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    • 专利摘要:
    Beim Verfahren zum Aufbringen eines Nanoverbundstoff-Belages aus rostfreiem Stahl und einem metallischen Karbid oder Nitrid, z. B. Chromkarbid oder Chromnitrid, auf ein Substrat (10) aus Metall oder einer Metall-Legierung, z. B. aus rostfreiem Stahl, wird (a) ein Substrat (10) aus Metall bereitgestellt; (b) rostfreier Stahl auf dem Substrat (10) abgelagert; (c) ein metallisches Karbid, z. B. Chromkarbid oder Chromnitrid, auf dem Substrat (10) abgelagert und schließlich ein Nanoverbundstoff-Belag (14) aus rostfreiem Stahl und metallischem Karbid, z. B. Chromkarbid oder Chromnitrid, auf dem Substrat (10) zur Bildung gebracht.
    公开号:DE102004012463A1
    申请号:DE200410012463
    申请日:2004-03-15
    公开日:2004-12-23
    发明作者:Siu Yeung Chan
    申请人:Winsky Technology Ltd；
    IPC主号:B82B3-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einesNanoverbundstoff-Belages, enthaltend rostfreien Stahl, auf ein Substrat,insbesondere ein Substrat aus festem Metall oder einer Metall-Legierung,sowie ein nach diesem Verfahren mit einem Belag beschichteten Gegenstand.
    [0002] RostfreierStahl wird industriell bei einer Vielzahl von Gegenständen eingesetzt,wie z.B. bei verschleissfesten Schmuck- oder tragbaren Gebrauchsgegenständen, wieUhrengehäusen,Uhrenarmbändern,Armbändern,Brillengestellen, Schmuckstückenund portablen Telefonapparaten. Aus ästhetischen Gründen istdie Oberflächesolcher Gegenständeoft auf die verschiedensten Arten behandelt, z.B. poliert, satiniertoder sandgestrahlt.
    [0003] RostfreierStahl hat normalerweise eine Härtevon 200 HV (Vickers-Skala). Wegen diesem relativ geringen Härtegrad,werden Oberflächenaus rostfreiem Stahl beim täglichenGebrauch oft zerkratzt oder anderweitig beschädigt. Das Aussehen und die Anziehungskraftsolcher Gegenstände,insbesondere von Uhrengehäusenund Uhrenarmbändern,leiden darunter und beeinträchtigenden Wert solcher Produkte.
    [0004] Eswurden die verschiedensten Verfahren zur Behandlung von rostfreiemStahl entwickelt, um dessen Härtezu steigern, umfassend z.B. Nitrierhärtung und Einsatzhärtung. Beider Nitrierhärtungwird die Oberflächedes rostfreien Stahls durch Bildung von Nitriden gehärtet. Dabeiwird Stickstoff in den rostfreien Stahl eingeführt, normalerweise durch Erhitzendes rostfreien Stahls in gasförmigemAmmoniak. Bei der Einsatzhärtungwird die äussereSchicht von rostfreiem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durchKontakt mit einem kohlenstoffhaltigen Material im rostfreien Stahlmit hohem Kohlenstoffgehalt umgewandelt. Sowohl mittels Nitrierhärtung, alsauch mittels Einsatzhärtung,kann die Oberflächenhärte vonrostfreiem Stahl erheblich erhöhtwerden. Bei der Einsatzhärtungkann die Oberflächenhärte desbehandelten rostfreien Stahls rund 800 HV erreichen, während mitder Nitrierhärtungeine Oberflächenhärte vonrund 600 HV erzielt werden kann. Beide Verfahren verlangen jedochwährendrelativ langer Zeit Hochtemperaturbehandlungen. So muss z.B. dieNitrierhärtungbei einer Temperatur von 524 bis 549°C ablaufen und die Vervollständigungdes Prozesses benötigt24 bis 48 Stunden. Bei der Einsatzhärtung liegt die Temperatureher noch höher,bis etwa 1000°Cund der Prozessablauf dauert etwa 20 Stunden.
    [0005] SowohlNitrierhärtung,als auch Einsatzhärtungbasieren auf dem Prinzip der Feststoff-Diffusion, bei welcher Atomevon Verunreinigungen, z.B. Stickstoff oder Kohlenstoff, von derOberflächedes rostfreien Stahls in das innere der Substratmasse diffundieren.Das Profil der Diffusionskonzentration verläuft stetig und die Tiefe derDiffusion beträgt üblicherweisezwischen 20-30 Mikron. Die verbesserte Härte des behandelten rostfreienStahls resultiert aus der Bildung von Chromnitrid, im Falle von nitriertemrostfreiem Stahl, und Chromkarbid, im Falle von einsatzgehärtetem rostfreiemStahl. Dabei ist der Härtegradan der Oberflächedes behandelten rostfreien Stahls am höchsten, nämlich dort, wo die Konzentrationvon Chromnitrid oder Chromkarbid am höchsten ist und nimmt mit zunehmenderTiefe in das Innere der Substratmasse ab.
    [0006] Wieweiter oben erwähnt,werden fürNitrierhärtungund Einsatzhärtungrelativ viel Zeit und hohe Behandlungstemperaturen verlangt, sodassDurchsatz und Produktivitätabnehmen und damit die Herstellungskosten erhöhen. Zusätzlich sind die Nitrierhärtung unddie Einsatzhärtungnoch mit den folgenden Nachteilen behaftet. Erstens werden Härte und Verschleissfestigkeitdes behandelten rostfreien Stahls zu Lasten der Korrosionsfestigkeiterhalten. Da kein neues Chrom zugeführt wird, wird die Bildungvon Chromnitrid oder Chromkarbid den Chromgehalt im Korn des ursprünglichenrostfreien Stahls herabsetzten, was den Korrosionswiderstand imbehandelten rostfreien Stahl nachteilig beeinflusst.
    [0007] Zweitenslassen sich Nitrierhärtungund Einsatzhärtungnur bei Substraten aus austenitischem rostfreiem Stahl durchführen, welcheeine hohe ursprünglicheChromkonzentration aufweisen, nicht jedoch auf Substraten aus martensitischemrostfreiem Stahl.
    [0008] Drittens,dies um die Diffusionswirksamkeit zu steigern, ist die Oberflächenkonzentrationsowohl von Stickstoff oder Kohlenstoff im behandelten rostfreienStahl eher hoch, was die Oberflächedes behandelten rostfreien Stahls dunkler werden lässt oder Fleckenentstehen lässt.
    [0009] EineOberflächenbehandlungnach der Diffusion, z.B. Polieren, wird somit erforderlich, um dem behandeltenrostfreien Stahl so weit wie möglichan seiner Oberflächedie ursprünglicheFarbe zurückzugeben.Eine solche Behandlung erfolgt üblicherweise vonHand, was schwer zu kontrollieren ist.
    [0010] Einanderes Verfahren zum Härteneiner Oberflächeaus rostfreiem Stahl ist das Galvanisieren, d.h. im Auftragen vonrelativ dicken, z.B. über10 Mikron, Schichten aus Chrom oder Wolfram. Aber auch bei derartbehandeltem rostfreiem Stahl wird die Farbe der Oberfläche sichwesentlich von jener des gewöhnlichenrostfreien Stahls unterscheiden. Ferner ist die Härte vongalvanisiertem rostfreiem Stahl niedrigen als jene von nitriergehärtetem odereinsatzgehärtetemrostfreiem Stahl. Es ist auch möglich, Karbidevon Chrom oder Wolfram auf Substraten aus rostfreiem Stahl durchphysikalisches Aufdampfen abzulagern, was zu hoher Härte derOberflächeder behandelten Substrate führt.Aber auch hier wird die Oberflächenfarbedes so behandelten rostfreien Stahls wesentlich von jener von üblichemrostfreiem Stahl abweichen, was die Vermarktung von derart behandeltemrostfreiem Stahl in grösserenMengen verhindert.
    [0011] Zusätzlich istfür Metalleoder Metall-Legierungen, wie Kupfer, Kupfer-Legierungen, Aluminium, Aluminium-Legierungen, Magnesium,Magnesium-Legierungen, Titan und Titan-Legierungen, da diese wenigoder kein Chrom enthalten, weder Nitrierhärtung noch Einsatzhärtung vonSubstraten aus solchen Materialien möglich. Elektroplattierung mit metallischemHartchrom ist nur fürdie Anwendung auf Kupfer und seinen Legierungen möglich. Aluminiumund seine Legierungen, Magnesium und seine Legierungen, sowie Titanund seine Legierungen oxidieren sehr rasch in elektrolytischen Lösungen und werdenzudem elektrisch nicht leitend, was ein Elektroplattieren verhindert.Obwohl das Ablagern von Beschichtungen aus verschiedenen Karbidenund Nitriden hoher Härtemittels Aufdampfung (PVD) auf diesen Substanzen möglich ist,ist das Aussehen solcher Karbid- oder Nitridbeläge sehr verschieden von jenenvon rostfreiem Stahl. Zudem benötigtdas physikalische Aufdampfen (PVD) von Keramikmaterialien, wie z.B.Karbid oder Nitrid, Hochfrequenzenergie (RF), z.B. mit einer Frequenzvon 13,56 MHz, und die niedrigen Ablagerungsgeschwindigkeiten führen zu einemgrossen Teil zu den hohen Herstellungskosten.
    [0012] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrenszum Aufbringen eines Nanoverbundstoff-Belages auf ein festes Substrat ausMetall oder einer Metall-Legierung, um damit die Oberflächenhärte desSubstrates zu erhöhen, wobeidas Verfahren die Nachteile der konventionellen Methoden weitgehendvermeiden soll oder zumindest eine nützliche Alternative für den Benützer bietensoll.
    [0013] EbenfallsAufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gegenstand zu schaffen,welcher mit einem Nanoverbundstoff- Belag, gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren,versehen wurde.
    [0014] Daseinleitend definierte Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäss durchdie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definierten Schritteaus.
    [0015] Dermit einem Nanoverbundstoff-Belag versehene Gegenstand, welcher ebenfallsGegenstand der Erfindung bildet, ist in Anspruch 23 definiert.
    [0016] DieErfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweisauf die Zeichnung noch etwas nähererläutert,wobei in der Zeichnung zeigen:
    [0017] 1A–C schematisch die Schrittemit welchen ein Substrat aus rostfreiem Stahl mit einem Nanoverbundstoff-Belag, gemäss einerersten Ausführungsformdes erfindungsgemässenVerfahrens, beschichtet wird;
    [0018] 2 schematisch die Nanostruktureines Substrates aus rostfreiem Stahl, welche gemäss dem Verfahrennach 1A bis 1C behandelt wurde;
    [0019] 3A ein Diagramm, welchesdie Härteeines Substrates aus rostfreiem Stahl vor dem Aufbringen des Nanoverbundstoff-Belageszeigt;
    [0020] 3B ein Diagramm, welchesdie Härte desSubstrates aus rostfreiem Stahl zeigt, nach dem Aufbringen des Nanoverbundstoff-Belagesund
    [0021] 4 rein schematisch einenApparat, welcher sich zur Ausübungdes Verfahrens gemässder vorliegenden Erfindung eignet.
    [0022] EinGrundprinzip eines Beschichtungsverfahrens, gemäss der vorliegenden Erfindung,besteht darin, auf ein Substrat aus Metall oder einer Metall-Legierungmittels physikalischer Aufdampfung Körner von rostfreien Stahlkristallenabzulagern, entlang deren Korngrenzen in Zwischenräumen eine Nanostrukturvon Molekülenaus metallischem Karbid oder metallischem Nitrid, z.B. Chromkarbidoder Chromnitrid, gebildet wird. Diese Struktur wird die Körner ausrostfreiem Stahl daran hindern, sich aus ihrer Lage zu bewegen oderwegzugleiten, was zu einer hohen Oberflächenhärte führt. In diesem Zusammenhangsei erwähnt,dass eine unkontrollierte Co-Ablagerung von rostfreiem Stahl undChromkarbid oder Chromnitrid lediglich zu einem ungeordneten Gemischvon rostfreiem Stahl, Chromkarbid, Eisenkarbid und dergleichen führt, ohnedie Härtedes Substrates aus rostfreiem Stahl zu beeinflussen. Da zusätzlich Chromkarbidein keramischer Stoff ist, und daher nicht leitend, muss Hochfrequenzenergie(RF) eingesetzt werden. Dies wiederum ist unvereinbar mit der Zufuhrvon Gleichstrom (DC), welcher zur Ablagerung von rostfreiem Stahlnotwendig ist.
    [0023] Daherbasiert ein bevorzugtes Ausführungsbeispieleines erfindungsgemässenVerfahrens im reaktiven Sputtern von Chrom in einem kohlenstoffhaltigenoder stickstoffhaltigen Plasmagas mit vorgängiger, gleichzeitiger odernachfolgender Ablagerung von rostfreiem Stahl. Dazu kann Gleichstrom(DC) und niedere Frequenz, z.B. 40 kHz, als Energie verwendet werden,was den Prozess kompatibel macht.
    [0024] Wie 1A bis 1C zeigt, wird ein Substrat aus rostfreiemStahl 10 bereitgestellt. Dieses Substrat aus rostfreiemStahl 10 kann aus austenitischem oder martensitischem rostfreiemStahl sein, mit einer Härtevon 200 HV nach der Vickers-Skala. Zur Entlastung von Beanspruchungenund Förderungder Adhäsioneines Nanoverbundstoff-Belages auf dem Substrat aus rostfreiem Stahl 10,wird zuerst eine Zwischenschicht 12 aus Titan (Ti) aufdem Substrat 10 abgelagert, wie in 1B gezeigt und wie nachträglich nochzu beschreiben ist. Die Zwischenschicht 12 weist eine Dickevon 0,01 bis 0,20 Mikron und kann auch aus Zirkon (Zr), Hafnium(Hf) oder Vanadium (V) bestehen. Ein Nanoverbundstoff-Belag ausrostfreiem Stahl und Chromkarbid 14, einer Dicke von z.B.3 Mikron, wird anschliessend auf der Zwischenschicht 12 abgelagert,wie nachstehend noch beschrieben wird.
    [0025] 2 zeigt schematisch dieNanostruktur eines Nanoverbundstoff-Belages aus rostfreiem Stahl undChromkarbid 14, umfassend Körner aus rostfreiem Stahl 16,zwischen welchen Moleküleaus Chromkarbid 18 eingelagert sind.
    [0026] Wie 3A zeigt, ist vor der Ablagerungdes Nanoverbundstoff-Belages 14 das Substrat aus rostfreiemStahl 10 mit einer Härtevon 200 HV überdie ganze Dicke rausgeröstet.Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin,dass die Erhöhungder Härtenicht in der Grenzschicht zwischen dem Substrat aus rostfreiem Stahl 10 unddem Nanoverbundstoff-Belag 14 aus rostfreiem Stahl und Chromkarbidoder Chromnitrid abrupt stoppt. Wegen dem kontinuierlichen Eindringenvon Kohlenstoff/Stickstoff und Chromatomen in das Substrat aus rostfreiemStahl 10, bildet sich ein Konzentrationsgradient von Chromkarbidund Chromnitrid entlang den Korngrenzen des Substrates aus rostfreiem Stahl 10.Daraus resultierte eine gleichförmigeHärte imNanoverbundstoff-Belag, d.h. 600 HV für einen Nanoverbundstoff-Belagaus rostfreiem Stahl und Chromkarbid von 3 Mikron Dicke, wie in 3B gezeigt, und eine abgestufteHärte imSubstrat aus rostfreiem Stahl 10. Im Beispiel gemäss 3B nimmt die Härte stetigund graduell ab, von 600 HV in der Grenzschicht (mit „O" auf der horizontalenAchse bezeichnet) des Substrates aus rostfreiem Stahl 10 und demNanoverbundstoff-Belag 14 auf 200 HV ab, in einer Tiefevon 15 Mikron in das Substrat 10. Die Gesamthärte desSubstrates 10 wird damit weiter verbessert.
    [0027] DiePraxis hat ferner gezeigt, dass die Härte eines Nanoverbundstoff-Belageseine Funktion seiner Dicke ist, obwohl die Werte der beiden nichtdirekt proportional zueinander sind, d.h. nicht in einer linearenBeziehung zueinander stehen. Insbesondere, wenn der Nanoverbundstoff-Belag aus rostfreiem Stahlund Chromkarbid eine Dicke von 3 Mikron aufweist, wird die Härte etwa600 HV betragen, während einBelag mit einer Dicke von 4 Mikron eine Härte von 1000 bis 12000 HV aufweist.Versuche haben gezeigt, dass ein so gebildeter Belag eine Härte zwischen500 HV bis 1500 HV gemässVickers-Skala aufweisen kann.
    [0028] 4 zeigt schematisch eineIonen-Sputter Anlage, mit dem Bezugszeichen 100 versehen,welche zur Durchführungdes erfindungsgemässenVerfahrens geeignet ist. Die Anlage 100 umfasst eine Kammer 102,welche übereine erste Öffnung 104 an eineVakuumpumpe anschliessbar ist (nicht dargestellt), sowie eine zweite Öffnung 106, über welche Argon,ein Kohlenwasserstoffgas, wie z.B. Acetylen (C2H2) oder Methan (CH4)oder ein stickstoffhaltiges Gas, wie z.B. Stickstoff (2)oder Ammoniak (NH3), in die Kammer 102 eingeführt werdenkann. Durch eine Tür 108 können zubeschichtende Substrate 10 in die Kammer 102 eingeführt werdenoder beschichtete Substrate 10 können der Kammer 102 entnommen werden.
    [0029] Inder Kammer 102 ist eine Anzahl elektrisch leitender Träger 110 drehbarmontiert, auf welchen die Substrate 10 zur gleichzeitigenRotation bzgl. des Rests der Anlage 100 montiert werdenkönnen.Eine Energiequelle 112 ist an die Träger 110 angeschlossen,um diesen ein negatives Spannungspotential aufzuerlegen, was ebenfallsdie auf den Trägern 110 montiertenSubstrate 10 mit einem negativen elektrischen Potentialvorspannt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das kontinuierlicheEindringen (Feststoffdiffusion) von Chromatomen und Kohlenstoff/Stickstoffatomenin das Substrat aus rostfreiem Stahl 10 erhöht wirddurch das elektrische Feld, welches durch die negative Vorspannungdes Substrates aus rostfreiem Stahl 10 erzeugt wird. DieVorspannungs-Spannung liegt vorzugsweise im Bereich von –20 V bis –200 V.
    [0030] Eindoppelseitiges Target 114 aus rostfreiem Stahl, angeschlossenan eine Energiequelle 116 von 40 kHz, ist vorgesehen, umrostfreien Stahl zur Ablagerung auf dem Substrat 10 zuerzeugen. Vorzugsweise ist das Target 114 aus rostfreiemStahl gleich ausgebildet, wie das zu behandelnde Substrat aus rostfreiemStahl 10, dies aus rein optischen Gründen. Ein doppelseitiges Target 118 ausreinem Chrom ist an eine Energiequelle 120 mit 40 kHz angeschlossen,dies zur Abgabe von Chrom zu Ablagerungszwecken. Da eine ausreichendgrosse externe Chromquelle vorliegt, erfolgt keine Beeinträchtigung desChromgehaltes in den Körnernaus rostfreiem Stahl des Substrates 10 aus rostfreiem Stahl.Somit wird die Korrosionsbeständigkeitdes Substrates aus freiem Stahl 10 nicht beeinträchtigt.Obwohl die Erfindung bisher beschrieben wurde im Zusammenhang mitder Ablagerung eines Nanoverbundstoff-Belages aus rostfreiem Stahlund Chromkarbid auf ein Substrat aus rostfreiem Stahl, können anderemetallische Karbide, wie Wolframkarbid, Tantalkarbid oder Titankarbidund andere metallische Nitride, wie z.B. Chromnitrid, Wolframnitrid,Tantalnitrid oder Titannitrid, an Stelle des Chromkarbid verwendetwerden, wobei in diesen Fällendas doppelseitige Target 118 aus Wolfram (W), Tantal (Ta)oder Titan (Ti) bestehen kann. Die zuschaltbare Energiequelle 120 istebenfalls an ein doppelseitiges Target 122 aus reinem Titanangeschlossen, um eine Quelle fürTitan zur Ablagerung auf dem Substrat 10 als Zwischenschicht 12,wie oben beschrieben, zu bilden. Falls als solches anderes MetallZirkon, Hafnium oder Vanadium zur Ablagerung auf dem Substrat 10 alsZwischenschicht 12 verwendet werden soll, wie weiter oben beschrieben,wird das doppelseitige Target 122 entsprechend aus einemsolchen anderem Metall bestehen.
    [0031] Wieweiter oben erwähnt,kann das Verfahren auch verwendet werden, um einen Nanoverbundstoff-Belagaus rostfreiem Stahl und einem metallischen Nitrid auf einem Substrataus Metall oder einer Metalllegierung zu bilden. Die Härte einessolchen Nanoverbundstoff-Belages kann durch Erhöhung seiner Dicke verbessertwerden. Bei der Bildung eines solchen Nanoverbundstoff-Belages istdie Stickstoff-Quelle ein stickstoffhaltiges Gas, z.B. Stickstoff (N2) oder Ammoniak (NH3).Die Verfahrensparameter zur Ablagerung eines Nanoverbundstoff-Belagesaus rostfreiem Stahl und Chromnitrid sind ähnlich wie, jedoch leicht verschieden,bei der Ablagerung eines Nanoverbundstoff-Belages aus rostfreiemStahl und Chromkarbid, wobei der Unterschied im Wesentlichen imPartialdruck des stickstoffhaltigen Gases besteht.
    [0032] Nachstehendeinige konkrete Ausführungsbeispiele.
    [0033] Uhrenarmbänder ausrostfreiem Stahl wurden zuerst entfettet und gründlich gereinigt und anschliessendauf die Träger 110 derIonensputter-Anlage 100 aufgesetzt. Nach dem Schliessender Tür 108 wurdedie Kammer 102 evakuiert bis auf einen Basisdruck von 2 × 10–6 torr(d.h. mmHg, entsprechend etwa 2,666 × 10–4 Pa).Währenddem Abpumpen wurde die Kammer 102 auf 300 bis 350°C aufgeheizt.Sobald der Basisdruck von 2 × 10–6 mmHg(d.h. etwa 2,666 × 10–4 Pa)erreicht wurde, wurde Argongas in die Kammer 102 eingeführt undder Druck in der Kammer 102 wurde auf 5 × 10–3 torr(d.h. etwas 0,667 Pa) erhöht.Eine negative Vorspannung von 600 bis 800 V wurde an die Uhrenarmbänder angelegt,was ein Bombardement von Argonatomen auf die Uhrenarmbänder einleitete,um dabei alle verbleibenden Verunreinigungen von der Oberfläche der Uhrenarmbänder zuentfernen.
    [0034] Diezuschaltbare Energiequelle 120 wurde dann an das doppelseitigeTarget 122 aus reinem Titan angeschlossen, wobei eine dünne Schicht(einer Dicke von 0,02 bis 0,20 Mikron) aus Titan vorerst auf dieUhrenarmbänderabgelagert wurde. Währendder Ablagerung der Zwischenschicht aus Titan wurde ausschliesslichArgongas verwendet und der Gesamtdruck betrug zwischen 4 × 10–3 torrund 6 × 10–3 torr(d.h. von etwas 0,533 Pa bis 0,800 Pa).
    [0035] ImAnschluss an die Ablagerung der Zwischenschicht aus reinem Titanauf die Uhrenarmbänder,wurde der Gesamtdruck in der Kammer 102 bei 4 × 10–3 torrbis 6 × 10–3 torr(d.h. von etwa 0,533 Pa bis 0,800 Pa) beibehalten, mit dem Partialdruckeines Kohlenwasserstoffgases, z.B. Methan (CH4)oder Acetylen (C2H2),welches in die Kammer 102 eingeführt wurde, bei 1,5 × 10–4 torr(d.h. etwa 0,020 Pa). Das Kohlenwasserstoffgas liefert die erforderlichen Kohlenstoffatomezur Bildung von Chromkarbidmolekülenmittels der Chromatome aus dem Chrom-Target 118. Die Energiedichtedes Targets 114 aus rostfreiem Stahl betrug 3 bis 7 W/cm2 und die Energiedichte des Targets 118 ausChrom betrug 6 bis 9 W/cm2. Die Träger 110 wurdenin Drehung versetzt mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 8 Umdrehungen proMinute. Bei jeder Umdrehung wurde eine Schicht aus rostfreiem Stahlund Chromkarbid von einer Dicke zwischen 5 bis 10 nm auf jedes derUhrenarmbänderabgelagert. Insbesondere wenn das Substrat 10 durch dieintensiven Plasmaregionen zwischen den sich gegenüberliegendenTargets, dem doppelseitigen Target 114 aus rostfreiem Stahlund dem doppelseitigen Target 118 aus Chrom, durchfahren, werdensehr dünneSchichten aus rostfreiem Stahl und Chromkarbid auf der Oberfläche desSubstrates 10 abgelagert. Thermodynamisch gesprochen, befindensich solche abgelagerte Molekülein einem unstabilen Gleichgewichtszustand. Ein Kernpunkt der vorliegenden Erfindungliegt darin, dass die Bildung eines Nanoverbundstoff-Belages erfolgt,wenn die Substrate 10, z.B. Uhrenarmbänder von den Sputter-Targets 114, 118,entfernt sind. Zu einem solchen Zeitpunkt, werden die rostfreienStahlmoleküleund Chromkarbidmolekülein die thermodynamisch besten Lagen gebracht, d.h. in Lagen, indenen sie die niedrigstmöglicheEntropie besitzen, und die Chromkarbidmoleküle werden entlang den Korngrenzen desrostfreien Stahls abgelagert. Ein kontinuierliches Ablagerungsverfahrenwird andererseits nicht zu einer Nanoverbundstoff-Struktur führen undder Belag wird lediglich aus einer zufälligen Mischung von rostfreiemStahl und Chromkarbidmolekülenbestehen, ohne dass dabei eine Verbesserung der Härte auftretenwürde.
    [0036] DieZeitdauer des Prozesses hängtvon den Anforderungen an die Dicke ab, welche ihrerseits von denAnforderungen an die gewünschteHärte abhängig ist.Für eineDrehgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute und einer Ablagerungsgrösse von 7,5nm pro Umdrehung, benötigteine Beschichtung von 3 Mikron (welche zu einer Härte vonetwa 600 HV führt)eine Prozessdauer von ca. 100 Minuten.
    [0037] Eskann festgestellt werden, dass das erfindungsgemässe Verfahren ein saubererProzess ist, d.h., nach der Ablagerung ist keine Nachbehandlung notwendig,z.B. ein Polieren.
    [0038] AnStelle von Targets aus reinem rostfreiem Stahl und Chrom, wie inBeispiel 1 erwähnt,wurden Targets aus einer Legierung aus rostfreiem Stahl und Chromverwendet. Die Legierungs-Targets enthielten 40 bis 60 Gew. % anrostfreiem Stahl, der Rest bestand aus Chrom. Das Verfahren istsehr ähnlichwie jenes gemässBeispiel 1, mit der Ausnahme, dass Partikel aus rostfreiem Stahlund Chrom durch reaktives Co-Sputtern in einem Kohlenstoffgasplasmagebildet werden, was zur Bildung von nebeneinander liegenden Molekülen ausrostfreiem Stahl und Chromkarbid führt. Auch in diesem Fall, wennGegenständeaus rostfreiem Stahl, im vorliegenden Beispiel Uhrengehäuse, sichausserhalb der Ablagerungsstellen befinden, werden die Moleküle aus rostfreiemStahl und Chromkarbid an den thermodynamisch besten Stellen freigelassen,was zur Bildung der Nanoverbundstoff-Struktur der Schicht aus rostfreiemStahl und Chromkarbid führt.
    [0039] Uhrengehäuse ausrostfreiem Stahl werden zuerst entfettet und sorgfältig gereinigt,und dann auf den Trägern 110 derIonen-Sputteranlage 100 platziert. Nach dem Schliessender Tür 108 wurdedie Kammer 102 auf einen Basisdruck von 2 × 10–6 torr (etwa2,666 × 10–4 Pa)evakuiert. Währenddem Auspumpen wurde die Kammer 102 auf 300 bis 350°C aufgeheizt.Bei Erreichen des Basisdruckes von 2 × 10–6 mmHg(d.h. etwa 2,666 × 10–4 Pa), wurde Argongas (Ar) in die Kammer 102 eingeführt undder Druck in der Kammer 102 auf 5 × 10–3 torr(d.h. etwa 0,667 Pa) erhöht.Eine negative Vorspannung von 600 bis 800 V wurde an die Uhrengehäuse gelegt, wasein Bombardement von Argonatomen auf die Uhrengehäuse auslöste, umdamit jegliche verbleibenden Verunreinigungen von der Oberfläche der Uhrengehäuse zu entfernen.Die zuschaltbare Energiequelle 120 wurde dann an das doppelseitigeTarget 122 aus reinem Titan angeschlossen, wobei eine dünne Schicht(Dicke von etwa 0.02 bis 0.20 Mikron) aus Titan zuerst auf die Uhrengehäuse abgelagert wurde.Währendder Ablagerung der Zwischenschicht aus Titan, wurde ausschliesslichArgongas verwendet und der Gesamtdruck betrug 4 × 10–3 torr bis6 × 10–3 torr(d.h. etwa 0,533 Pa bis 0,800 Pa).
    [0040] Anschliessendan die Ablagerung der Zwischenschicht aus reinem Titan auf die Uhrengehäuse wurdeder Gesamtdruck in der Kammer 102 bei 4 × 10–3 torrbis 6 × 10–3 torrbeibehalten (d.h. von etwa 0,533 Pa bis 0,800 Pa), mit einem Partialdruckeines stickstoffhaltigen Gases, z.B. Stickstoff (N2)oder Ammoniak (NH3), welches in die Kammer 102 eingeführt wurde,bei einem Druck von 3,0 × 10–4 torr(d.h. etwa 0,040 Pa). Ein solches Gas liefert die erforderlichen Stickstoffatomezur Bildung von Chromnitridmolekülenmit den Chromatomen aus dem Chrom-Target 118. Die Energiedichtedes Targets 114 aus rostfreiem Stahl betrug 3 bis 7 W/cm2 und die Energiedichte des Chrom-Targets 118 betrug6 bis 9 W/cm2. Die Drehgeschwindigkeit derTräger 110 betrug3 bis 8 Umdrehungen pro Minute. Bei jeder Umdrehung wurde eine Schichtaus rostfreiem Stahl und Chromnitrid einer Dicke von 5 bis 10 nmauf jedem der Uhrengehäuseabgelagert. Insbesondere wenn das Substrat 10 durch dieintensiven Plasmaregionen zwischen den sich gegenüberliegendenTargets, dem doppelseitigen Target 114 aus rostfreiem Stahl unddem doppelseitigen Target 118 aus Chrom, durchfährt, werdensehr dünneSchichten aus rostfreiem Stahl und Chromnitrid auf der Oberfläche desSubstrates 10 abgelagert. Thermodynamisch gesehen, befinden sichso abgelagerte Molekülein einem unstabilen Gleichgewichtszustand. Ein Schlüsselmerkmalder vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Bildung einer Nanoverbundstoff-Struktur/Belageserfolgt, wenn die Substrate 10, z.B. Uhrengehäuse, sichvon den Sputter-Targets 114, 118 entferntbefinden. Zu einem solchen Zeitpunkt lagerten sich die Moleküle aus rostfreiemStahl und Chromnitrid an den thermodynamisch geeigneten Stellenab, d.h. an jenen Stellen an denen sie die kleinstmögliche Entropiebesitzen, und die Chromnitridmoleküle setzten sich entlang derKorngrenzen des rostfreien Stahls ab. Ein kontinuierlicher Ablagerungsprozesswird andererseits nicht zu einer Nanoverbundstoff-Struktur führen undder Belag wird lediglich eine zufällige Mischung aus rostfreienStahlmolekülenund Chromnitridmolekülensein, ohne die Härtezu erhöhen.
    [0041] Obwohldie Erfindung bisher am Beispiel eines Substrates aus rostfreiemStahl beschrieben wurde, hat die Praxis gezeigt, dass ein solchesVerfahren auch mit verschiedenen festen Substraten aus Metall odereiner Metall-Legierung durchgeführt werdenkann, inbegriffen Kupfer, Kupfer-Legierungen,Aluminium, Aluminium-Legierungen, Magnesium, Magnesium-Legierungen,Titan und Titan-Legierungen. Das metallische Material, aus welchemdas Substrat besteht, ist fürdie Ablagerung und Bildung von Nanoverbundstoff-Belägen ausrostfreiem Stahl und metallischem Karbid/Nitrid irrelevant, da die Stoffkomponentenrostfreier Stahl, Chrom, Wolfram, Tantal, Titan und kohlenstoffhaltigesGas oder stickstoffhaltiges Gas nicht aus dem Material des Substratesextrahiert, sondern von aussen zugeführt werden. Obwohl weiche Substrate,wie Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen und Magnesium, welche miteinem solchen Nanoverbundstoff-Belag beschichtet sind, weicher sindals Titan-Legierungen und rostfreier Stahl mit einem solchen Nanoverbundstoff-Belag,könnenweiche Substrate, welche erfindungsgemäss mit einem Nanoverbundstoff-Belag versehenwurden, trotzdem eine relativ harte und verschleissfeste Beschichtungaufweisen, welche korrosionsfest ist und ein mit rostfreiem Stahlvergleichbares Aussehen aufweist.
    [0042] Selbstverständlich wurdenlediglich Ausführungsbeispielebeschrieben und es sind im Rahmen der Erfindung Abweichungen undVarianten denkbar. So kann z.B. das Verfahren statt mit reaktivemSputtern auch mit Aufdampfungstechniken, z.B. durch reaktive Mehrfachbogen-Ablagerung oder reaktiveIonen-Plattierung durch Aufdampfung, durchgeführt werden.
    权利要求:
    Claims (23)
    [1] Verfahren zum Aufbringen eines Nanoverbundstoff-Belages auf ein Substrataus Metall oder einer Metall-Legierung, dadurchgekennzeichnet, dass es folgende Schritte einschliesst: a)Bereitstellung von mindestens einem Substrat aus Metall oder einerMetall-Legierung; b) Ablagern von rostfreiem Stahl auf dasmindestens eine Substrat; c) Ablagern eines Karbids oder Nitridseines ersten Metalls auf das mindestens eine Substrat, und d)die Bildung eines Nanoverbundstoff-Belages aus dem rostfreien Stahlund dem Karbid oder Nitrid des genannten ersten Metalls auf demmindestens einen Substrat ablaufen lassen.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat im Wesentlichen aus rostfreiem Stahl besteht.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat im Wesentlichen dieselbe Härte aufweist, wie der auf demSubstrat abzulagernde rostfreie Stahl.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat im Wesentlichen aus Kupfer, Aluminium, Magnesium,Titan oder einer Legierung dieser Metalle besteht.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das genannte erste Metall Chrom, Wolfram, Tantal oder Titanist.
    [6] Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnetdurch die Bereitstellung einer Quelle für auf dem mindestens einenSubstrat abzulagernden rostfreien Stahl.
    [7] Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnetdurch die Bereitstellung einer Quelle für das genannte erste Metall.
    [8] Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnetdurch die Bereitstellung einer Quelle sowohl für auf dem mindestens einenSubstrat abzulagernden ersten Metalls, als auch des abzulagerndenrostfreien Stahls.
    [9] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die gemeinsame Quelle fürauf dem Substrat abzulagerndes erstes Metall und abzulagernden rostfreienStahl eine Legierung aus rostfreiem Stahl und dem genannten erstenMetall ist.
    [10] Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durchreaktives Co-Sputtern von rostfreiem Stahl und Atomen des genanntenersten Metalls.
    [11] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen dem Substrat und dem Nanoverbundstoff-Belag eine Schichteines zweiten Metalls gebildet wird.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass das zweite Metall Titan, Zirkon, Hafnium oder Vanadium ist.
    [13] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Schicht aus dem genannten zweiten Metall eine Dicke vonim wesentlichen 0,01 bis 0,20 Mikron aufweist.
    [14] Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,dass eine Kohlenstoff-Quelle vorgesehen wird.
    [15] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Kohlenstoff-Quelle ein Kohlenwasserstoffgas ist.
    [16] Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass das Kohlenwasserstoffgas Methan oder Azetylen ist.
    [17] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass ferner eine Stickstoff-Quelle vorgesehen wird.
    [18] Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass die Stickstoff-Quelle Stickstoffgas oder Ammoniak ist.
    [19] Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,dass währendder Ablagerung von rostfreiem Stahl und des Karbids oder Nitridsdes genannten ersten Metalls, das mindestens eine Substrat einernegativen Vorspannung ausgesetzt wird.
    [20] Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,dass die Vorspannung zwischen –20 Voltund –200Volt beträgt.
    [21] Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durchfolgende zusätzlicheSchritte: e) Das genannte mindestens eine Substrat wird zur Ablagerungvon rostfreiem Stahl an einem ersten Ort platziert; f) dasgenannte mindestens eine Substrat wird zur Ablagerung des Karbidsoder Nitrids des genannten ersten Metalls an einem zweiten Ort platziert,und g) das mindestens eine Substrat wird vom genannten erstenund zweiten Ort wegbewegt, damit sich ein Nanoverbundstoff-Belagaus dem rostfreiem Stahl und dem Karbid oder Nitrid des genanntenersten Metalls auf dem wenigstens einen Substrat bilden kann.
    [22] Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,dass das mindestens eine Substrat an einem dritten Ort platziertwird, damit sich auf dem Substrat ein zweites Metall ablagern kann,bevor das mindestens eine Substrat an dem genannten ersten und zweitenOrt platziert wird.
    [23] Gegenstand aus Metall oder einer Metall-Legierung,welcher mit einem Nanoverbundstoff-Belag, gemäss dem Verfahren nach einemder Ansprüche1 bis 22, beschichtet ist.
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    CN1300376C|2007-02-14|
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    GB2402403A|2004-12-08|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-01| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2009-08-27| 8131| Rejection|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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