DE3601438C1

DE3601438C1 - Schichtverbundwerkstoff mit Diffusionssperrschicht,insbesondere fuer Gleit- und Reibelemente,sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE3601438C1
Application number: DE3601438A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl-Chem Dr Hodes; Klaus Goerke
Original assignee: GLYCO METALL WERKE
Current assignee: Glyco AG
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1987-04-09
Also published as: AT391106B; GB2185495A; JPS6378740A; US4830933A; FR2593114B1; IT1201170B; GB2185495B; ATA8787A; BR8700176A; CH672095A5; IT8719114A0; FR2593114A1; GB8630976D0

Description

Die Erfindung betrifft Schichtverbundwerkstoffe, insbe sondere für Gleit- und Reibelemente, bei welchen auf einem Substrat, beispielsweise einer Stahlschicht, eine Kupfer und/oder Zinn enthaltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine ca. 0,5 bis 5 µm dicke durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Diffusionssperrschicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleitschicht angebracht ist.

Bei bekannten gattungsgemäßen Schichtver bundwerkstoffen, beispielsweise solchen gemäß DE-OS 28 53 724, sind eine Zwischenschicht, die aus Notlauf eigenschaften aufweisendem Werkstoff besteht, beispiels weise eine Zwischenschicht aus Bleibronze, und eine darüber liegende Funktionsschicht, beispielsweise Gleit- oder Reibschicht vorgesehen, wobei zwischen der Zwischenschicht und der Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht bevorzugt eine dünne, oxidfreie Diffusionssperrschicht angeordnet ist, um Zinn zu hindern, bei höheren Tempe raturen aus der Gleit- bzw. Reibschicht in die Zwischen schicht zu diffundieren. Hierdurch soll der Bildung von intermetallischen Sprödphasen aus Zinn und Kupfer in den der Gleit- bzw. Reibschicht benachbarten Bereichen der Zwischenschicht entgegengewirkt werden. Solche Sprödphasen würden bei dynamischer Beanspruchung eines Gleit- oder Reibelementes Anlaß zur Ablösung der Gleit- bzw. Reib schicht geben. Zur Bildung der Diffusionssperrschicht wird daher in DE-OS 28 53 724 vorgeschlagen, zwischen der Zwischenschicht und der Gleit- bzw. Reibschicht eine gesputterte Diffusionssperrschicht aus NiCr2O bzw. reinem Chrom vorzusehen. Wie die Erfahrungen der Praxis zeigen, ist jedoch die Nickel-Chrom-Diffusionssperrschicht und auch eine reine Chrom-Diffusionssperrschicht bei zinn haltigen Gleit- bzw. Reibschichten, z. B. aus AlSn-Le gierungen, nicht voll wirksam. Untersuchungen mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops und der Mikrosonde zeigen, daß Zinn offenbar über Gitterleerstellen durch eine solche durch Kathodenzerstäubung hergestellte Diffusions sperrschicht aus NiCr2O bzw. reinem Chrom diffundiert und sich mit dem Kupfer der Bleibronze-Zwischenschicht zu einer intermetallischen Sprödphase, u. a. Cu₆Sn₅ vereinigt, die unter Bedingungen eines praxisnahen Betriebes zur Ablösung der Gleitschicht und damit zu einem Ausfall der Lagerstelle führt.

Auch die in der Praxis üblichen galvanisch aufgebrachten Diffusionssperrschichten aller in diesem Zusammenhang bekannten Werkstoffzusammensetzungen haben sich bei erhöhter Betriebstemperatur als unwirksam erwiesen, da sie offenbar eine vergleichsweise große Anzahl von Gitterleerstellen aufweisen und deshalb bei erhöhter Temperatur Zinn in beachtlicher Menge aus Funktionsschicht bzw. Gleit- oder Reibschicht in die Zwischenschicht diffundieren lassen.

Analog zu dem oben genannten Beispiel soll naturgemäß eine Diffusionssperrschicht auch die Diffusion von Zinn aus einer zinnhaltigen Zwischenschicht in eine kupferhaltige Funktionsschicht unterbinden. Die Unterbindung der Zinn diffusion in der einen oder anderen Richtung ist in sofern von zunehmender Bedeutung, als im Zuge der Lei stungssteigerung von Maschinen, insbesondere Verbrennungs kraftmaschinen die Maschinenbauelemente für höhere Be triebstemperatur auszulegen sind, wobei an den bisher bekannten Diffusionssperrschichten mit wesentlich er höhter Zinndurchlässigkeit gerechnet werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Schichtverbundwerk stoffe der eingangs angegebenen Art dahingehend wesent lich zu verbessern, daß die Diffusion von Zinn durch die Diffusionssperrschicht praktisch unterbunden oder zumin dest wesentlich herabgesetzt wird, und dies insbesondere auch bei erhöhter Temperatur.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Diffusionssperrschicht aus einem Werkstoff besteht, der ein hexagonales Kristallgitter ausbildet und daß die Diffusionssperrschicht durch die Kathodenzerstäubung unter Ausbildung einer Struktur dieses Werk stoffes zumindest in dichter Kugelpackung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70% im Vakuum gebildet ist, wobei die Diffusionssperrschicht mit praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des hexagonalen Kristallgitters ausgebildet ist.

Durch das erfindungsgemäße Auftragen einer Diffusions sperrschicht aus im wesentlichen hexagonales Kristall gitter ausbildendem metallischem Werkstoff mit Hilfe des Verfahrens der Kathodenzerstäubung werden - wie Ver suche überraschend ergeben haben - Ablösungen der Funktions schicht von der Zwischenschicht zuverlässig vermieden, auch bei erhöhter Betriebstemperatur, beispielsweise von 200°C und darüber. In diesem Fall wird eine optimale Raumer füllung durch die Metallionen bei etwa 74% erreicht und der Durchtritt von Zinn durch die Diffusionssperrschicht auch bei erhöhter Temperatur praktisch unmöglich gemacht.

Für die Bildung der Diffusionssperrschicht kommen beson ders die Stoffe aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium oder aus einer mindestens einen dieser Stoffe enthaltenden Legierung in Betracht. Besonders vorteilhaft ist die Bildung der Diffusions sperrschicht aus reinem Titan, das einerseits sich als für die Ausbildung einer hochwirksamen Diffusionssperr schicht geeignet erwiesen hat und andererseits vorteilhafte Eigenschaften für die Vorbehandlung und Bildung eines für die Kathodenzerstäubung zu benutzenden Targets vor teilhafte Eigenschaften hat.

Die Funktionsschicht kann hierbei unmittelbar, und zwar durch anschließende Kathodenzerstäubung im Vakuum auf der Diffusionssperrschicht aufgebracht werden. Es bestehen dadurch in der Grenzfläche bzw. im Grenzbereich zwischen der Diffusionssperrschicht und der Funktionsschicht keinerlei Hohlräume oder Fremdstoffeinlagerungen, die die besonders dichte Kristallgitterstruktur der Diffusionssperrschicht stören könnten.

Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff läßt sich beson ders vorteilhaft und günstig in dem erfindungsgemäßen Ver fahren herstellen, das sich dadurch kennzeichnet, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Substrat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischen schicht durch umgekehrte Kathodenzerstäubung im Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusions sperrschicht durch Kathodenzerstäubung unter Aufrechter haltung von entsprechend der zu erzielenden Struktur der Diffusionssperrschicht aufeinander abgestimmten Bedin gungen der Temperatur des Substrates und des Plasmadruckes im Rezipienten unterworfen wird. Dabei hat sich heraus gestellt, daß bei möglichst hoher Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche und möglichst niedrigem Plasma druck im Rezipienten die im Kathodenzerstäubungsverfahren an die zu beschichtende Oberfläche herangebrachten Werk stoffteilchen im wesentlichen atomare Größe aufweisen und mit hoher kinetischer Energie an die zu beschichtende Oberfläche herangeführt werden. Nach dem Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche behalten die herange führten Teilchen bzw. Atome im Mittel noch eine beacht liche Beweglichkeit, so daß sie sich zumindest zum Teil wieder mehr oder weniger von der Auftreffstelle der Ober fläche lösen und sich in Art eines Rekristallisations vorganges in das für den Werkstoff charakteristische Gefüge, nämlich das hexagonale Kristallgitter mit dichter Kugelpackung einbauen. Bei Aufrechterhaltung hoher Tempe ratur, beispielsweise oberhalb 600°C und hoher relativer Beweglichkeit der Teilchen bzw. Atome läßt sich gleich zeitig mit dem Aufbau der Diffusionssperrschicht ein ständiger Rekristallisationsvorgang in den bereits aufge bauten Teilen der Schicht aufrecht erhalten, so daß eine der dichtesten Kugelpackung mit 74% Raumerfüllung durch die Metallionen nahekommende Struktur erreicht wird.

Naturgemäß ist der Temperatur an der zu beschichtenden Oberfläche durch die Zusammensetzung der Zwischenschicht eine obere Grenze gesetzt, d. h. dadurch, daß Bestand teile der Zwischenschicht, beispielsweise Blei, oberhalb einer Temperaturschwelle ausdampfen. Man kann im erfin dungsgemäßen Verfahren dieser Grenze dadurch begegnen, daß man die Temperatur des Substrates an der zu beschich tenden Oberfläche während des Bildens der Diffusions sperrschicht erhöht, wenn die Diffusionssperrschicht die Dicke einer oder mehrerer Atomlagen erreicht hat und dadurch dem Abdampfen von Bestandteilen der Zwischen schicht entgegenwirken kann. Die Beweglichkeit der durch die Kathodenzerstäubung auf die zu beschichtende Ober fläche der Zwischenschicht gebrachten Teilchen wird ferner auch dadurch auf einem hohen Wert gehalten, daß mit möglichst geringem Plasmadruck im Rezipienten gear beitet wird, wodurch die Zahl der Zusammenstöße von kathodenzerstäubten Teilchen bzw. Atomen mit Plasmateil chen gering gehalten wird. Andererseits wird naturgemäß bei zu starker Herabsetzung des Plasmadruckes die anormale Glimmentladung, die ja das physikalische Vehikel der Kathodenzerstäubung darstellt, so schwach, daß der elek trische Stromfluß und damit die Durchsatzleistung der Kathodenzerstäubung übermäßig absinkt. Es hat sich aber herausgestellt, daß sich die physikalischen Arbeitsbe dingungen für die Kathodenzerstäubung vor Erreichen dieser Grenze so einrichten und gegenseitig abstimmen lassen, daß der Aufbau der Diffusionssperrschicht noch immer in Art eines Rekristallisationsvorganges abläuft.

Eine weitere Verbesserung bezüglich der Dichte der zu bildenden Diffusionssperrschicht läßt sich erreichen, wenn man während der Bildung der Diffusionssperrschicht eine negative elektrische Spannung an das Substrat anlegt, die um eine Größenordnung geringer als die an das Target angelegte negative elektrische Spannung ist. Dabei wäre allerdings zunächst damit zu rechnen, daß Gasteilchen und sonstige Fremdstoffteilchen in das Gefüge der Diffu sionssperrschicht eingebaut werden und dort unerwünschte Leerstellen bilden könnten. Tatsächlich läßt sich dies aber durch Zusammenwirken mit der an der beschichteten Oberfläche aufrecht erhaltenen hohen Temperatur und dem relativ niedrigen Plasmadruck im Rezipienten wirk sam unterbinden.

Das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung der Diffusionssperrschicht gewünschte Temperatur kann während der zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht benutzten umgekehrten Kathodenzerstäu bung vorgenommen werden. Insbesondere kann diese umgekehrte Kathodenzerstäubung selbst zum Erzeugen der gewünschten Temperatur an dem Substrat benutzt werden, und zwar allein oder auch mit Unterstützung durch andere Energiezufuhr, beispielsweise Infrarotstrahlung oder Induktionsheizung, wobei letztere weniger in Betracht zu ziehen ist, wenn die Kathodenzerstäubung im Magnetfeld erfolgen soll. Man kann auch im Verlauf der Kathodenzerstäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachheizen, beispielsweise durch Infrarotstrahlung auf der zu beschichtenden Seite. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Kathodenzer stäubung und Erzielung hoher Auftreffgeschwindigkeit der Teilchen bzw. Atome auf die zu beschichtende Oberfläche empfiehlt es sich im Rahmen der Erfindung, die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld vorzunehmen.

Das Aufbringen der Funktionsschicht auf die Diffusions sperrschicht kann ebenfalls durch Kathodenzerstäubung, und zwar unmittelbar anschließend an das Aufbringen der Diffusionssperrschicht vorgenommen werden. Dabei ist außer dem Übergang auf Kathodenzerstäubung von anderem Material, nämlich dem für die Funktionsschicht vorge sehenen Werkstoff, auch Übergang auf andere Betriebsbe dingungen möglich, und zwar hinsichtlich des an das Target und evtl. an das Substrat anzulegenden Potentials, hinsichtlich des aufrecht zu erhaltenden Plasmadruckes und hinsichtlich der Zusammensetzung des Plasmas. Um gleichzeitig in einem Rezipienten sowohl an einem Werk stück oder Werkstücksteil die Diffusionssperrschicht als auch an einem anderen Werkstück oder anderem Werkstücks teil die Funktionsschicht aufbringen zu können, wird man dann zweckmäßig innerhalb des Rezipienten Abtrennungen und Schleusen vorsehen, durch die die Werkstücke bzw. ein Werkstoffband von einem abgetrennten Bereich des Rezipienten zu einem anderen abgetrennten Bereich des Rezipienten überführt werden können.

Falls die Bildung der Funktionsschicht unter anderen Bedingungen als die Bildung der Diffusions sperrschicht zu erfolgen hat und die Gefahr nachteiliger Ein wirkung auf die frisch erzeugte freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht bestehen könnte, bietet sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Möglichkeit, zunächst eine dünne, die Diffusionssperrschicht abdeckende Schutzschicht unter Benutzung von Plasma mit im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie für die Bildung der Diffusions sperrschicht auf die freie Oberfläche der Diffusions sperrschicht durch Kathodenzerstäubung oder Ionenplattieren aufzubringen, wobei diese Schutzschicht bereits aus für die Funktionsschicht vorgesehenem Werkstoff gebildet wer den kann.

Für die Bildung einer leerstellenfreien Struktur der Diffusionssperrschicht kann das für die Bildung der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung zu benutzende Target bzw. der in ihm enthaltene Werkstoff einer in hohem Maße entgasenden Vorbehandlung unterworfen werden, so daß sich die für die Bildung der Diffusions sperrschicht benutzten Targetmaterialien durch besondere Gasarmut auszeichnen. Diese besonders stark entgasende Vorbehandlung des in dem für die Bildung der Diffusions sperrschicht zu benutzenden Target enthaltenden Werkstoff bzw. Werkstoffe kann in einem Hochvakuum-Schmelzen und/oder einem Hochvakuum-Glühen und/oder einer Hochvakuum-De stillation bestehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine aus erfindungsgemäßem Schichtverbund werkstoff gebildete Gleitlagerschale in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 einen Teilschnitt A-B gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung; und

Fig. 3 den Ausschnitt C aus Fig. 2 in nochmals wesentlich vergrößerter Darstellung mit eingefügter schematischer Darstellung des Kristallgitters.

Im dargestellten Beispiel ist auf einer Trägerschicht 1 aus Stahl bzw. auf einer Stahlstützschale eine Zwischenschicht 2 aus kupferhaltigem Lagerwerkstoff, beispielsweise Blei bronze in einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm bis 0,7 mm auf gebracht. Der kupferhaltige Lagerwerkstoff der Zwischen schicht 2 weist eine Zusammensetzung innerhalb der üblichen Grenzen auf, wie sie für kupferhaltige Lagerwerkstoffe in Zwischenschichten von Merhschichtgleitlagern üblich sind. Auf die von der Trägerschicht 1 abgewandte Oberfläche der Zwischenschicht 2 ist eine Diffusionssperrschicht 3 auf gebracht, die im dargestellten Beispiel eine Dicke von etwa 3 µm haben kann. Diese Diffusionssperrschicht 3 besteht im dargestellten Beispiel aus einer Nickelzinnlegierung mit 20% Masseanteilen Zinngehalt. Die Diffusionssperrschicht 3 ist durch Kathodenzerstäubung auf die freie Oberfläche der Zwischenschicht 2 aufgebracht. Auf die freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht 3 ist die Gleitschicht 4 durch Kathodenzerstäubung im Vakuum aufgebracht. Die Gleitschicht 4 besteht aus zinnhaltiger Legierung bzw. Dispersionslegierung. Als Gleitlagerlegierung für die Gleitschicht 4 kommen bei spielsweise Legierungen auf Zinnbasis, z. B. SnSb12Cu6Pb2 oder Legierungen auf Bleibasis mit merklichen Zinngehalten, z. B. PbSn10Cu2 oder PbSn10 in Betracht. Die Gleitschicht 4 kann aber auch aus Dispersionslegierung gebildet sein, ins besondere solche auf AlSn-Basis, insbesondere AlSn6, AlSn10, AlSn20 oder AlSn40.

In jedem Fall ist das in der Gleitschicht 4 enthaltene Zinn normalerweise bestrebt, in die Zwischenschicht 2 zu diffun dieren und sich mit dem dort vorhandenen Kupfer zu inter metallischen Phasen, insbesondere intermetallischen Spröd phasen u. a. Cu₆Sn₅ zu vereinigen, und dies in zunehmendem Maß mit Erhöhung der Betriebstemperatur des Gleitlagers. Die bekannten Diffusionssperrschichten, insbesondere gal vanisch aufgebrachte Diffusionssperrschichten können die Diffusion des Zinns bei niedrigen Temperaturen merklich aufhalten. Bei höheren Betriebstemperaturen, beispielsweise im Bereich von 200°C und darüber diffundiert das Zinn aus der Gleitschicht praktisch ungehindert durch herkömmliche Diffusionssperrschichten in die kupferhaltige Zwischen schicht. Dies erklärt sich damit, daß im Kristallgefüge der bekannten Diffusionssperrschichten Leerstellen in solchem Ausmaß vorhanden sind, daß die aufgrund der er höhten Temperatur beweglicheren Zinnatome ohne weiteres die Diffusionssperrschicht durchsetzen können.

Dagegen ist bei der gesputterten, aus einem, ein hexagonales Kristallgitter ausbildenen Werkstoff bestehenden Diffusions sperrschicht 3 eine praktisch leerstellenfreie dichte Kugel packung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70% gebildet. Diese Kristallgitterstruktur kann durch bei der Kathodenzerstäubung gleichzeitig ausführbare Rekristalli sation bis an die für hexagonal-dichteste Kugelpackung optimale Raumerfüllung bei 74% herangebracht werden, wie dies in Fig. 3 durch die Kristallgitter-Struktur 5 schematisch wiedergegeben ist. Durch die Ausbildung des hexagonalen Kristallgitters in dichter Kugelpackung evtl. in rekristallisierter Struktur in dichtester Kugelpackung ist die im dargestellten Beispiel aus reinem Titan gebildete Diffusionssperrschicht 3 auch bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei 200°C und mehr für Zinnatome praktisch undurchlässig.

Anstelle des im vorliegenden Beispiel für die Bildung der Diffusionssperrschicht 3 benutzten reinen Titans können auch andere metallische Werkstoffe benutzt werden, die ein hexagonales Kristallgitter mit der Möglichkeit dichte oder dichtester Kugelpackung bieten. Hierzu kommen in Betracht, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium oder auch Legierungen aus einem oder mehreren dieser Metalle. Jedoch bietet Titan für die Verfahrensdurchführung besondere Vor teile, die im Rahmen des folgenden Ausführungsbeispiels angesprochen werden.

Ausführungsbeispiel

Ein in herkömmlicher Weise mit der Zwischenschicht 2 aus kupferhaltigem Lagerwerkstoff belegter Stahlträger 1 wird auf einem metallischen Support, der ggf. in Form eines Wagens ausgebildet und innerhalb eines in Kammern unter teilten, für die Kathodenzerstäubung benutzten Rezipienten verfahrbar ist, aufgebracht. Der Support ist mit einer mit Flüssigkeit durchspülbaren Kammer ausgestattet, die an einen Kreislauf für flüssiges Heizmedium bzw. Wärmeträgermedium, beispielsweise Öl angeschlossen ist. Nach Einbringen in den Rezipienten wird zunächst das aus der Trägerschicht 1 und der Zwischenschicht 2 gebildete Halbzeug, das mit der freien Oberfläche der Zwischenschicht 2 frei liegend in wärmeleitender Weise auf dem Support angebracht ist, mittels Einstellung der Temperatur des flüssigen Heiz medium aufgewärmt und dabei unter Evakuieren des Rezipienten entgast, bis im Rezipienten ein Druck von etwa 10 ^-5 mbar erreicht ist.

Anschließend an das Entgasen des Halbzeugs wird Plasmagas, vorzugsweise Argon, in den Rezipienten eingeführt bis zur Erreichung eines Druckes von 5 · 10^-3 bis 5 · 10^-2 mbar. Es erfolgt dann ein Reinigen und Aufrauhen der freien Ober fläche der Zwischenschicht 2 in Form eines Ätzens durch umgekehrte Kathodenzerstäubung. Hierzu wird der Support mit dem darauf angebrachten Halbzeug als Kathode ge schaltet und eine anormale Glimmentladung erzeugt, bei der eine Ätzspannung zwischen 400 V und 1000 V, vorzugs weise bei 500 V angelegt und ein Ätzstrom zwischen 5 A und 15 A bzw. eine Ätzstromdichte von 5 und 15 mA/cm² der zu ätzenden Oberfläche aufrechterhalten wird. Während dieser umgekehrten Kathodenzerstäubung wird an dem Halb zeug eine Substrattemperatur zwischen 120°C und 200°C, vorzugsweise bei 140°C durch die gemeinsame Wirkung des flüssigen Heizmedium und der umgekehrten Kathodenzer stäubung eingestellt und aufrechterhalten. Die Dauer dieser Ätzbehandlung durch umgekehrte Kathodenzerstäubung ist den Anforderungen jedes einzelnen Falles entsprechend zu wählen.

Anschließend an das Ätzen durch umgekehrte Kathodenzer stäubung erfolgt das Aufbringen der Diffusionssperrschicht 3 durch Kathodenzerstäubung. Hierzu wird der auch weiterhin mit seiner Heiz- und Kühlkammer an dem Heizmedium-Kreis lauf angeschlossene Support als Anode geschaltet oder an ein negatives Potential von etwa 30 bis 70 V angelegt. Es erfolgt dann der Aufbau der Diffusionssperrschicht 3 durch Kathodenzerstäubung eines aus dem gewünschten Material der Diffusionssperrschicht gebildeten Targets, beispielsweise einem Target aus reinem Titanblech. Solches Titanblech ist leicht verfügbar und läßt sich auch in einfacher Weise mechanisch bearbeiten. Ein Target aus Titanblech wird sich auch in einfacher Weise den erforderlichen Vorbehandlungen, nämlich Entgasung und Oberflächenreinigung durch Vorsputtern, also eine Kathodenzerstäubung auf eine dem Target gegenüber gestellte Blende unterziehen.

Während des Aufbaus der Diffsuionssperrschicht 3 wird eine Potentialdifferenz zwischen 300 und 700 V als Sputter spannung zwischen Target und dem Substrat, d. h. dem aus Trägerschicht 1 und Zwischenschicht 2 gebildeten Halbzeug angelegt. Der bei dem Aufbau der Diffusions sperrschicht 3 aufrechterhaltene Sputterstrom beträgt in diesem Beispiel 50 bis 150 A bzw. 10 bis 30 W/cm² der zu beschichtenden Oberfläche. Das Substrat, d. h. das zu beschichtende Halbzeug wird während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht 3 mittels des dem Support zugeführten flüssigen Wärmeträgermediums auf einer Temperatur zwischen 120°C und 200°C, vorzugsweise bei 140°C gehalten. Dies ist eine Temperatur der der kupferhaltige Werkstoff der Zwischenschicht 2 ohne Abdampfen oder Ausbluten von Legierungsbestandteilen standzuhalten vermag. Im vor liegenden Beispiel soll während des gesamten Sputterns der Diffusionsperrschicht 3 die Temperatur möglichst konstant, d. h. innerhalb Grenzen ± 5°C gehalten werden. Während des Aufbaus der Diffusionssperrschicht 3 durch Kathodenzerstäubung wird der Plasmadruck im Rezipienten im Bereich zwischen 1 · 10^-3 bis 5 · 10^-2 mbar gehalten. Unter diesen Temperatur- und Druckverhältnissen tritt innerhalb der sich aufbauenden Diffusionssperrschichten 3 ein Rekristallisationsvorgang ein, durch den sich die Kugelpackung des hexagonalen Metallgitters verdichten läßt, bis hin zu hexagonal dichtester Kugelpackung und einer Raumerfüllung bis zu 74%.

Anschließend an den Aufbau der Diffusionssperrschicht 3 erfolgt der Aufbau der Funktionsschicht bzw. Gleitschicht 4 unter praktisch gleichen Bedingungen hinsichtlich Sputter spannung, Sputterstrom, Substrattemperatur und Sputter druck wie sie bereits beim Aufbau der Diffusionssperr schicht 3 eingestellt werden, mit dem Unterschied, daß die Kathodenzerstäubung aus einem Target oder mehreren Targets mit Werkstoffzusammensetzung erfolgt, wie sie für die jeweilige Funktionsschicht bzw. Gleitschicht 4 gewünscht ist. Zusätzlich können bei dem Aufbau der Funktionsschicht 4 oxidische Anteile gebildet und in Form von Feinstteilchen zur Dispersionsverfestigung in die Funktionsschicht 4 bei spielsweise Gleitschicht sicher eingelagert werden, wie dies aus DE-OS 28 53 724 und DE-PS 29 14 618 bekannt ist. Der dazu benötigte Sauerstoff kann in das jeweilige Target eingelagert sein oder dem Plasma zugegeben werden. Jeden falls soll aber die Diffusionssperrschicht 3 von Oxidanteilen freigehalten sein.

Die im obigen Ausführungsbeispiel erläuterten Verfahrens schritte können in einem einfachen Rezipienten in zeit licher Aufeinanderfolge durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, einen in Kammern unterteilten, mit Schleusen zwischen den Kammern ausgestatteten Rezipienten vorzusehen, in welchem die einzelnen Verfahrensschritte durchzuführen sind, beispielsweise eine Kammer zum Entgasen des Halbzeugs, daran anschließend eine Kammer zum Reinigen und Aufrauhen der zu beschichtenden Oberfläche durch umgekehrte Kathoden zerstäubung, eine anschließende Kammer zum Erzeugen der Diffusionssperrschicht 3 und eine Kammer zum Erzeugen der Funktionsschicht bzw. Gleitschicht 4. Soll der Schichtver bundwerkstoff fortlaufend in Form eines Bandes hergestellt werden, so kann das Halbzeugband durch eine Einlaßschleuse in den Rezipienten fortlaufend eingeführt und das Schicht verbundwerkstoffband durch eine Auslaßschleuse fortlaufend aus dem Rezipienten abgezogen werden. Sinngemäß können auch Stücke von Halbzeug aus Stahlträger 1 und Zwischenschicht 2 aufeinanderfolgend durch eine Einlaßschleuse in den Rezipienten eingeführt und die entsprechenden Schichtver bundwerkstoffstücke aufeinanderfolgend durch eine Auslaß schleuse aus dem Rezipienten entnommen werden, während der Verfahrensablauf im Inneren des Rezipienten kontinuierlich aufrechterhalten wird.

Claims

1) Schichtverbundwerkstoff, insbesondere für Gleit- und Reibelemente, bei dem auf einem Substrat, beispielsweise einer Stahlschicht, eine Kupfer und/oder Zinn ent haltende Zwischenschicht und über dieser - getrennt durch eine ca. 0,5 bis 5 µm dicke durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Diffusionssperr schicht - eine Zinn und/oder Kupfer enthaltende Funktionsschicht, beispielsweise Reib- oder Gleit schicht angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus einem Werkstoff besteht, der ein hexagonales Kristallgitter ausbildet, und daß die Diffusionssperrschicht (3) durch die Kathodenzerstäubung unter Ausbildung einer Struktur dieses Werkstoffes zumindest in dichter Kugelpackung mit Raumerfüllung durch die Metallionen oberhalb 70% im Vakuum gebildet ist, wobei die Diffusionssperrschicht (3) mit praktisch leerstellenfreier, rekristallisierter Struktur des hexagonalen Kristallgitters ausgebildet ist.

2) Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus einem der Stoffe aus der Gruppe von Titan, Zirko nium, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium oder aus einer mindestens einen dieser Stoffe enthaltenden Legierung gebildet ist.

3) Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus reinem Titan gebildet ist.

4) Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zuvor mit der Zwischenschicht belegte Sub strat einem Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht durch umgekehrte Kathodenzer stäubung im Vakuum und unmittelbar anschließendem Aufbringen der Diffusionssperrschicht durch Kathoden zerstäubung unter Aufrechterhaltung von entsprechend der zu erzielenden Struktur der Diffusionssperrschicht aufeinander abgestimmten Bedingungen der Temperatur des Substrats und des Plasmadruckes im Rezipienten unterworfern wird.

5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bildung der Diffusionssperrschicht die Tem peratur des Substrates zumindest bei Beginn der Bildung der Diffusionssperrschicht auf einen entsprechend der Zusammensetzung der Zwischenschicht maximal zuverlässi gen Wert und der Plasmadruck im Rezipienten auf einen Wert eingestellt werden, der unter Anlegen eines ge wählten elektrischen Potentials an das Target dem bei der Kathodenzerstäubung aufrecht zu erhaltenden minimalen elektrischen Stromfluß in der anormalen Glimmentladung erforderlichen Plasmadruck entspricht.

6) Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß die Temperatur an der zu beschichtenden Ober fläche mit zunehmendem Aufbau der Diffusionssperrschicht erhöht wird.

7) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bildung der Diffusions sperrschicht eine negative elektrische Spannung an das Substrat angelegt wird, die um eine Größenordnung geringer als die an das Target angelegte negative elektrische Spannung ist.

8) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Substrates auf die bei der Bildung der Diffusionssperrschicht ge wünschte Temperatur während der und/oder durch die umgekehrte(n) Kathodenzerstäubung zum Reinigen bzw. Ätzen der freien Oberfläche der Zwischenschicht vorge nommen wird.

9) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Kathodenzer stäubung zur Bildung der Diffusionssperrschicht das Substrat und die entstehende Diffusionssperrschicht nachbeheizt werden, beispielsweise durch Infrarot Bestrahlung auf der zu beschichtenden Seite.

10) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Diffusionssperr schicht durch Kathodenzerstäubung im Magnetfeld vorge nommen wird.

11) Verfahren nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, daß vor Bildung der Funktionsschicht zunächst eine dünne, die Diffusionssperr schicht abdeckende Schutzschicht unter Benutzung von Plasma mit im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie für die Bildung der Diffusionssperrschicht auf die freie Oberfläche der Diffusionssperrschicht durch Kathodenzerstäubung oder Ionenplattieren aufge bracht wird, vorzugsweise aus dem für die Funktions schicht vorgesehenen Werkstoff.