem Kohlenstoff bestehenden Schicht, die eine erste, dem Substrat gegenüberliegende und eine zweite, freie Fläche aufweist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei einem solchen Stoffverbund soll die Haftung auf dem Substrat verbessert und bei hoher Oberflächenhärte die inneren Spannungen minimiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schicht eine Gradientenschicht ist, bei der der Anteil des sp3 hybridisierten Kohlenstoffs in Richtung auf die zweite, freie Fläche ansteigt. Beim Verfahren zur Herstellung des Stoffverbunds wird ein Substrat mit einem PVD-Verfahren in der Weise mit einer Schicht aus Kohlenstoff versehen, daß während der Herstellung der Impulseintrag in die Schicht mit steigender Schichtdicke entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich gesteigert wird.

Description

Stoffverbund und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Stoffverbünd gemäß dem Oberbe¬ griff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem fünften Patentanspruch.
Ein solcher Stoffverbund und verschiedene Verfahren zu seiner Herstellung werden in der Veröffentlichung von S. J. Bull: "Tribology of carbon coatings: DLC, diamond and beyond" , Dia¬ mond and Related Materials 4 (1995) 827-836 beschrieben. Die Veröffentlichung betrifft auf Substrate aufgebrachte amorphe Kohlenstoffschichten, die sowohl sp2- als auch sp3-Bindungen enthalten. Solche Kohlenstoffschichten werden als "diamond- like" carbon (DLC-) Schichten bezeichnet. Die Härte solcher Schichten hängt von verschiedenen Parametern, insbesondere vom Anteil der sp3 hybridisierten Bindungen bzw. der Bias-Spannung während der Herstellung durch Sputterverfahren ab. Die Haftung der Schichten auf dem Substrat sieht der Autor als problema¬ tisch an. Da diamantähnliche Schichten chemisch inert sind, gehen sie keine Bindung zum Substrat ein. Deshalb wird oft auf das Substrat ein Carbid bildendes Element als Zwischenlage aufgebracht, das für diamantähnliche Schichten die beste Haf¬ tung gewährleistet. Für eine solche Zwischenlage eignet sich Silicium und Siliciumcarbid. Auf komplizierter aufgebaute Zwi¬ schenlagen wird hingewiesen. Ein weiteres Problem ist, daß die höchste Härte mit solchen diamantähnlichen Schichten erzielt wird, die hohe innere Spannungen aufweisen.
Auch in den Proceedings der 2nd International Conference on the Applications of Diamond Films and Related Materials, Edi¬ tors M. Yoshikawa et al, Seite 221 bis 228 (Richard L. C. Wu und Kazuhisa Miyoshi : "Application of Diamond and Diamond-Like Carbon Films as Lubricating Coatings") , MYU, Tokyo 1993 wird über diamantähnliche Schichten berichtet, die durch direkte Ionenstrahl-Abscheidung von einer Kaufman-Ionenquelle auf ein Substrat ( [100] Si) aufgebracht wurden. Die Autoren geben an, daß der Anteil des sp3 hybridisierten Kohlenstoffs ca. 50 mal so groß war wie der sp2 hybridisierte Anteil . Die Schichten erwiesen sich als sehr hart und amorph.
Weiterhin findet sich in diesen Proceedings eine Veröffentli¬ chung von Erich Bergmann: "Industrial Applications of Metal Containing Diamond Like Carbon Films" (Seiten 833-844) . Der Autor vergleicht reine diamantartige Kohlenstoffschichten mit metallhaltigen diamantartigen Kohlenstoffschichten und kommt zum Ergebnis, daß mit den metallhaltigen Schichten unter an¬ derem das Problem der Haftung auf dem Substrat vermieden wer¬ den kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stoffverbünd der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Haftung zwi¬ schen Substrat und Kohlenstoffschicht verbessert und innere Spannungen in der Kohlenstoffschicht trotz hoher Härte der Schichtoberfläche minimiert werden können. Außerdem soll ein neues Verfahren vorgeschlagen werden, mit dessen Hilfe sich der Stoffverbund herstellen läßt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Stoffver¬ bunds durch das im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs an¬ gegebene Merkmal und hinsichtlich des Verfahrens durch das in Anspruch 5 beschriebene Verfahren gelöst. In den weiteren An¬ sprüchen werden bevorzugte Ausgestaltungen des Stoffverbunds und des Verfahrens angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Gradientenschicht auf einem Substrat aufgebaut. Für den Werkstoff des Substrats bestehen praktisch keine Einschränkungen; das Substrat kann aus Metall, Keramik oder einem thermisch ausreichend belastbaren Kunststoff beste¬ hen.
In der Regel haftet die Gradientenschicht bei geringen Schichtdicken gut auf dem Substrat. Falls bei dickeren Schich¬ ten (etwa über 1 μm) die Haftung nicht ausreichend sein sollte, kann eine Zwischenlage vorzugsweise aus einem Carbid, Nitrid oder Borid eines Übergangsmetalls vorgesehen werden. Gut geeignet ist TiC als Zwischenlage. Die Dicke der Zwischen¬ lage soll ca. 5 bis 300 nm, bevorzugt 5 bis 50 nm betragen; sie kann nach den bekannten Methoden, z. B. durch Magnetron- sputtern, aufgebracht werden.
Die Gradientenschicht, die auf dem Substrat oder gegebenen¬ falls auf der Zwischenlage aufgebaut ist, besteht aus - abge¬ sehen von unvermeidbaren Verunreinigungen - reinem Kohlen¬ stoff. Sie ist vorzugsweise zwischen 0,5 μm und 5 μm, besser zwischen 1 und 3 μm dick. Die Grenzfläche zum Substrat oder zur Zwischenschicht soll einen überwiegenden Anteil an sp2 hy¬ bridisierten Bindungen haben; sie ist amorph, arm an inneren Spannungen und mit 1600 bis 2000 HV relativ weich. Dieser Teil der Schicht vermittelt die Haftung zum Substrat oder zur Zwi¬ schenschicht. In Richtung auf die freie Oberfläche der Schicht steigt der Anteil an sp3 hybridisierten Bindungen an, so daß schließlich der sp2-Hybridisierungsanteil zurücktritt und die sp3-Bindungen überwiegen. Die freie Oberfläche der Schicht be¬ steht daher aus diamantartigem und damit entsprechend hartem Kohlenstoff .
Die Herstellung solcher Schichten gelingt mit Hilfe von PVD- Verfahren. Damit sich die gewünschte Gradientenschicht ergibt, muß während der Herstellung der Schicht der Impulseintrag in die Schicht gesteigert werden. Wird der Impulseintrag kontinu¬ ierlich gesteigert, ergibt sich entsprechend eine Gradienten¬ schicht, deren innere Spannung und Härte von der Grenzschicht bis zur Oberfläche kontinuierlich ansteigen. Der Impulseintrag kann aber auch diskontinuierlich gesteigert werden. In diesem Fall ergibt sich eine Gradientenschicht, deren Eigenschaften sich zwischen Grenzschicht und Oberfläche stufenförmig ändern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei- spiels und sieben Figuren näher erläutert . Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen StoffVerbunds;
Fig. 2 den Einfluß des Gradienten der Bias-Spannung auf die Härte der Kohlenstoffschicht des StoffVerbunds;
Fig. 3 einen Vergleich der thermischen Leitfähigkeit verschie¬ dener Kohlenstoffschichten;
Fig. 4 die Druckeigenspannungen einer amorphen Kohlenstoff- schicht und der Kohlenstoffschicht des erfindungsgemäßen StoffVerbunds;
Fig. 5 die kritischen Lasten des Versagens für verschiedene Kohlenstoffschichten;
Fig. 6 die an einer amorphen Kohlenstoffschicht und an der Kohlenstoffschicht des erfindungsgemäßen StoffVerbunds gemes¬ senen Reibungszahlen;
Fig. 7 die Eindringtiefe eines Prüfkörpers (Nanoindenter) in eine amorphe Kohlenstoffschicht und in den erfindungsgemäßen Stoffverbünd.
Ausführungsbeispiel :
Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoff-
Verbunds
Durch Magnetronsputtern von einem Graphittarget bei 150 W Lei¬ stung und 0,6 bis 1,0 Pa Argonpartialdruck (alternativ: 90 Vol.-% Ar, 10 Vol.-% H2) wurden auf verschiedene Substrate bei einer Abscheidetemperatur von 100 bis 200 °C Kohlenstoff¬ schichten mit einer Gesamtschichtdicke von 1 bis 5 μm abge¬ schieden. Die Substrate bestanden aus Silicium, Hartmetall, Aluminium, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid; sie wurden vor der Beschichtung mit 500 W HF 10 Minuten lang geätzt. Die Zwi¬ schenlage wurde hergestellt, indem in der Prozeßkammer der Ma- gnetronsputteranlage auf den Substraten eine 5 bis 100 nm dicke TiC-Schicht durch Sputtern von einem TiC-Target abge¬ schieden wurde. Die anschließende Kohlenstoffabscheidung wurde in derselben Prozeßkammer durch Sputtern des Graphit-Targets vorgenommen. Während der Kohlenstoffabscheidung wurde die Bi- asspannung kontinuierlich von 0 V auf 300 V erhöht. Bei eini¬ gen Substraten wurde die Kohlenstoffschicht in drei Stufen aufgebaut: 30 min. bei 0 V Bias-Spannung, 30 bis 40 min. bei 150 V Biasspannung und 30 min. bei 300 V Biasspannung.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtverbunds Auf einem Substrat aus Hartmetall ist eine ca. 200 nm dicke Schicht aus Titancarbid aufgetragen. Auf der Titancarbidschicht liegt eine gradierte Kohlenstoffschicht, die durch kontinuierliche Erhöhung der Bias-Spannung wie im Ausführungsbeispiel beschrieben hergestellt wurde. Die Schichtdicke beträgt 2 μm. Die in den folgenden Figuren darge¬ stellten Ergebnisse wurden, soweit nicht anders angegeben, mit diesem Stoffverbünd erhalten.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Härte HVQ 05 vom Gradienten der Bias-Spannung. Der Gradient der Bias-Spannung gibt an, bis zu welcher Höhe die Bias-Spannung während der Herstellung der Schicht von der Spannung 0 V aus erhöht wurde . Die untersuch¬ ten homogenen, gradierten Kohlenstoffschichten waren jeweils 2 bis 5 μm dick. Das Target bestand aus Graphit; die Sputterlei- stung betrug 150 W (3,5 W/cm) und der Sputterdruck 1,0 Pa Ar. Bei Bias-Spannungen unter 200 V bilden sich amorphe Kohlen¬ stoffschichten, deren sp3-Anteil mit der Bias-Spannung zu¬ nimmt. Die höchste Härte ergibt sich bei einer Bias-Spannung von ca. 300 V. Bei höheren Bias-Spannungen sinkt die Härte wieder ab, wobei sich wiederum amorphe, graphitähnliche Schichten ergeben. In Fig. 3 sind die thermischen Leitfähigkeiten verschiedener Kohlenstoffschichten bei Raumtemperatur in [W/mK] dargestellt. Die linke Säule zeigt als Vergleichsmaßstab die Wärmeleitfä¬ higkeit homogener graphitischer Kohlenstoffschichten. Die mittlere Säule gibt die Wärmeleitfähigkeit solcher amorpher Schichten an, die den Grenzflächenbereichen des erfindungsge¬ mäßen StoffVerbunds entsprechen. Die rechte Säule repräsen¬ tiert die Gradientenschicht des erfindungsgemäßen Stoffver¬ bunds. Die Wärmeleitfähigkeit der Gradientenschicht ist gegen¬ über graphitischen Kohlenstoffschichten um mehr als Faktor 4 höher.
In Fig. 4 sind die Druckeigenspannungen in [GPa] in amorphen Kohlenstoffschichten angegeben. Die linke Säule bezeichnet die Druckeigenspannung des amorphem Kohlenstoffs mit hohem sp2-Hy- bridisierungsanteil, der erfindungsgemäß in der Kohlenstoff- schicht des Stoffverbunds an der Grenzfläche zum Substrat oder zur Zwischenlage bei einer Bias-Spannung von 0 V erzeugt wird. Die Druckeigenspannung beträgt 0,69 GPa. Die rechte Säule gibt die Druckeigenspannung (238 GPa) einer gesamten Kohlenstoff- Gradientenschicht wieder, bei der die Bias-Spannung bis auf 300 V erhöht wurde. Noch höher wäre die Druckeigenspannung der an der Oberfläche der Gradientenschicht; die hohe Druckeigen¬ spannung der Oberfläche wird jedoch durch den weicheren Grenz- flächenbereich teilweise kompensiert.
In Fig. 5 sind die kritischen Lasten in [N] des Versagens dün¬ ner Kohlenstoffschichten beim Scratch-Test aufgetragen. Die Schichtdicke betrug 1 μm. Die Säule A stellt eine unmittelbar, somit ohne Zwischenlage auf einem Hartmetallsubstrat aufge¬ brachte Kohlenstoffschicht dar, die bei einer Bias-Spannung von 0 V der amorphen Kohlenstoffschicht an der Grenzfläche des erfindungsgemäßen StoffVerbunds entspricht; die kritische Last beträgt 40 N. Die Säule B repräsentiert einen Stoffverbünd, der A entspricht, wobei jedoch eine 200 nm dicke Zwischenlage aus TiC vorhanden ist; die kritische Last beträgt 65 N. Mit der Säule C ist die kritische Last eines Stoffverbunds aus Hartmetall und einer diamantartigen Schicht mit hohem sp3-Hy- bridisierungsanteil angegeben (15 N) , der bei einem Bias-Span- nungsgradienten von 300 V hergestellt wurde, keine Zwischen¬ schicht aufweist und in ihrer Morphologie der Oberfläche der erfindungsgemäß vorgesehenen Gradientenschicht entspricht. Schließlich zeigt die Säule D die kritische Last (50 N) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen StoffVerbunds mit einem Hartmetallsubstrat, einer 200 nm dicken TiC-Zwischenlage und einem zwischen 0 und 300 V kontinuierlich veränderten Bias- Gradienten. Man sieht, daß die kritische Last für den erfin¬ dungsgemäßen Stoffverbünd hoch ist, obwohl die superharte Oberfläche der Kohlenstoffgradientenschicht stark druckspan¬ nungsbehaftet ist.
In Fig. 6 ist die Reibungszahl μ gegen den Gleitweg in [km] aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht der durch Säule A in Fig. 5 repräsentierten Schicht. Mit der gestrichel¬ ten Linie ist die Reibung für den erfindungsgemäßen Stoffver¬ bund dargestellt. Die Reibung des Stoffverbunds ist erheblich geringer. Die Messungen wurden bei Gleitverschleiß (10 N, re¬ lative Luftfeuchte 35 %, v = 0,03 m/s) gegen 100Cr6 durchge¬ führt .
In Fig. 7 ist die Prüfkraft in mN gegen die Eindringtiefe des Prüfkörpers in μm dargestellt. Die durchgezogene Kurve zeigt die Ergebnisse für den erfindungsgemäßen Stoffverbünd, während die gestrichete Kurve die zu Säule A in Fig. 5 beschriebene Kohlenstoffschicht repräsentiert. Die Eindringtiefen des er¬ findungsgemäßen Stoffverbunds sind deutlich kleiner und zeigen einen relativ hohen elastischen Anteil.

Claims

Patentansprüche:
1. Stoffverbünd mit einem Substrat und einer im wesentlichen aus reinem, sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff beste¬ henden Schicht, die eine erste, dem Substrat gegenüberlie¬ gende und eine zweite, freie Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Gradientenschicht ist, bei der der Anteil des sp3 hybridisierten Kohlenstoffs in Richtung auf die zweite, freie Fläche ansteigt.
2. Stoffverbünd nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und der Schicht eine Zwischenlage aus einem Carbid, Nitrid oder Borid eines Übergangsmetalls an¬ geordnet ist.
3. Stoffverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage eine Dicke von 5 bis 300 nm aufweist.
4. Stoffverbünd nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dicke von 0,5 bis 5 μm aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung des Stoffverbunds nach Anspruch
1, bei dem ein Substrat mit einem PVD-Verfahren in der Weise mit einer Schicht aus Kohlenstoff versehen wird, daß während der Herstellung der Impulseintrag in die Schicht mit stei¬ gender Schichtdicke entweder kontinuierlich oder diskontinu¬ ierlich gesteigert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Steigerung des Im¬ pulseintrags durch Erhöhen der Leistung einer gesonderten Ionenkanone, Verminderung des Beschichtungsdrucks und/oder Erhöhung der Energie von kondensierenden Teilchen während der Herstellung der Schicht erfolgt.
PCT/EP1997/003292 1996-06-25 1997-06-24 Stoffverbund und verfahren zu dessen herstellung WO1997049840A1 (de)

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