DE69614682T2

DE69614682T2 - Ungeordnete beschichtung mit darin dispergierten kubischem bornitrid

Info

Publication number: DE69614682T2
Application number: DE69614682T
Authority: DE
Inventors: Lewis Beattie; Bruce Dewald
Original assignee: Bodycote Metallurgical Coatings Inc
Current assignee: Bodycote Metallurgical Coatings Inc
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1996-05-06
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2016-05-07
Also published as: MX9708711A; EP0826074A1; CA2220303A1; IN187895B; AU5728696A; JPH11505572A; US5928771A; DE69614682D1; WO1996035820A1; EP0826074B1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Hartsubstanzbeschichtungen und insbesondere auf Beschichtungen auf Oberflächen, wie z. B. Werkzeuge, Verschleißteile und Formen, die Reibung oder Verschleiß ausgesetzt sind.

Hintergrund der Erfindung

Hartsubstanzbeschichtungen sind aufgebracht worden auf Werkzeuge, Formen und Verschleißteile, um deren Oberflächeneigenschaften und Nutzlebensdauer zu verbessern. Einige solcher Beschichtungen sind geeignet für dekorative Zwecke. Eine Anzahl von Beschichtungen ist entwickelt worden, von denen eine im US-Patent Nr. 4,716,083 beschrieben ist.
US-Patent Nr. 4,716,083 beschreibt eine ungeordnete Beschichtung aus Bor und Kohlenstoff mit der Zusammensetzung BxC1-x, in der "B" Bor darstellt, "C" Kohlenstoff darstellt und "x" bzw. "1-x" die relativen Mengen basierend auf dem Atomgewicht von in der Beschichtung vorhandenem Bor und Kohlenstoff darstellen. Von der Bor- und Kohlenstoff-Beschichtung ist offenbart, daß sie amorph, polykristallin und ohne Fernordnung, mikrokristallin oder eine Mischung aus irgendeiner Kombination dieser Phasen ist. Die Beschichtung kann durch Sputtern bei relativ niedrigen Temperaturen aufgebracht werden und erzeugt eine haftende, harte Beschichtung, die schmierend ist und in dünnen Schichten aufgebracht werden kann.
Trotz der günstigen Eigenschaften der im US-Patent Nr. 4,716,083 beschriebenen Beschichtung, wenn sie auf Verschleißteile, Werkzeuge und Formenoberflächen aufgebracht ist, ist es wünschenswert, Beschichtungen mit noch weiter verbesserten Eigenschaften, wie z. B. Härte, Schmierfähigkeit und Haftvermögen, zu erzeugen. Jedoch fehlen härteren Beschichtungen manchmal die Vorteile der Beschichtung des US- Patentes Nr. 4,716,083. Beispielsweise sind härtere, diamantähnliche Beschichtungen hergestellt worden ("DLC"-Beschichtungen), jedoch weisen diese üblicherweise kein ausreichendes Haftvermögen für eine Gebrauchseignung auf einem Verschleißteil oder Werkzeug auf. DLC-Beschichtungen versagen häufig, wenn ein Werkzeug oder Verschleißteil in Gebrauch genommen wird.
Das Dokument DE-A-44 07 274 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung mit kubischem Bornitrid auf ein Substrat bzw. einen Träger durch plasmaunterstütztes Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aus einem Borcarbid-Target.

Inhalt der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung aus ungeordnetem Bor und Carbid, mit darin dispergiertem kubischem Bornitrid, um an einem Substrat. bzw. Träger anhaften zu können. Die Beschichtung kann auf einen Träger bei relativ niedrigen Temperaturen durch Sputtern aufgebracht werden. Die Sputterbedingungen können gesteuert werden, um eine Beschichtung auszubilden, die verbesserte Härte, verbesserten Verschleißwiderstand und verbesserte Schmierfähigkeit verglichen mit Beschichtungen aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff allein aufweist.
In einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf einen Gegenstand mit einem Träger und einer auf dem Träger durch Sputtern abgelagerten Beschichtung, gemäß Anspruch 1. Die Beschichtung weist einen ersten Bereich nahe dem Träger mit ungeordnetem Bor und Kohlenstoff sowie einen zweiten Bereich nahe dem ersten Bereich auf, der in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid enthält. Die Konzentration von kubischem Bornitrid in dem zweiten Bereich steigt in einer Richtung weg von dem ersten Bereich an.
In einer weiteren Ausführungsform, gemäß Anspruch 16, weist die Beschichtung einen dritten Bereich nahe dem zweiten Bereich auf, der in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid enthält in einer im wesentlichen gleichmäßigen Konzentration. Das kubische Bornitrid, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert ist, hat eine kristalline Struktur, in der die Kristallgröße von nanokristallin und ohne Fernordnung bis makrokristallin mit Fernordnung reicht.
Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf einen Träger, die kubisches Bornitrid enthält, gemäß Ansprüchen 17 und 26. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Ablagerns wenigstens einer Schicht aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff auf einen Träger und dann des Ablagerns wenigstens einer Schicht aus in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertem kubischem Bornitrid auf die erste Schicht. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist plasmaunterstütztes Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aus einem Borcabid- Target, obwohl andere Verfahren des Sputterns verfügbar sind und die Targets elementares Bor und elementaren Kohlenstoff aufweisen können. Eine Stickstoffquelle wird in die Sputter- Atmosphäre eingeführt, um kubisches Bornitrid aus einem Target, das Bor enthält, zu erzeugen.
Die zweite Schicht, die kubisches Bornitrid enthält, wird auf die erste Schicht aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff aufgebracht und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie entweder kein kubisches Bornitrid nahe der Schicht aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff oder dort eine niedrige Konzentration an kubischem Bornitrid aufweist. Die Konzentration an kubischem Bornitrid in der zweiten Schicht steigt allmählich in einer Richtung an, die von der ersten Schicht wegführt. Stickstoff wird allmählich in die inerte Atmosphäre eingeführt, üblicherweise bei konstantem Druck, nachdem die Beschichtung aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff hergestellt ist. Das Sputtern wird fortgesetzt, während der Stickstoff eingeführt und die inerte Atmosphäre zurückgezogen wird. Die inerte Atmosphäre kann vollständig durch Stickstoff ersetzt werden, obwohl etwas inerte Atmosphäre üblicherweise zurückbehalten wird, bis ungefähr 20 Prozent des Gesamtdrucks. Eine Schicht aus kubischem Bornitrid, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert ist, kann dann bis zu einer Dicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer abgelagert werden.
Die Erfindung bildet daher eine Beschichtung aus, die kubisches Bornitrid enthält, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert ist, wie z. B. amorphes Borcarbid, und die durch Sputtern abgelagert werden kann, um anzuhaften bzw. Haftfähigkeit aufzuweisen und verbesserte Eigenschaften gegenüber früheren Beschichtungen zu zeigen. Die Erfindung stellt auch ein plasmaunterstütztes Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung durch Sputtern zur Verfügung, bei dem Stickstoff in das Plasma eingeführt wird. Die Parameter für die Sputter-Ablagerung können gesteuert werden, um eine Beschichtung zu erzeugen, die einen Koeffizient für trockene statische Reibung von wenigstens 0,08 aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Einige der Merkmale und Vorteile der Erfindung sind angegeben worden. Andere Vorteile werden im Verlaufe der Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen:
Fig. 1 in einer Querschnittsansicht eine Beschichtung, die erfindungsgemäß auf einen Träger aufgebracht ist, und
Fig. 2 allgemein die Verfahrensschritte, durch die die Beschichtung der Erfindung auf dem Träger abgelagert wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Erfindung wird nun vollständiger mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Erfindung einen Gegenstand mit einem Träger und einer auf diesen aufgebrachten Beschichtung mit einem Anfangszwischen- bzw. Anfangsgrenzbereich, einem Übergangsbereich und einem Außenbereich, die alle Bor und Kohlenstoff in ungeordnetem Zustand enthalten. Der Übergangs- und der Außenbereich weisen in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid auf.
Der Grenzbereich ist aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff gebildet und wird auf den Träger bzw. das Substrat durch Sputtern in einer inerten Atmosphäre aufgebracht. Der Übergangsbereich ist ein relativ dünner Bereich aus kubischen Bornitrid-Kristallen in einer Bor- und Kohlenstoff-Matrix, die auf den Grenzbereich durch Sputtern in einem stickstoffgestützten Plasma aufgebracht wird bzw. werden. Die Konzentration an Bornitrid steigt in einer Richtung weg von dem Grenzbereich an, so wie der Prozentgehalt an Stickstoff in dem Plasma ansteigt. Der Außenbereich wird auf den Übergangsbereich durch Sputtern in einem stickstoffgestützten Plasma aufgebracht und weist kubisches Bornitrid auf, das in einer gleichmäßigen Konzentration in einer Bor- und Kohlenstoff- Matrix dispergiert ist. Die Konzentration an kubischem Bornitrid ist dieselbe wie die in dem ganz außen gelegenen Abschnitt des Übergangsbereiches, um die Wärmeausdehnung und andere physikalische Eigenschaften anzupassen und das Haftvermögen und den Verschleißwiderstand zu fördern.
Ein Gegenstand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist allgemein im Querschnitt in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 3 dargestellt. Der Gegenstand weist einen Träger bzw. ein Substrat 4 auf, auf den bzw. auf das eine Beschichtung 5 der Erfindung aufgebracht ist, mit einem Grenzbereich 6, einem Übergangsbereich 8 mit kubischen Bornitrid- Kristallen 9 und einem Außenbereich 10 mit kubischen Bornitrid-Kristallen 9.
Der Ausdruck "Substrat" bzw. "Träger" wird so verwendet, daß er denjenigen Abschnitt eines Werkzeuges oder anderen Objektes meint, der außerhalb einer Beschichtung oder Beschichtungen gemäß der Erfindung liegt. Die Erfindung ist zum Beschichten genau dimensionierter Träger geeignet. Die Erfindung ist besonders nützlich zum Beschichten von Trägern, zu denen Präzisionswerkzeuge aus verschiedenen Materialien und Verschleißteile und Formen gehören, die aus Stahl, Aluminium, Chrom, Nickel, Wolframcarbid, Sintercarbid, Graphit, Glas, synthetischen Polymeren und anderen Substanzen hergestellt sind, die durch erhöhte Temperaturen nachteilig beeinflußt werden können. Die beim Sputtern verwendeten Verfahrenstemperaturen verschlechtern normalerweise nicht die Eigenschaften dieser Substanzen. Die Beschichtungen der Erfindung können durch Sputtern bei relativ niedrigen Temperaturen gebildet werden, um signifikante Änderungen in den Eigenschaften des Trägermaterials zu vermeiden, wie z. B. bei den Abmessungen und der Härte. Sputtern kann bei relativ niedrigen Trägertemperaturen stattfinden, im allgemeinen bei ungefähr 200ºC oder weniger, üblicherweise bei ungefähr 100ºC bis 150ºC oder sogar noch weniger. Sputtern bei niedrigen Trägertemperaturen fördert auch die Bildung der Beschichtung in einem ungeordneten Zustand.
Es ist wichtig, eine atomar reine Oberfläche auf dem Abschnitt des Werkzeugs oder anderen Trägers zu erzeugen, der beschichtet werden soll, bevor der Träger der Beschichtung unterzogen wird. Das Ausbilden einer atomar reinen Oberfläche erleichtert bzw. ermöglicht die Bildung einer gleichmäßigen Beschichtung, die an der Trägeroberfläche anhaftet. Fremdmaterial auf der Trägeroberfläche, einschließlich des Ausgasens aus der Trägeroberfläche, kann vorzeitiges Versagen der Beschichtung oder einen Mangel an Haftvermögen verursachen.
Dem Fachmann sind verschiedene Verfahren bekannt, um eine atomar reine Oberfläche zum Sputtern zu erzeugen, und jedes solches Verfahren kann verwendet werden, vorausgesetzt die Oberfläche wird angemessen gereinigt. Entsprechend einem Verfahren zum Erzeugen einer atomar reinen Trägeroberfläche, wie es im US-Patent Nr. 4,716,083 gezeigt ist, wird der Träger mit einem Chlorkohlenwasserstoff-Entfettungsmittel entfettet. Danach wird der Träger in Methanol gespült und entweder einem Plasmaätzen oder einem trockenen chemischen Ätzen unterzogen. Ein fluoriertes Trägergas wird zum Plasmaätzen bevorzugt. Das Trägergas zersetzt und bildet Fluor, das die Trägeroberfläche reinigt. Der letzte Schritt zum Erzeugen einer atomar reinen Oberfläche für die Beschichtung ist Ätzen durch Sputtern in einem Argonplasma oder einem anderen geeigneten inerten Plasma.
Alternativ kann der Träger anfangs gereinigt werden durch kommerziell verfügbare wäßrige Reiniger anstatt organischer Reinigungsmittel. Wäßrige Reiniger werden üblicherweise in Verbindung mit einer Vielfalt von Oxidationsinhibitoren verwendet, um die Oxidation freiliegender Metallträgeroberflächen vor der Ablagerung der Beschichtung zu verhindern. Wie bei organischen Reinigern ist ein Ätz-Schritt in einem Argonplasma oder einem anderen geeigneten inerten Plasma der letzte Schritt zur Erzielung einer atomar reinen Oberfläche.
Die Beschichtung weist einen Grenz- oder ersten Bereich 6 aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff auf. Der Bereich 6 ist wenigstens eine Schicht und dient als ein Grenz- bzw. Zwischenbereich zwischen dem Träger und den Bereichen der Beschichtung, die kubisches Bornitrid enthalten. Kubisches Bornitrid hat üblicherweise nicht ein ausreichendes Haftvermögen für eine Ablagerung direkt auf einen Träger, der in Verschleiß- oder Formablöseanwendungen verwendet wird. Die inneren Spannungen im kubischen Bornitrid differieren üblicherweise von dem Träger in dem Maße bzw. mit der Folge, daß direkt auf einem Träger abgelagertes kubisches Bornitrid versagt, wenn der Träger in Gebrauch genommen wird. Jedoch verhindert die praktische Anwendung der hier beschriebenen Erfindung im wesentlichen große Differenzen in den physikalischen Eigenschaften der benachbarten Schichten der Beschichtung und zwischen dem Träger und direkt auf dem Träger abgelagerten Schichten.
Es sollte verständlich sein, daß die Beschichtung mit ungeordnetem Bor und Kohlenstoff der Bereiche 6, 8 und 10 elementares Bor und elementaren Kohlenstoff, nichtstöchiometrisches Borcabid und/oder stöchiometrisches Borcarbid oder eine Mischung von irgendwelchen oder allen von diesen enthalten kann. Üblicherweise sind all diese Arten in einer Matrixbeschichtung vorhanden, die aus einem stöchiometrischen Borcarbid-Target hergestellt ist.
Die Bor- und Kohlenstoff-Zusammensetzung der ungeordneten Beschichtung des Bereiches 6 kann durch die Formel BzC1-x, dargestellt werden, in der "B" Bor darstellt, "C" Kohlenstoff darstellt und "x" bzw. "1-x" die relativen Mengen Bor und Kohlenstoff darstellen, die in Atomgewicht in der Beschichtung vorhanden sind, als Borcarbid und als elementares Bor und elementarer Kohlenstoff. Das Atomgewicht von Bor ist 10,811 und das Atomgewicht von Kohlenstoff ist 12,01115.
Die Menge an in der Beschichtung vorhandenem Bor, wie durch "x" definiert, kann von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,9 reichen. Eine ungeordnete Beschichtung aus Bor und Kohlenstoff auf beiden Seiten dieses Bereiches gehört ebenfalls in den Rahmen dieser Erfindung. Üblicherweise wird "x" von ungefähr 0,6 bis 0,9 reichen. Für eine Beschichtung mit stöchiometrischem Borcarbid, die durch die chemische Formel B&sub4;C dargestellt ist, ist "x" ungefähr 0,78. Für die Borcarbidverbindung B&sub1;&sub3;C&sub2; ist x ungefähr 0,85, und diese Verbindung soll umfaßt sein.
Der Bereich 6 sollte üblicherweise ungeordnet sein, was bedeuten soll, daß die Beschichtung des Bereiches 6 in einer Form abgelagert ist, die als amorph, polykristallin und ohne Fernordnung, nanokristallin oder mikrokristallin oder eine Mischung aus irgendeiner Kombination dieser Phasen charakterisiert sein kann. Nanokristallin beschreibt Kristalle der Größe von mehreren 1/100 Mikrometer (mehrere 100 Angström), und mikrokristallin beschreibt Kristalle in der Größe von Submikrometer-Größe bis Mikrometer.
Ungeordnetem Material fehlen ausgedehnte Gitterebenen, durch die hindurch Brüche fortschreiten können, und ungeordnetes Material kann im allgemeinen relativ hohen Deformationskräften ohne Bruch widerstehen. Solche Materialien sind üblicherweise weniger anfällig gegen nachteilige chemische Angriffe, wie z. B. Korrosion und Oxidation, als einphasige kristalline Materialien. Die Stöchiometrie der Beschichtung kann variiert werden, um beschriebene Eigenschaften zu erzielen, während die Bildung von ausgedehnten Gitterebenen vermieden wird, die das Haftvermögen, den Verschleißwiderstand oder andere Eigenschaften der Beschichtung ungünstig beeinflussen könnten.
Die Beschichtung des Bereiches 6 wird üblicherweise durch Sputtern aufgebracht. Gleichstrom-Magnetron-Sputtern mit einer Vorspannung hat sich als eine nützliche Technik erwiesen. Ionen-Sputtern, unbalanciertes Magnetron-Sputtern und Radiofrequenz- bzw. Hochfrequenz-Sputtern sind ebenfalls Techniken, die verwendet werden, um die Beschichtung des Bereiches 6 aufzubringen, obwohl nicht notwendigerweise mit äquivalenten Ergebnissen. In dem allgemeinen Ausdruck Sputtern sollen enthalten sein Gleichstrom-Sputtern, Gleichstrom-Magnetron- Sputtern, Ionen-Sputtern, unbalanciertes Magnetron-Sputtern und Radiofrequenz- bzw. Hochfrequenz-Sputtern. Die im US-Patent Nr. 4,716,083 gelehrten Prozeduren sind allgemein geeignet für das Aufbringen von ungeordneten Beschichtungen aus Bor und Kohlenstoff und werden hier durch Bezugnahme eingefügt für das Ablagern der Bor und Kohlenstoff in ungeordnetem Zustand enthaltenen Beschichtung des Bereiches 6.
Die Beschichtung des Bereiches 6 kann von einem Target aus gesputtert werden, das ein im wesentlichen reines stöchiometrisches oder nahezu stöchiometrisches kristallines Pulver aus gepreßtem und gesintertem Borcarbid enthält. Jedoch werden auch nichtstöchiometrische Borcarbid-Beschichtungen in Betracht gezogen. Es sollte auch möglich sein, Beschichtungen herzustellen, die die Vorteile der Erfindung aufweisen, durch Sputtern von nichtstöchiometrischen Borcarbid-Targets aus, von getrennten Targets mit Bor und Kohlenstoff in einem Plasma aus, das jedes Target überlappt, und von mit Bor angereicherten Borcarbid- oder Graphittargets aus. Zum Beispiel wird in Betracht gezogen, ein in Bor angereichertes Graphittarget in Verbindung mit Targets zu verwenden, die Bar und Kohlenstoff enthalten. Die borreichen Targets sollten ausreichend Bor gewährleisten, um die Matrix in dem Übergangs- und dem Außenbereich der Beschichtung zu erzeugen, wo die Targets, die Bor und Kohlenstoff enthalten, relativ arm an Bor werden können.
Die bevorzugten Sputterbedingungen bezüglich Temperatur, Druck und Vorspannung hängen teilweise von der Oberflächengeometrie und vom Typ der gewünschten inneren Mikrostruktur ab. Normalerweise ist es für die Oberfläche der Beschichtung wünschenswert, daß sie glatt ist, insbesondere für viele verschleißbezogene Anwendungen. Die innere Mikrostruktur der ungeordneten Beschichtungen kann stengelförmig oder nicht stengelförmig sein. Für einige Anwendungen kann eine stengelförmige Beschichtung wünschenswert sein. Wenn es wünschenswert ist, eine stengelförmige Mikrostruktur zu erzeugen, kann jede Art von im Stand der Technik bekannter Sputtertechnik zum Erzeugen einer stengelförmigen Mikrostruktur benutzt werden. Bei einer Technik zum Erzeugen einer stengelförmigen Mikrostruktur wird eine ausreichende Vorspannung an das Substrat bzw. den Träger angelegt, um die Bildung der stengelförmigen Mikrostruktur zu veranlassen.
Vorspann-Sputtern ist das Verfahren, bei dem eine negative Vorspannung an dem Träger während des Ablagerns der Beschichtung aufrechterhalten wird. Durch Anlegen einer Vorspannung an den Träger können die Dichte, die Reinheit, das Haftvermögen und die innere Spannung der Beschichtung kontrolliert bzw. gesteuert werden. Üblicherweise neigt ein angemessenes Anlegen einer Vorspannung dazu, die Dichte, die Reinheit und das Haftvermögen der Beschichtung zu erhöhen und die innere Spannung der Beschichtung zu verringern. Das Steuern der Vorspannung, wie nachfolgend beschrieben, in Verbindung mit der Trägertemperatur neigt auch dazu, die Größe der kubischen Bornitridkristalle zu bestimmen, die in den nachfolgenden Bereichen gebildet werden.
Die an den Träger angelegte Vorspannung während des Sputterns kann in einer gewünschten Reihenfolge variiert werden. Die gewünschte Vorspannungsreihenfolge hängt von der Trägergeometrie und der gewünschten Mikrostruktur der Beschichtung ab.
Die Grenz- bzw. Zwischen-Borcarbidschicht des Bereiches 6 wird üblicherweise mit einer relativ geringen Vorspannung von beispielsweise ungefähr -100 bis -300 Volt aufgebracht, um eine vollständige Bedeckung zu gewährleisten. Jedoch kann die Beschichtung des Bereiches 6 erfolgreich aufgebracht werden unter Verwendung viel höherer Vorspannungen, wie beispielsweise von ungefähr -1000 bis -2500 Volt. Die Vorspannung kann allmählich erhöht werden durch rampenförmiges Erhöhen der Spannung oder kann stufenweise erhöht werden. Umgekehrt kann die Vorspannung allmählich verringert werden durch rampenförmiges Nachuntenfahren der Vorspannung oder kann stufenweise verringert werden.
Der Plasmadruck wird üblicherweise in einem Vakuumzustand zum Sputtern gehalten. Beispielsweise sollte ein Druck von 0,27 bis 1,33 N/m² (2 bis 10 mtorr) nützlich sein, abhängig von der mittleren freien Wegstrecke zwischen Target und Träger. Der Druck muß möglicherweise justiert werden, wie es Fachleuten bekannt ist, abhängig von der mittleren freien Wegstrecke zwischen Target und Träger.
Ein Wachstum des Bereiches 6 wird erzeugt in einem Bereich von einer einzelnen dünnen Schicht von 0,01 Mikrometer bis zu mehreren Schichten, die 6 Mikrometer dick sind. Üblicherweise ist der Bereich 6 von 0,01 bis 3 Mikrometer dick. Besonders üblich ist der Bereich 6 von 0,05 bis 0,25 Mikrometer dick.
Nachdem der Bereich 6 der Beschichtung durch Sputtern in einem Inertgas, wie z. B. Argon, abgelagert worden ist, kann dann der Übergangsbereich 8 auf die Schicht aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff aufgebracht werden, um einen Übergang zwischen einer Schicht, die Bor und Kohlenstoff in einem ungeordneten Zustand enthält, und einer Schicht zu bilden, die kubisches Bornitrid enthält, das in einer Matrix aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert ist. Ein Weg, um die Erzeugung von kubischem Bornitrid zum Einbau in die Beschichtung zu erreichen, ist es, das Argon- oder andere inerte Plasmagas durch Stickstoff allmählich zu ersetzen. Ein Stickstoffplasma ist unter den beschriebenen Bedingungen reaktiv, und Sputtern in einem reaktiven Plasma wird manchmal als "plasmaunterstützte" Sputterablagerungen bezeichnet.
Es ist als nützlich festgestellt worden, den Gasdruck der Vakuumkammer auf im wesentlichen derselben Höhe oder höher zu halten als das durch Stickstoff ersetzte inerte Gas. Wenn Stickstoff in das Plasma eingeführt wird, reagiert es mit den Boratomen an der Oberfläche des Trägers, um kubisches Bornitrid zu bilden. Die Bor und Kohlenstoff enthaltende Beschichtung wird weiterhin abgelagert. Kubisches Bornitrid wird in die Matrix der Beschichtung, die Bor und Kohlenstoff in geordnetem Zustand enthält, beim Ablagern eingebaut.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird mit dem Einführen der kubischen Bornitridkristalle in die Beschichtung des Bereiches 8 mit einer geringen Konzentration nahe dem Bereich 6 begonnen, wenn Stickstoffgas in die Beschichtungskammer eingeführt und Argon entfernt wird. Die Konzentration an kubischen Bornitridkristallen erhöht sich weg von Null bei dem Bereich 6, wenn Stickstoff das Argon ersetzt. In dem Bereich 8 können kubische Bornitridkristalle in einer Konzentration vorhanden sein, die von Null Prozent aus nach oben bis zu wenigen Prozent oder höher fortschreitet, im allgemeinen von 20 bis weniger als 50 Gew.-% und üblicherweise nicht mehr als ungefähr 30 bis 35 Prozent.
Die Konzentration der kubischen Bornitridkristalle im Bereich 8 kann gesteuert werden durch Variieren der Menge an Stickstoff oder Bor, die für eine Reaktion im Plasma verfügbar sind, oder durch Manipulieren der Sputterbedingungen hinsichtlich Temperatur und Vorspannung. Jedoch sollte beachtet werden, daß, für eine gegebene Target-Zusammensetzung, weniger Bor zur Bildung von Borcarbid verfügbar ist, da Bornitrid gebildet wird, was zu einer Borcarbid-Matrix führt, deren Stöchiometrie nicht konstant ist und üblicherweise nichtstöchiometrisch ist, selbst wenn das Target stöchiometrisch ist.
Stickstoff ersetzt allmählich die inerte Sputteratmosphäre, wenn der Bereich 8 abgelagert wird, was bewirkt, daß die Konzentration an kubischem Bornitrid in der Beschichtung in einer Richtung weg von dem Träger ansteigt, um ein Maximum in Abhängigkeit des Verhältnisses von bzw. Anteils an Stickstoff in der Sputteratmosphäre zu erreichen, wobei alle anderen Dinge gleich sind. Die gesamte inerte Atmosphäre kann letztendlich durch Stickstoff ersetzt werden, falls gewünscht. Üblicherweise jedoch wird nicht die gesamte inerte Atmosphäre ersetzt. Ungefähr 10 bis 20 Prozent des Partialdruckes der inerten Sputteratmosphäre kann beibehalten werden. Obwohl nicht gewünscht ist, theoretisch daran gebunden zu werden, wird geglaubt, daß das Beibehalten einer kleinen Konzentration an inertem Gas in der Sputteratmosphäre die Bildung der Beschichtung unterstützt, indem die Oberfläche des Trägers, auf der die Beschichtung abgelagert wird, kontinuierlich sputter-gereinigt wird.
Die Dicke des Bereiches 8 kann über einen weiten Bereich variieren, abhängig davon, ob ein Bereich 10 aufgebracht werden soll. Der Bereich 8 sollte relativ dünn sein, um Integrität zu gewährleisten, wenn er als ein Übergangsbereich verwendet wird, um das Risiko von Beschichtungsfehlern bzw. - versagen zu vermeiden. Der Bereich 8 wird üblicherweise von ungefähr 0,01 bis 1 Mikrometer dick sein, wenn er als ein Übergangsbereich verwendet wird. Wenn der Bereich 10 nicht aufgebracht wird, kann dann der Bereich 8 bequem bzw. in geeigneter Weise auf dieselbe Dicke wie der Bereich 6 von 0,01 bis 3 Mikrometer Dicke, und besonders üblich von ungefähr 0,05 bis 0,25 Mikrometer Dicke, abgelagert werden. Jedoch kann der Bereich 8 bis zu einer Dicke von ungefähr 6 Mikrometer abgelagert werden, falls gewünscht.
Der Bereich 8 wird üblicherweise bei einer geringen negativen Vorspannung von ungefähr -50 bis -500 Volt abgelagert. Die Bereiche von ungefähr -175 bis -325 Volt und von ungefähr -200 bis -300 Volt sind nützlich. Es ist wichtig, die Vorspannung so zu kontrollieren bzw. zu steuern, daß die Bildung von kubischem Bornitrid wahrscheinlicher ist. Andere Formen von Bornitrid sind nicht hart und könnten nicht eine brauchbare Beschichtung für Verschleißteile ausbilden. Kleine Mengen an nichtkubischem Bornitrid kann in die Beschichtung eingebaut sein, ohne die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung zu mindern. Trotzdem ist es wünschenswert, die Ablagerungsbedingungen zu steuern und insbesondere die negative Vorspannung und die Temperatur, um das kubische Bornitrid als die vorherrschende Form von erzeugtem Bornitrid beizubehalten.
Der Übergangsbereich 8 bildet, wie in Fig. 1 gezeigt, auf seiner inneren Oberfläche eine Beschichtung, deren physikalische Eigenschaften denen der Beschichtung des Bereiches 6 ähnlich sind und die für eine ausgezeichnete Haftung an der Beschichtung des Bereiches 6 unter einer Vielfalt von Bedingungen bzw. Zuständen und beim tatsächlichen Gebrauch sorgt. Kubisches Bornitrid wird allmählich in die Zusammensetzung des Übergangsbereiches 8 eingeführt, so daß der Übergangsbereich eine allmähliche Änderung und keine abrupte Änderung seiner physikalischen Eigenschaften aufweist. Die äußere Schicht des Übergangsbereiches 8, gezeigt in Fig. 1, weist physikalische Eigenschaften auf, die denen des optionalen Außenbereiches 10 der Beschichtung ähnlich sind.
Kubisches Bornitrid ist normalerweise im Bereich 10 in einer Konzentration von ungefähr 20 bis weniger als 50 Gew.-% vorhanden. Jedoch kann bei höheren Konzentrationen die Beschichtung Fehlern bzw. einem Versagen ausgesetzt sein, und so ist üblicherweise die maximale Konzentration an kubischem Bornitrid im allgemeinen ungefähr 30 bis 35 Gew.-% der Beschichtung. Es werden auch nützliche Beschichtungen in Betracht gezogen, in denen viel weniger kubisches Bornitrid vorhanden ist, bis hinab zu 1 oder wenigen Prozent, obwohl üblicherweise die Beschichtung des Bereiches 10 eine Konzentration an kubischem Bornitrid aufweisen wird, die dieselbe ist, wie die maximale Konzentration des Bereiches 8 am ganz außen liegenden Abschnitt des Bereiches 8, um die beste Übereinstimmung von physikalischen Eigenschaften zwischen den zwei Bereichen zu schaffen.
Die Dicke der Beschichtung des Bereiches 10, falls vorhanden, reicht von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer. Beschichtungen, deren Dicke in jedem Bereich von ungefähr 0,01 bis 0,5 Mikrometer reicht, sind als nützlich in Verschleißanwendungen festgestellt worden. Für die meisten Verschleißanwendungen sollte die Beschichtung des Bereiches 10 von ungefähr 0,75 bis 2 Mikrometer dick sein. Die Beschichtung kann als Einzelschicht oder als mehrere Schichten aufgebracht werden.
Es sollte erkannt werden, daß der Übergangsbereich 8 bis zur gewünschten Dicke für die Beschichtung weitergeführt werden könnte und Ergebnisse erreichen könnte, die einer Beschichtung mit getrennten Bereichen 8 und 10 ähnlich sind. Üblicherweise ist es für Verschleißanwendungen jedoch wünschenswert, die Trägervorspannung zu reduzieren, nachdem das Inertplasma zu 80 bis 100 Prozent durch reaktives Stickstoffgas ersetzt worden ist. Die Trägervorspannung wird üblicherweise unter die reduziert, die zum Ablagern des Übergangsbereiches 8 verwendet wird, und wird üblicherweise auf weniger als ungefähr -200 Volt eingestellt. Eine Änderung in der Spannung um 25 Volt ist signifikant, wenn die Bedingungen ansonsten an einem Optimum sind. Die Substratvorspannung kann auf bzw. auf weniger als -25 Volt reduziert werden.
Üblicherweise wird die Substratvorspannung bei ungefähr -50 bis -200 Volt liegen, wobei diese Vorspannung die Bildung von kubischem Bornitrid begünstigt. Ein Bereich von -60 bis -150 Volt ist nützlich.
Kubisches Bornitrid kann bei Temperaturen abgelagert werden, die im Bereich von ungefähr 50ºC bis 400ºC und darüber liegen. Beschichtungen der Erfindung sind bei 70ºC hergestellt worden. Oberhalb ungefähr 400ºC könnten viele eisenhaltige und nichteisenhaltige Trägermaterialien, einschließlich Werkzeugstähle, nachteilig beeinflußt werden. Die Trägertemperatur wird üblicherweise über die erhöht, die zum Aufbringen der Bereiche 6 und 8 verwendet wird, von ungefähr 100ºC bis 200ºC oder weniger, für das Aufbringen des Bereiches 10. Die Temperatur kann erhöht werden, um etwas günstigere Bedingungen zum Ablagern von kubischem Bornitrid zu schaffen. Im allgemeinen ist die Qualität der Ablagerung der Schichten empfindlich gegen so kleine Temperaturänderungen wie 25ºC, wenn die Bedingungen ansonsten optimal sind.
Es sollte beachtet werden, daß die Trägeroberflächentemperatur üblicherweise gemessen wird durch Verwendung von Thermoelementen, die nicht notwendigerweise die aktuelle bzw. tatsächliche Temperatur des Trägers genau wiedergeben, sondern nur einen Hinweis darauf geben. Es sollte sorgfältig darauf geachtet werden, die hitzeempfindlichen Trägermaterialien nicht zu beschädigen.
Die Beschichtung aus kubischem Bornitrid, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert ist, der Bereiche 8 und 10 ist ein Zweiphasenmaterial, das aus Bornitridkristallen besteht bzw. gebildet ist, mit denen eine Bor- und Kohlenstoff- Matrix durchsetzt ist. Die Kristalle können in einer Größe von Nanokristallen bis Makrokristallen vorhanden sein. Nanokristalle sind sehr kurze Kristalle in der Größe von einigen bzw. mehreren 1/100 Mikrometer (mehrere 100 Angström) und können ausgebildet sein als amorph oder polykristallin und ohne Fernordnung. Wenn makrokristalline Bornitridkristalle in die Beschichtung eingebaut sind, sind diese Kristalle mit Größen ausgebildet in der Größenordnung von mehreren Mikrometer bis einigen zehn Mikrometer.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die allgemein die Schritte beschreibt, mit denen die Beschichtung der Erfindung auf einen Träger aufgebracht wird. Im allgemeinen werden die Träger vor dem Eintreten in die Vakuum-Beschichtüngskammer unter Verwendung organischer Lösungsmittel oder einer Kombination von wäßrigen Lösungsmitteln und Rostinhibitoren gereinigt. Die trockenen Träger werden dann in der Vakuum-Beschichtungskammer plaziert. Die Kammer wird evakuiert entsprechend Schritt 12. Die Träger werden einem Sputter-Ätzen in einer Inertatmosphäre, wie z. B. Argon, unterzogen, um die Träger atomar zu reinigen. Das Substrat wird erwärmt und die Vakuumkammer wird mit dem Inertgas bis zu einem Druck von ungefähr 3,33 bis 13,33 N/m² (25 bis 100 mtorr) entsprechend den Schritten 14 und 16 unter Druck gesetzt. Eine hohe Vorspannung wird an den Träger angelegt. Üblicherweise sollte eine Vorspannung von ungefähr -1500 bis -2500 Volt ausreichend sein, um das Sputter-Ätzen gemäß Schritt 18 durchzuführen. Es sollte beachtet werden, daß Spannungen von ungefähr -500 bis -1500 Volt, die für das Sputter-Ätzen besonders üblich sind, auch nützlich sein sollten.
Es ist wünschenswert, einen zweiten Gleichstrom-Ätzschritt bei einem Arbeitsdruck durchzuführen, der üblicherweise um ungefähr 0,67 N/m² (5 mtorr) liegt. Das erste Ätzen schruppt die Oberfläche von Verunreinigungen frei und das zweite Ätzen entfernt Oxide, die auf der Oberfläche des Trägers vorhanden sein können. Die Trägervorspannung kann auch angepaßt bzw. eingestellt werden, falls gewünscht, auf ungefähr -1500 Volt, -1000 Volt oder sogar auf -750 Volt. Während des Ätzschrittes sollten die Sputter-Magnetronen aufgewärmt und zum Ablagern der Beschichtung vorbereitet werden, wie in Schritt 20 gezeigt, ohne Verzögerung zwischen dem Ätz- und dem Ablagerungsschritt.
Nachdem das Gleichstrom-Ätzen abgeschlossen ist, der Träger atomar gereinigt ist und die Sputter-Magnetronen aufgewärmt sind, kann dann der Grenz- bzw. Zwischenbereich 6 aus dem ungeordneten Bor und Kohlenstoff, Fig. 1, auf den Träger aufgebracht werden, wie in Schritt 22 gezeigt. Die Ausführungsform der Fig. 2 ist mit einem Borcarbid-Target dargestellt.
Nach der Sputterablagerung des Bereiches des ungeordneten Borcarbids wird dann ein zusätzlicher Bereich abgelagert, bei dem das Sputter-Inertgas allmählich durch Stickstoff ersetzt wird, wie in den Schritten 24 und 26. Dieser Übergangsbereich 8, Fig. 1, wird sputterabgelagert mit in Borcarbid dispergiertem kubischem Bornitrid, wenn das Inertgas ersetzt wird. Die Konzentration an kubischem Bornitrid in der Beschichtung mit ungeordnetem Bor und Kohlenstoff steigt allmählich in einer Richtung weg von dem ersten Bereich 6 an.
Falls gewünscht, wird dann ein Außenbereich 10 aus kubischen Bornitridkristallen 9, die in Borcarbid dispergiert sind, Fig. 1, in einer Sputteratmosphäre erzeugt, in der das Inertgas durch Stickstoff ersetzt worden ist, wie im Schritt 28 gezeigt.
Die Beschichtung kann homogen oder heterogen in ihrer Zusammensetzung sein, abhängig von den gewählten Ablagerungsparametern. Größere kubische Bornitridkristalle neigen dazu, etwas härtere Beschichtungen zu erzeugen, die heterogen aussehen bzw. sich einstellen.
Ein zweiter Bereich 8 über dem Bereich 6 weist kubische Bornitridkristalle 9 auf, die in ungeordnetem Borcarbid dispergiert sind. Die Konzentration an kubischen Bornitridkristallen in dem zweiten Bereich steigt in einer Richtung weg von dem Träger an. Ein dritter Bereich 10, der optional ist, ist über den Bereich 8 dargestellt und weist kubische Bornitridkristalle 9 auf, die in ungeordnetem Borcarbid in einer gleichmäßigen Konzentration dispergiert sind. Die Konzentration an kubischen Bornitridkristallen in der Beschichtung im Bereich 10 wird üblicherweise dieselbe sein, wie die maximale Konzentration an der Oberfläche des Bereiches 8.
Die Beschichtung der Erfindung zeigt allgemein eine größere Härte als sputterabgelagerte Borcarbid-Beschichtungen, die kubisches Bornitrid nicht enthalten. Kubisches Bornitrid ist eine der härtesten bekannten Substanzen und weist eine Mikrohärte auf, die gemäß Berichten näherungsweise 4700 kp/mm² betragen soll. Zum Vergleich, Borcarbid weist üblicherweise eine Mikrohärte auf, die gemäß Berichten ungefähr 2940 kp/mm² betragen soll. Sputterabgelagerte Beschichtungen aus Borcarbid weisen üblicherweise Härtewerte auf, die im Bereich von ungefähr 1500 bis größer als 4000 kp/mm² liegen, abhängig von den Eigenschaften der gewünschten Anwendung. Die Härte der Beschichtungsbereiche, wie sie hier offenbart sind und die in einer Borcarbid-Matrix dispergiertes kubisches Bornitrid enthalten, ist üblicherweise höher verglichen mit Borcarbid allein. Die Borcarbid-Beschichtung kann mit nur einer geringen Menge an kubischem Bornitrid, das in der Beschichtung vorhanden ist, verbessert werden.
Der Koeffizient für statische Reibung der Beschichtungen der Erfindung ist gering, was auf große Schmierfähigkeit hinweist, und ist üblicherweise geringer als oder gleich ungefähr 0,15 bis 0,2. Es können auch Beschichtungen mit einem Koeffizienten für statische Reibung von weniger als ungefähr 0,1 hergestellt werden. Die Beschichtung des Beispiels 1, das nachfolgend gezeigt wird, weist einen Koeffizienten für statische Reibung von ungefähr 0,08 auf. Die Beschichtung des Beispiels 2 hat einen Koeffizienten für statische Reibung von 0,12.
Die folgenden Beispiele sind repräsentativ für die Erfindung.

Beispiel 1

Eine erfindungsgemäße Beschichtung wurde mit einem Gleichstrom-Magnetron gesputtert unter Verwendung eines Targets, das ein hochreines, kristallines, gepreßtes und gesintertes B&sub4;C-Pulver aufwies. Die Trägeroberfläche wurde erwärmt auf eine Temperatur von 100ºC vor dem Gleichstrom-Ätzen. Die Vakuumkammer wurde dann mit Argongas aufgefüllt bis auf einen Druck von 6,67 N/m² (50 mtorr). Das Gleichstrom-Ätzen wurde durchgeführt bei 6,67 N/m² (50 mtorr) mit einer -2000Volt- Gleichstrom-Trägervorspannung. Das Gleichstrom-Ätzen wurde fortgesetzt und dabei der Argondruck auf 0,67 N/m² (5 mtorr) reduziert und dann eine -1500 Volt-Gleichstrom-Trägervorspannung gehalten.
Während des zweiten Abschnitts des Ätz-Schrittes wurden die Sputtermagnetrone aufgewärmt. Als die Sputtermagnetrone warm waren und das Gleichstrom-Ätzen abgeschlossen war, wurde eine Grenz- bzw. Zwischenschicht aus B&sub4;C abgelagert unter Verwendung einer -250 Volt-Gleichstrom-Trägervorspannung bis zu einer Dicke ab 0,05 bis 0,20 Mikrometer. Danach wurde eine Übergangsschicht abgelagert bei einer -250 Volt-Gleichstrom- Trägervorspannung auf dieselbe Dicke wie die anfängliche Grenzschicht. Jedoch wurde das Argon-Arbeitsgas allmählich durch ein Stickstoff-Arbeitsgas ersetzt. Dieser Übergangsbereich besteht aus einem Kontinuum aus abgestuften "Schichten", die zuerst aus B&sub4;C bestehen und anschließend mehr und mehr mit einer kubischen Bornitridphase angereichert sind. Der Vakuumkammer-Gasdruck wurde bei 0,67 N/m² (5 mtorr) während des gesamten Gasüberganges gehalten. Auf diese Weise war der endgültige Stickstoff-Arbeitsgasdruck für die Sputterablagerung von kubischem Bornitrid, das in einer Matrix aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff eingebettet war, 0,67 N/m² (5 mtorr).
Bei Beendigung des Gasüberganges wurde die Trägervorspannung auf -150 Volt Gleichstrom reduziert und die Leistung der Heizeinrichtung und die Leistung der Sputterkathode wurden geändert, um eine Trägeroberflächentemperatur von ungefähr 125 bis 175ºC zu erreichen. Unter Verwendung dieser Parameter wurden 0,75 bis 2 Mikrometer kubisches Bornitrid, das in Bor und Kohlenstoff dispergiert war, abgelagert.
Es sollte beachtet werden, daß es unwahrscheinlich ist, daß stöchiometrisches Borcarbid, B&sub4;C, abgelagert wird, nachdem Stickstoffgas in die Atmosphäre in der Sputterkammer eingeführt wird. Etwas von dem in dem Borcarbid-Target vorhandenen Bor reagiert mit dem Stickstoff, um kubisches Bornitrid zu erzeugen.
Der Reibungskoeffizient dieser Beschichtung war näherungsweise 0,08 und die äußere Beschichtung zeigte deutlich zwei Phasen mit kubischen Bornitridkristallen in einer Größe von Nanokristallen bis Makrokristallen, die in einer amorphen Bor- und Kohlenstoff-Matrix dispergiert waren. Der Haft-Kratz- Testwert für diesen beschichteten Gegenstand reichte von 4,0 bis 5,0 kg auf einem Träger aus rostfreiem Stahl #304. Der Abrasionswiderstand wurde festgelegt durch Beobachten des Polierens bzw. Schwabbelns auf der Außenbeschichtung, wie es bzw. sie auf dem Träger aus rostfreiem Stahl #304 aufgebracht wurde. Die Beschichtung wurde einem 50Mikrometer-Glaskugeltest mit 2,75 · 10&sup5; N/m² (40 psi) für 60 Sekunden ohne nachteilige Wirkung ausgesetzt.

Beispiel 2

Beispiel 2 wurde unter ähnlichen Bedingungen durchgeführt. Jedoch wurde eine Grenz- bzw. Zwischen-Borcarbidschicht bei einer höheren Trägervorspannung von -1500 Volt Gleichstrom abgelagert. Eine zweite Grenz- bzw. Zwischenschicht aus Borcarbid wurde dann bei einer geringeren Substratvorspannung von -250 Volt Gleichstrom abgelagert. Diese ersten und zweiten Grenzschichten wurden bis zu einer Gesamtdicke von 0,05 bis 0,2 Mikrometer abgelagert. Danach wurde eine Übergangsschicht ähnlich der von Beispiel 1 abgelagert, wobei Stickstoff allmählich Argon als das Arbeitsgas in der Sputterkammer ersetzte. Die Schicht aus ungeordnetem Bor und Kohlenstoff wurde allmählich mit einer kubischen Bornitridphase angereichert. Jedoch wurde in diesem Beispiel der Kammer-Gasdruck linear verringert auf 0,53 N/m² (4,0 mtorr) während des Gasübergangs. Auf diese Weise betrug der endgültige Arbeitsgasdruck für die Ablagerung von kubischem Bornitrid 0,53 N/m² (4,0 mtorr).
Im Gegensatz zum Beispiel 1 wurde eine Trägervorspannung von nur -60 Volt Gleichstrom verwendet, um eine Außenschicht aus kubischem Nitrid, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiert war, abzulagern.
Der Reibungskoeffizient der Beschichtung aus Beispiel 2 betrug 0,12 und die offenbare bzw. scheinbare Härte der Beschichtung war etwas geringer als die mit Bezug auf Beispiel 1, obwohl immer noch höher als bei anderen Beschichtungen. Es wird gemeint, daß die kleineren, in die Bor- und Kohlenstoff- Matrix eingebauten Kristalle auf die geringe Spannung von -60 Volt Gleichstrom zurückzuführen sind, die zum Ablagern dieser Beschichtung verwendet wurde. Jedoch zeigte diese mit geringerer Vorspannung aufgebrachte Beschichtung ein gutes Haftvermögen an dem Träger, wie die Beschichtung von Beispiel 1, was darauf hinweist, daß die Delaminierung der Beschichtung allmählich erfolgt, und nicht katastrophal bzw. sprunghaft vollständig, wie bei vielen harten kristallinen Materialien, wie z. B. viele diamantähnliche Beschichtungen ("DLCs").
Der Abrasionswiderstand wurde festgelegt durch die Beobachtung des Polierens bzw. Schwabbelns selbst nach der Durchführung eines 50Mikrometer-Glaskugeltestes bei 2,75 · 10&sup5; N/m² (40 psi) für 30 Sekunden.
Es versteht sich, daß die Beschichtungen der vorliegenden Erfindung nicht auf Verschleißanwendungen einschließlich Werkzeuge oder dekorative Nutzungen beschränkt sind. Die Erfindung ist auf Oberflächen brauchbar bzw. nutzbar, die keinem Verschleiß unterliegen mögen, einschließlich beispielsweise, und nicht im Sinne einer Beschränkung der Erfindung, Lager, Motorteile, Armaturen, Formen und andere Vorrichtungen.

Claims

1. Gegenstand (3) mit einem Träger (4) und einer auf dem Träger (4) abgelagerten Beschichtung (5), die einen ersten Bereich (6) nahe dem Träger (4) mit ungeordnetem Bor und Kohlenstoff und mit einer Dicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer und die nahe dem ersten Bereich (6) einen zweiten Bereich (8) aufweist, der in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid (9) enthält und in dem die Konzentration von kubischem Bornitrid (9) in der Beschichtung allmählich von Null in eine Richtung weg von dem ersten Bereich (6) auf weniger als 50 Gewichtsprozent ansteigt, wobei der zweite Bereich (8) eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer aufweist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, ferner mit einem dritten Bereich (10), der durch den zweiten Bereich (8) von dem ersten Bereich (6) getrennt ist und in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid (9) in einer im wesentlichen gleichmäßigen Konzentration von 1 bis weniger als 50 Gewichtsprozent aufweist, wobei der dritte Bereich (10) eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer aufweist.

3. Gegenstand nach Anspruch 2, bei dem die Konzentration von kubischem Bornitrid (9) in dem zweiten Bereich (8) auf im wesentlichen dieselbe Konzentration wie die des dritten Bereichs (10) nahe dem zweiten Bereich ansteigt.

4. Gegenstand nach Anspruch 2, bei dem das kubische Bornitrid (9) in der dritten Schicht (10) in einer Konzentration von ungefähr 20 bis 35 Gewichtsprozent vorhanden ist.

5. Gegenstand nach Anspruch 2, bei dem der erste und der zweite Bereich (6, 8) jeweils eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,5 Mikrometer aufweisen, und bei dem der dritte Bereich (10) eine Dicke von ungefähr 0,5 bis 3 Mikrometer aufweist.

6. Gegenstand nach Anspruch 2, bei dem der erste und der zweite Bereich (6, 8) jeweils eine Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,2 Mikrometer aufweisen, und bei dem der dritte Bereich (10) eine Dicke von ungefähr 0,75 bis 2 Mikrometer aufweist.

7. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das kubische Bornitrid (9) eine kristalline Struktur aufweist, in der die Kristallgröße von nanokristallin und ohne Fernordnung bis makrokristallin und mit Fernordnung reicht.

8. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Bor und der Kohlenstoff in ihrem ungeordneten Zustand Arten aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus elementarem Bor, elementarem Kohlenstoff, nichtstöchiometrischem Borkarbid und stöchiometrischem Borkarbid besteht.

9. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung (5) einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als ungefähr 0,15 auf weist.

10. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung (5) einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als ungefähr 0,1 aufweist.

11. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung (5) einen Haftreibungskoeffizienten von ungefähr 0,08 aufweist.

12. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung durch plasmaunterstütztes Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht ist, wobei Stickstoff als ein reaktives Gas für die Bildung von kubischem Bornitrid eingesetzt ist.

13. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Bor und der Kohlenstoff im ungeordneten Zustand die Zusammensetzung BxC1-x aufweisen, wobei B Bor darstellt, C Kohlenstoff darstellt und x im Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,9 liegt und wobei x und 1-x die relativen Mengen an Bor bzw. Kohlenstoff darstellen, die in der Beschichtung als elementares Bor, elementarer Kohlenstoff, nichtstöchiometrisches Borkarbid und stöchiometrisches Borkarbid vorhanden sind.

14. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Bor und der Kohlenstoff des ersten Bereichs (6) im ungeordneten Zustand stöchiometrisches B&sub4;C aufweisen.

15. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Bor und der Kohlenstoff des ersten Bereichs (6) im ungeordneten Zustand stöchiometrisches B&sub1;&sub3;C&sub2; aufweisen.

16. Gegenstand (3) mit einem Träger (4), der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Werkzeugen, Formen und Verschleißteilen besteht, und mit einer auf dem Träger abgelagerten Beschichtung (5), die einen ersten Bereich (6) nahe dem Träger mit ungeordnetem Bor und Kohlenstoff und mit einer Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,2 Mikrometer, ferner nahe dem ersten Bereich (6) einen zweiten Bereich (8), der in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff dispergiertes kubisches Bornitrid (9) aufweist und in dem die Konzentration an kubischem Bornitrid (9) in der Beschichtung allmählich von Null in einer Richtung weg vom ersten Bereich (6) auf ungefähr 20 bis 35 Gewichtsprozent ansteigt, wobei der zweite Bereich (8) eine Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,2 Mikrometer aufweist, und die einen dritten Bereich (10) aufweist, der durch den zweiten Bereich (8) von dem ersten Bereich (6) getrennt ist und kubisches Bornitrid (9) enthält, das in ungeordnetem Bor und Kohlenstoff in einer im wesentlichen gleichmäßigen Konzentration von ungefähr 20 bis 35 Gewichtsprozent dispergiert ist, wobei der dritte Bereich (10) eine Dicke von ungefähr 0,75 bis 2 Mikrometer aufweist und wobei die Konzentration an kubischem Bornitrid (9) in dem zweiten Bereich (8) auf im wesentlichen dieselbe Konzentration wie die des dritten Bereichs (10) nahe dem zweiten Bereich (8) ansteigt.

17. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung, die kubisches Bornitrid enthält, auf einen Träger, mit den folgenden Schritten:

(a) Sputtern, in einer inerten Atmosphäre, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff auf den Träger bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer;

(b) allmähliches Ersetzen der inerten Atmosphäre durch Stickstoff bis zu einer Konzentration des Stickstoffs in der inerten Atmosphäre von ungefähr 80 bis 100 Prozent; und

(c) Sputtern, unter allmählichem Ersetzen der inerten Atmosphäre durch Stickstoff, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff mit darin dispergiertem kubischem Bornitrid auf die gemäß Schritt a) gesputterte Schicht bis zu einer Konzentration an kubischem Bornitrid von Null nahe dem ersten Bereich auf weniger als 50 Gewichtsprozent und bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer.

18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit dem Schritt des Sputterns, auf die gemäß Schritt c) gesputterten Schichten und in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff mit darin dispergiertem kubischem Bornitrid in einer gleichmäßigen Konzentration von 1 bis weniger als 50 Gewichtsprozent und bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,01 bis 6 Mikrometer.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Sputtern ein Gleichstrom-Magnetron-Sputtern ist und der Schritt c) auch das Anlegen einer Vorspannung an den Träger von ungefähr -50 bis -200 Volt und das Erhöhen der Temperatur des Trägers aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Temperatur des Trägers auf weniger als ungefähr 400ºC und innerhalb eines Bereiches von ungefähr 25ºC kontrolliert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Sputtern ein Gleichstrom-Magnetron-Sputtern ist und der Schritt a) auch das Anlegen einer Vorspannung an den Träger von ungefähr -100 bis -2500 Volt aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Sputtern ein Gleichstrom-Magnetron-Sputtern ist und der Schritt a) auch das Anlegen einer Vorspannung an den Träger von ungefähr -200 bis -2000 Volt und das Erwärmen des Trägers auf eine Temperatur von weniger als 200ºC aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Sputtern ein Gleichstrom-Magnetron-Sputtern fst und der Schritt c) auch das Anlegen einer Vorspannung an den Träger von ungefähr -50 bis -500 Volt und das Erwärmen des Trägers auf eine Temperatur von weniger als 200ºC aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Trägervorspannung im Bereich von ungefähr -175 bis -325 Volt liegt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Trägervorspannung im Bereich von ungefähr -200 bis -3C0 Volt liegt.

26. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung, die kubisches Bornitrid erhält, auf einen Träger, mit den folgenden Schritten:

a) Sputtern, in einer inerten Atmosphäre, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff auf den Träger bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,05 bis 0,2 Mikrometer;

b) allmähliches Ersetzen der inerter. Atmosphäre durch Stickstoff bis zu einer Stickstoffkonzentration in der inerten Atmosphäre von ungefähr 80 bis 100 Prozent;

c) Sputtern, unter allmählichem Ersetzen der inerten Atmosphäre durch Stickstoff, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff mit darin dispergiertem kubischem Bornitrid auf die gemäß Schritt a) gesputterte Schicht bis zu einer Konzentration an kubischem Bornitrid von Null nahe dem ersten Bereich bis zu ungefähr 20 bis 35 Gewichtsprozent und bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,05 bis 0,2 Mikrometer und

d) Sputtern, auf die gemäß Schritt c) gesputterten Schichten und in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, einer oder mehrerer Schichten von ungeordnetem Bor und Kohlenstoff mit darin dispergiertem kubischem Bornitrid in einer gleichmäßigen Konzentration von ungefähr 20 bis 35 Gewichtsprozent und bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 0,75 bis 2 Mikrometer, wobei die Konzentration an kubischem Bornitrid in dem zweiten Bereich auf im wesentlichen dieselbe Konzentration wie die des dritten Bereichs nahe dem zweiter. Bereich ansteigt.