5 · Web viewDie Beschichtungsverfahren zählen zu den Dünnschichttechnologien, ihre Eigenarten sind, dass eine sehr dünne, meisstens 1-15 mikrometer dicke Beschichtung (auf Englisch:

Titel: Beschichtungen, Oberflächenbeschichtungs-TechnologienLektion: PVD, CVD -Beschichtungstechnologien Autor/Verfasser: Zsoldos Ibolya

Modul 3.: Beschichtungen, Beschichtungstechnologien

Lektion 2.: PVD, CVD BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIENZiel: Überblick verschiedener, moderner Beschichtungserfahren, Darstellung der enzelnen Technologien, im Fokus die chemische-physikalische Grundlagen der PVD und CVD Verfahren, und ihre Anwendungsbereiche.

Erwartungen:Sie haben den Lehrstoff angelernt, wenn Sie folgende Fragen beantworten können:

Wählen Sie die industriebedingte Beschichtungstechnologien aus, Wählen Sie die charakteristische Dicke der Dünnschichttechnologie aus Wählen Sie die Anwendungsbereiche der Dünnschichtbelage, Wählen Sie die wichtigten Anwendungen der Dünnschichttechnologie im

Maschinenbau aus, Wählen Sie die Typen der Dampfpfasenabscheidungs-Technologien aus, Definieren Sie die Prinzipien der PVD- und CVD Dünnschicht-

Beschichtungstechnologien aus, Wählen Sie die Parameter der PVD- und CVD- Dünnschicht

Beschichtungstechnologie aus vékonyréteg, Zählen Sie die verschiedene PVD- Technologien auf, Wählen Sie die grundsätzliche Unterschiede zwischen den PVD-Technologien aus, Beschreiben Sie die verschiedenen PVD-Verfahren, und den Beschichtungsvorgang, Gruppieren Sie die Elemente und deren Namen der PVD-Anlagen, Zecihnen Sie die Schemazeichnung einer PVD-Anlage auf, Zählen Sie die am häufigsten verwendeten PVD-Beschichtungswerkstoffe auf Beschreiben Sie die Eigenschaften der PVD- Beschichtungswerktoffen, Notieren Sie die wichtigsten und charakteristischen chemische Reaktionsgleichungen

in der CVD-Technologien, Zählen Sie die bekanntesten CVD- Beschichtungswerkstoffe und deren Eigenschaften

auf, Definieren Sie die Eigenschaften der CVD-Beschichtungswerkstoffe, Beschreiben Sie den Arbeitsvorgang des CVD- Verfahrens, Zeichnen Sie eine Schematische Zeichnung des CVD- Verfahrens.

Zeitaufwand: 120 min

Schlüsselbegriffe: Dünnschicht, Trägerstoff, Substrat, Dampfphasenabscheidung, Schichtaufbaugeschwindigkeit, TiN- Verbindungsschicht, Erhöhung der Verschleissfestigkeit, funktionale Beschichtungen, dekorative Beschichtungen, PVD- Verfahren, CVD-Verfahren, ionenstrahlgestützte Beschichtung , Lichtbogenverdampfen , reaktives Ionenplattieren

1. Allgemeine Beschreibung der Beschichtungsverfahren

Aufgabe: notieren und lernen Sie: woher stammen die neuesten Entwicklungen der Beschichtungstechnologien und

deren breite Anwendung in der Industrie, Welche Dicke und Werkstoffe für die Dünnschichttechnologien charakteristisch sind welche funktionale Bestimmungen die Dünnschichttechnologien haben,

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in welchen Bereichen des Maschinenbaus sind die Dünnschichttechnologien verbreitet.

Die ausgebreitete Industrieanwendung der Beschichtungsverfahren ist mit den in der Entwicklung von elektronischen Technologien in den letzten Jahrzehnten in der Forschung und in der Entwicklung erzielten Erfolgen stark verbunden.Die Beschichtungsverfahren zählen zu den Dünnschichttechnologien, ihre Eigenarten sind, dass eine sehr dünne, meisstens 1-15 mikrometer dicke Beschichtung (auf Englisch: coating) auf der vorher sehr gründlich gereinigten Oberfläche des Substrats hergestellt wird. Besondere Eigenschaft dieser metallartigen (z.B. Alu) aber grossteils chemischen (z.B. Titannitrid) Beschichtungen, dass die Diffusion eine nicht bedeutende Rolle in der Gestaltung der Verbindung (Haftug) zwischen Beschichtung und Substrat spielt. Die Beschichtungen können bestimmungsgemäss als funktionäre (wie tribologische, optische, korrosionschutzende, Isolierbeschichtungen) oder als dekorative (z.B. verschiedene koloristische Beschichtungen von Schmuck oder von anderen Ziergegenständen) Beschichtungen eingestuft werden. Der Industrieeinsatz der verschiedenen Beschichtungsverfahren ist besonders in der Produktion der ausgebreiteten Bearbeitungswerkzeugen verbreitet. Die meissten hartmetallbestückte Fräswerkzeuge werden mit solchen, besonders verschleissbeständigen Beschichtungen versehen.

Aufgabe: notieren und lernen Sie: in welche Hauptgruppen die Gasphasenabscheidungstechnologien eingestuft werden

können, wie wird die Substratoberfläche vor der Behandlung vorbereitet, wie sind die Schichtaufbaugeschwindigkeiten bei den zwei Hauptgruppen,

In der Industrie verwendeten, vielfältigen Gasphasenabscheidungen werden grundsätzlich in zwei Gruppen eingestuft:

physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition), chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapour Deposition).

Bei den Beschichtungsverfahren werden- in erster Linie zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Oberfläche – chemische Verbindungen, Legierungen und Kompositwerkstoffe auf fein geschliffene oder polierte, bzw. mit Sonderverfahren gereinigten Substratoberflächen (Anwendung von Ultraschallreinigung) kondensiert. Die so enstehende Schichten sind kompakt, und ihre Zusammensetzung und Dichte (zw. 0,1…15 μm) kann während des Beschichtungsverfahrens laufend geregelt und geändert werden. Die Schichtaufbaugeschwindigkeit ist:

bei den PVD-Technologien ca. 1-100 μm/Stunde, bei den CVD- Technologien ca. 1- 3 μm/Stunde.

Aufgabe: notieren und lernen Sie, welche grundlegende Unterschiede zwischen PVD und CVD- Technologien hinsichtlich Ablaufs der chemischen Reaktionen abspielt.

Die Grundlage der PVD- und CVD- Verfahrens ist, dass beim Aufbau des aufgetragenen Schichtes die entsprechenden chemischen Reaktionen auf der Substratoberfläche enstehen, somit wird die Gleichmäßigkeit der Beschichtung gewährleistet.

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Bei den PVD-Beschichtungsverfahren beinhaltet die Dampfphase keine umwandelbare Werkstoffe, oder die Auflösung des vorhandenen Werkstoffes noch in der Dampfpfhase auf physikalischem Weg abläuft. Bei den CVD-Verfahren wird es mit thermochemischem Zerfall und mit neuer Reaktion von irgendwelchem Werkstoff (oder Werkstoffe) erreicht.In beiden Beschichtugsverfahren ist sehr wichtig, dass die zur Schichtaufbau nötigen Reaktionen auf der Substratsoberflächen abläufen:

Diese Bedingungen werden bei den CVD- Verfahren mit der hohen Temperatur des Subtrats (zu beschichtendes Werkstoff) so erreicht, dass der Temperaturwert im Gasraum unter dem zu der Reaktion benötigten Wert bleibt.

Bie den PVD-Technologien wird das gleiche mit Anwendung von anderen Parametern so erreicht, dass irgendeiner gegorene Zustand von Gas (z.B. Plasma, thermische Gährung usw.) auf der Substratsoberfläche erlischt wird (z.B. Niederschlag auf kalte Fläche, Elektronabgabe- oder Ionneutralisieungszwang, usw.).

Aufgabe: notieren und lernen Sie, warum die Verminderung der Behandlungstemperatur bei den Dünnschichttechnologien so wichtig ist.

Eine wichtige Zielsetzung der auch heutzutage laufenden Forshungsarbeiten, dass die Behandlungstemperatur, was entscheidende Auswirkung auf Schichtenaufbau-Geschwindigkeit, und auf die Eigenschaften des Substrats hat, möglichst niedrig zu halten, minimalisieren. Je niedriger die Beschichtungstemperatur liegt, desto grösser ist der Kreis der Werkstoffe (Legierungen), bei denen diese Technologie verbreitet werden kann. Bei bestimmten Werkstoffen ist die Anwendbarkeit dieser Beschichtungstechnologie vorweg eingeschränkt ist, da die Eigenschaften des Substrats von der hohen Temperatur des Beschichtungsverfahrens nachteilig beeinflusst wird, und die nicht erwünschte Veränderung der Mikrostruktur (Regenerierung, Phasenumwandlung, Veränderung der Mikrostruktur) unter anderem auch zur Abschwächung des Grundwerkstoffes führen kann.

Es sind mehrere CVD- und PVD-Technologien in Anwendung. Die verschiedene Beschichtungen, Werkstücke verlangen unterschiedliche Parameterauswahl. In der Tabelle 1 sind die Abkürzungen der verschiedenen Verfahren auf Englisch und auf Deutsch aufgelistet.

Aufgabe: Beobachten Sie, die Namen der verschiedenen Beschichtungsverfahren weisen immer auf Anwendung von unterschiedlichen Effekten bei den Dampfphasentechnologien auf.

Tabelle 1.: Abkürzungen der verschiedenen Verfahrensarten, Benennungen auf Englisch und auf Deutsch

PVD Physical Vapour Deposition physikalische GasphasenabscheidungDS-PVD Diode Sputtering-PVD Diode Sputtering PVDMS-PVD Magnetron Sputtering-PVD Magnetronos Sputtering PVD

LPPD Low Pressure Plating Deposition Niederdruck BeschichtungCVD Chemical Vapor Deposition chemische Gasphasenabscheidung

EARE Enhanced ARE Reaktívverdampfen mit erhöhter Aktivität

IP Ion Plating Ionos Beschichtung

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ARE Activated Reactive Evaporation Aktive Reaktivverdampfen

Aufgabe: notieren Sie, mit welchen Eigenschaften die PVD und CVD –Beschichtungen qualifiziert werden. Bemerken Sie sich diese Eigenschaften.

Die wichtigsten Parameter bei den CVD- und PVD- Beschichtungsverfahren bez. Anwendung:

charakteristische Zusammensetzung der Beschichtung (z.B. TiN), Typ (z.B. hart, verschleisfest) Kennfarbe (z.B. Goldgelb) Beschichtungsverfahrensart, Temperatur des Beschichtungsverfahrens [ºC], Schichtenstruktur (mono-, multi-, gradiens-, nano-), Schichtdicke [μm], Micro- oder Nanofestigkeit (HV0,05), Reibungsfaktor (auf trockenem Stahl), Wärmeleitzahl [W/m·K], Thermische Stabilitätstemperatur (Oxidationstemperatur) – max. Einsatztemperatur

[ºC], restliche (Druck) Spannung der Beschichtung [GPa], Beschichtungswerkstoffe, Korrosionsbeständigkeit, Wasserlöslichkeit, Neubeschichtbarkeit, Anwendungsvorschläge.

Aufgabe: notieren und lernen Sie, welche Beschichtungswerkstoffe zur Verlängerung des Lebensdauers von Stanz-, Locher- und Formerwerkzeugen verwendet werden.

Die Tabelle 2 umfasst Beispiele, welche Beschichtungen bei Stanz-, Locher- und Formerwerkzeugen zur Verlängerung des Lebensdauers zu empfohlen sind. In der Tabelle sind meisst Werkstoffe mit Titankarbid-, Titannitrid-, Chromkarbidkeramiken aufgelistet. Die Abkürzung MoSTTM ist im Handel ein bekannter Werkstoffname, der MoS2

(Molibdensulfid) ist ein fester Schmierstoff, was im allgeimeinen zur Reibverminderung verwendet wird.

Tabelle 2. Anwendungsabhängig empfohlene PVD- és CVD-Beschichtungen Anwendung Gut Besser Am besten

Stanzen (Piercing) TiN TiCNCVD TiC/TiN MoSTTM

(Blech)schneiden (Blanking) TiN CVD TiC/TiN TiCN

Feinschneiden (Fine Blanking) TiN TiCN MoSTTM

(Tief)gezogener (Drawing),Bördeln (Flanging),

Profilformung (Forming),Extrusion (Extrusion)

CrNCVD TiC/TiN

oderTiCN

CVD TiCoder

MoSTTM

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Kaltnieten (Cold Heading) / Schlagpresse (Impact Extrusion) TiN CVD TiC/TiN MoSTTM

Dier Tabelle 3 zusammenfasst, welche Beschichtungswerkstoffe im Durchschnitt bei den PVD und CVD- Technologien verwendet werden. Die Tabelle enthält Daten über die Zusammensetzung, Farbe, Beschichtungstechnologien und deren Parameter, über Beschichtungsdicke, über die Eigenschaften der Beschichtung, über Beschichtungswerkstoffe, und Empőfehlungen zur Anwendung. Es wird betont, dass die Fachliteratur sämtliche Empfehlungen zur richtigen Auswahl und Anwendung des entsperechenden Beschichtungswerkstoffes beinhaltet.

Aufgabe: (Sie müssen den Inhalt der Tabelle 3 nicht detailliert lernen.) Studieren Sie die Tabelle 3. Trennen Sie die Reihen über die Zusammensetzung, Farbe, Technologie und deren Parameter, Schichtdicke, Beschichtungswerkstoff-Eigenschaften, Beschichtungswerkstoffe, und Empfehlungen zur Anwendung. Als Beispiel vergleichen Sie die Daten von TiN und MoS2.

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2. PVD Verfahren (physikalische Dampfphasenabscheidung)

Aufgabe: notieren Sie die grundlegende Eigenschaften der PVD-Technologie: Dampfphasenbildungsarten, Temperatur.

Beim Dampfphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition PVD) wird das Ausgangsmaterial oder die Komponente (die umwandelbare Verbindungen nicht beinhalten) des erstellbaren Belages mit physikalischen Methoden (Verdampfung, Zerstäubung) aus dem festen Zustand in die Gasphase übergeführt, und die so entstehende Beschichtungsbestandsteile werden auf die Oberfläche der zu beschichtenden Substrates geführt und kondensiert und die Zielschicht gebildet.

Die Behandlung passiert in einem sehr starken Vakuum, und die maximale Temperatur der Substratsoberfläche ist nicht mehr als 550 C. Das PVD-Verfahren kann sehr vorteilhaft auch bei Beschichtung von vorher fertiggespänte, bzw. gehärtet- angelassenen Rapidstahlwerkzeugen, z.B. bei max. 4 m TiN-Belag, verwendet werden. Bei den Werkzeugstählen, die auf gesiegerte Verfestigung geneigt sind, tritt bei den Phasenumwandlungen die bekannte Massänderung oder hochgradiges Anlassen (Glühfrischen) nicht ein.

Die Tabelle 4 fasst die bei den PVD- Beschichtungen verwendbare Werkstoffarten zusammen. Am häufigsten werden die Stahlkarbide, Stahlnitride, Stahloxyde, Stahlboriden verwendet. Seltener kommen auch Silizide, Sulfide, Phosphide, eventuell Hybride auch vor.

Aufgabe: (Sie müssen den Inhalt der Tabelle 4 nicht detailliert lernen.) Studieren Sie die Tabelle 3. Beobachten Sie, welche Verbindungen/Werkstoffe bei den PVD-Beschichtungswerkstoffen am häufigsten verwendet werden.

Tabelle 4.: bei PVD- Beschichtungen verwendeten Werkstoffe

Die Auflösung des ausserordentlich sauberen, und feinen Beschichtungswerkstoffes (Stähle,

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z.B. Titan, Chrom oder Alu) wird entweder mit Hilfe der Temperatur (Verdampfung) oder durch einfallende Ionen durchgeführt. Gleichzeitig wird auch ein reaktives Gas (z.B. Nitrogen, oder kohlenhaltiges Gas, zwecks Entstehung Nitride oder Karbide) eingeführt. Das reaktive Gas aktiviert die Stahldämpfe, und der entstehende Werkstoff wird als eine Haftdünnschicht auf den Werkzeugen und auf den Maschinenelementen andampfen. Um überall die gleiche Schichtdicke zu erreichen, müssen die Substrate während des Beschichtungsverfahrens mehreren Achsen entlang gleichmäßig gedreht werden.

Im Weiteren werden die Prinzipien von drei PVD-Verfahrensarten erläutert.

Ionenstrahlgestützte Deposition (ionenstrahlgestützte Beschichtung IBAD)

Aufgabe: Notieren Sie die Schritte der ionstrahlgestützten Beschichtung auf. Zeichnen Sie die Schemazeichnung der ionstrahlgestützen Beschichtungsanlage auf.

Das Prinzip der reaktiven ionenstrahlgestützten Beschichtung wird in der Abbildung 1 gezeigt. Als erster Schritt werden die zu beschichtende Substrate (Nr. 4 in der Abbildung) in einer Kammer erhitzt. Danach erfolgt die Verdampfung mehrerer Metalle (Metallbleche, in der Abbildung Nr. 3) mit Argonionbestrahlung. Das Metall muss sehr rein sein, das ist eine sehr wichtige Bedingung bei der Haftung der neu entstehenden Beschichtung. Dann werden auf die Metalle grosse negative Spannungen aufgeschalten. Die hier entstehende elektrische Gasentladung führt zur Enstehung von Argonionen. Diese Argonionen beschleunigen sich wegen grosser Spannung in Richtung Metallquellen, welche dabei verdampft werden. Nach Verdampfen wird in die Kammer reaktives Gas eingeführt, was den Nichtmetallkomponent der Keramikbeschichtung beinhaltet (z.B. das reaktive Gas ist bei Nitriden das Nitrogen, bei Karbiden ein kohlenhaltiges Gas). Der Metalldampf tritt mit dem in die Kammer geführten reaktiven Gas in Reaktion. Als Ergebnis entsteht auf der Substratsoberfläche eine dünne, kompakte Schicht mit der erwünschten Struktur und Zusammensetzung. Für dieses Verfahren ist die realtiv niedrige Temperatur (kleiner als 250 0C) sehr charakteristisch.

1: Argon Gas2: Reaktives Gas3: Reinmetall4: Abeitsstück5: Vakuumpumpe

Abbildung 1: Prinzipdarstellung reaktiver Ionstrahlung

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Lichtbogenverdampfen (Arc evaporation)

Aufgabe: Notieren und lernen die Schritte des Lichtbogenverdampfenverfahrens. Zeichnen Sie auf und lernen Sie das Schaltbild der Lichtbogenverdampfanlage.

Das Prinzip des Lichtbogenverdampfverfahrens wird in der Abbildung 2 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird ein Lichbogenstrahl mit einigen Mikrometerdurchmessern auf die Metall- Beschichtungswerkstoff gestrahlt, was dadurch verdampft wird. Grossteil des verdampften Materials wird wegen der verwendeten grossen Stromstärke und Leistungsdichte ionisiert und es bildet ein Grossenergieplasma. Die Metallionen treten mit der in die Kammer geführtes reaktives Gas in Reaktion, und die so entstehende Moleküle (z.B. Krbide, Nitriden, Oxyde) werden auf der zu beschichtenden Werkzeug- oder Ersatzteiloberflächen mit grosser Energie kondensiert. Hier ensteht eine fest haftende Schicht.Für dieses Verfahren ist eine höhere Temperatur (kleiner als 500 0C), als bei ionenstrahlgestützten Verdampfen charakteristisch.

1: Argon Gas2: Reaktives Gas3: Stahlquelle und Lichtbogeneinführung4: Werkstücke5: Vakuumpumpe

Abbildung 2: Lichtbogenverdampfen-Prinzipdarstellung

Reaktives Ionenplattieren (ionplating) Aufgabe:

Notieren und lernen Sie den Ablauf des reaktiven Ionplattierung Zeichnen Sie auf und lernen Sie das Schema der Ionenplattierungsanlage.

Das Prinzip des reaktiven Ionplattierens wird in der Abbildung 3 gezeigt. Das Metall (Nr. 5) wird in einen Tiegel (Nr. 6) gelegt, und das Verdampfen beginnt mit Elektronenbestrahlung (Elektronenbestrahlungsquelle Nr. 1.). Als Folge der Niederspannungsbogenentladungen (Nr.

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7) entsteht ein Grossenergie-Entladungsplasma. In die Kammer wir reaktives Gs eingeführt. Die Metalldämpfe treten mit dem reaktiven Gas in Reaktion. Auf den zu beschichtende Werkstücken wird negative Spannung geschalten. Die entstehenden Moleküle beschleunigen sich in Richtung negative Spannung und werden auf die Oberfläche des Werkstückes kondensiert.Hier ensthet eine sehr fest gebundene Dünnschicht. Für diese technologie ist ca. die gleiche Temperatur, wie bei dem Lichtbogenverdampfen (kleiner als 500 0C) charakteristisch.

1: Elektronstrahl-Quelle2: Argongas3: reaktives Gas4: Werkstücke5: Metallquelle6: Tiegel7: Niederspannungs- Bogenentladung8: Vakuumpumpe

Abbildung 3: Prinzipdarstellung reaktíves Ionenplattieren

3. CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung)

Aufgabe: notieren und lernen Sie die grundlegende Eigenschaften der CVD-Technologie: Dampfbildende Methoden, Temperaturen.

In der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition CVD) werden zwei oder mehre, Dampf- bzw. Gaswerkstoffe mit definierter Zusammensetzung - bei entsprecheneder Temperatur- in chemische Reaktion gebracht, wobei in der Nähe der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstoffes thermochemischer Zerfall und weitere Reaktionen sich abspielen. Das so entstehende Gasdampfreaktionsprodukt auf der Substratsoberfläche kondensierend bildet dort einen festen Belag und normalerweise enstehen auch weitere Nebenprodukte. Dieses Verfahren geschieht, wie das PVD auch, im Vakuum, aber die Verfahrenstemperatur ist hier grösser, es liegt zumeist im 850-1050 C Bereich.Da das Werkstück bedeutender Hitzebehandlung ausgesetzt ist, wird dieses Verfahren hauptsächlich für Oberflächenbeschichtung von Hartmetallstahlwerkzeugen verwendet, die erreichbare max. Schichtdicke kann hier sogar 10 m auch sein.

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Einige charakteristische Reaktiongleichungen, wie Behandlungstemperatur, erreichbare Schichtdicke und max. Härte auf der Oberfläche sind in der Tabelle 5 zusammengefasst.

Aufgabe: Studieren Sie die chemische Gleichungen der in der Tabelle 5 aufgelisteten zu CVD-

Technologie gehörenden Beschichtungswerkstoffe, vergleichen Sie die charakteristische Temperature, die Schichtdicken und die Härte

Notieren Sie und lernen Sie zur TiC, TiN und Al2O3 gehörende chemische Gleichungen

Tabelle 5. Einige charakteristische CVD- Reaktionen

Schicht Entstehungsreaktion

Trägergas

Temperatur(K)

Schichtdicke (μm)

Härte (HV)

TiCTiCl4 + CH4 →TiC + 4 HClTiCl4 + C + 2 H2 →TiC + 4 HCl H2

1200…1350 6…8 >3000

Cr7C3

CrCl2 + H2 → Cr + 2 HCl7 CrCl2 + 3 CH4 → Cr7C3 + 14 HCl Ar 1200…

1400 8…12 ~2000

W2C

2 WF6 + C6 + 13 H2 → W2C + 5 CH4 + 12 HF2 WF6 + CH4 + 4 H2 → W2C + 12 HF Ar 600…

800 20…50 ~2000

Al2O3

2 AlCl3 + 3 CO2 + 3 H2 → Al2O3 + CO + 6 HCl H2

1100…1500 2…4 >2400

TiN 2 TiCl4 + N2 + 4 H2 → 8 HCl + 2 TiN H2950…1300 5…10 >1800

Aufgabe: Notieren und lernen Sie:

die Temperaturregulierungsart, die Vorteile und Einschränkungen des Anwendung der CVD-Technologie

Die Temperatur des im Reaktuionsraum liegenden Substrats muss für den den Bedingungen der geplanten chemischen Reaktion entsprechenden Wert eingestellt werden, die von den Trägergasen soll niedriger sein, damit die Reaktion auf der Trägeroberfläche zustande kommen kann. Die Schichtaufbaugeschwindigkeit wird vom auf der Oberfläche entstehenden Gleichgewichtszustand beeinflusst. Die stöchiometrische Rate der hergestellten Schichten kann mit der Dosierung des Reagensgas reguliert werden, und mit einer entsprechenden Gasdosierung besthet auch die Möglichkeit, das zur gleichen Zeit mehrere Elemente, chemische Verbindungen abgeschieden werden. Die so enstehenden Schichten verfügen über großen Reinheitsgrad, bilden gute Verbindungen zum Substrat und sind konturtreu. Sogar die Werkstücke mit komplizierter Geometrie können mit einer relativ homogenen Schicht versehen werden.

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In vielen Fällen ist die hohe Temperatur des Schichtaufbaus sehr schwer beseitbar (z.B. bei einigen Stahltypen), oder kann sogar ein unüberwindliches Problem bedeuten (z.B. bei Kunststoffen). Bei Stählen besteht das Problem darin, dass die gewohnte Temperatur bei CVD-Verfahren die Temperatur des Stahlaustenitverfarens übersteigt. Wenn es nach der Behandlung die Möglichkeit auf eine „in stu“ Härtung nicht besteht, so wird das Werkstück bei der Abkühlung nach der Beschichtung weichgeglüht.Die nachträgliche Veredlung-Wärmebehandlung ist ein sehr schwieriger Arbeitsvorgang, da es in einer Schutzatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt werden soll, und zwar so, dass weder die neu enstandene Beschichtung nicht beschädigt wird, noch das Werkstück sich nicht deformiert. Die Beschichtung mit manchen Werkstoffen (z.B. ZrC, HfC, TaC) sogar auf Hartmetallsubstrate bedeutet wegen der zu hohen Reaktionstemperatur (~1600 ºC) eine sehr grosse Aufgabe.

Die verschiedene Verfahrensarten können aufgrund unterscheidet werden, ob das Beschichtungswerkstoff in Dampfzustand mit Dampfen oder Zerstäubung umwandelt, bzw. die Reationen nur durch Wärme (Wärmebehandlung) oder Plasmaaktivierung unterstützt wird. Die Abbildung 4 wird als Beispiel die Schemazeichnung eines TiC- CVD- Verfahrens gezeigt.

Aufgabe: Zeichnen Sie, und lernen Sie die Schemazeichnung eines TiC CVD-Verfahrens.

Abbildung 4.: Prinzipdarstellung einer CVD-Technologie mit Titankarbid

Literatur:

Heizung

Gasreiniger

Vorvakuum- pumpe

Reaktorraum

Vakuumpumpe

Gasreiniger

TiCI4- Dosierer

Gas-mischer

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1. Bertóti I., Marosi Gy., Tóth A.: (Szerk.) Műszaki felülettudomány és orvosbiológiai alkalmazásai B+V (Medical and Technical) Lap- és Könyvkiadó Kft. Budapest, 2003.2. Bagyinszki Gyula, Bitay Enikő: Felületkezelés, Műszaki Tudományos Füzetek 5, Erdélyi Múzeum Egyesület, Kolozsvár, 2009.3. Davis J.R (editor): Surface engineering for corrosion and wear resistance, ASM International, Materials Park, USA 2001.4. Sudarsan T.S. (editor) Chemical Vapor Deposition, Surface Engineering Series, Volume 2, ASM International, Jong-Hee Park, USA 2001.5. Mattox D.M..: Handbook of Physical Vapor Deposition, (PVD) Processing, William Andrew Publishing –Noys, 1998.6.Oerlikon Katalog, WEB Adresse: http://www.oerlikon.com/ecomaXL/index.php?site=BALZERS_EN_coating_technology

Kontrollfragen:

1. Wählen Sie aus, woher stammen die neuesten Entwicklungen und die weitverbreiteten Industrieanwendungen der Beschichtungstechnologien?

Raumtechnik Verteidigungsindustrie Medizintechnik elektronische Technologien

2. Wählen Sie die richtige Antwort aus: in welchen Maschinenbaubereichen sind die Dünnschicht- Beschichtungen im Allgemeinen verbreitet?

Spanwerkzeugproduktion Formwerkzeugproduktion Gusswerkzeug-Produktion Kunststoff-Gusswerkzeugporduktion

3. Wählen Sie die richtige Antwort aus: welche sind die Hauptgruppen der Dampfabscheidtechologien?

PVT und CVT PVD und CVD Plasmabeschichten und CVD Plasma- und Teilchenbeschichten

4. Wählen Sie die richtige Antwort aus: welche sind die Schichtaufbaugeschwindigkeiten bei den PVD und CVD-Technologien?

Bei PVD-Technologien ca.. 1-100 mm/h, bei den CVD-Technologien ca. 1- 3 mm/h Bei PVD-Technologien ca. 1-100 μm/h, bei den CVD-Technologien ca. 1- 3 μm/h Bei PVD-Technologien ca. 1- 3 mm/h, bei den CVD-Technologien ca. 1-100 mm/h Bei PVD-Technologien ca. 1- 3 μm/h, bei den CVD-Technologien ca. 1-100 μm/h

5. Wählen Sie die richtige Antwort aus der Aufzählung aus: mit welchen Eigenschaften werden die PVD- und die CVD-Beschichtungen qualifiziert?

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Härte, Verschleissfestigkeit, Schmelzpunkt, Beschichtungswerkstoffe, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfaktor

Härte, Verschleissfestigkeit, Schmelzpunkt, Beschichtungswerkstoffe, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeübertragungsfaktor

Härte, Verschleissfestigkeit, Beschichtungstemperatur, Beschchtungswerkstoffe, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfaktor

Härte, Verschleissfestigkeit, Beschichtungstemperatur, Beschichtungswerkstoffe, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeübertragungsfaktor, Reissfestigkeit

6. Wählen Sie die richtige Antwort aus der Aufzählung aus: welche Beschichtungswerkstoffe werden zur Verlängerung des Lebensdauers von Schneid-, Locher- und Verformwerkzeugen verwendet?

Titandioxid, Titannitrid, Chromkarbid, MoST Titankarbid, Titandioxid, Chromkarbid, MoSTTM Titankarbid, Titannitrid, Chromkarbid, MoSTTM Titankarbid, Titannitrid, Chromoxid, MoS

7. Wählen Sie aus der Liste die Eigenschaften der TiN und MoS2 und die Grössenordnung der bei den PVD-Technologien verwendeten Temperaturen aus (2 Antworten).

Der MoS2 ist ein harter, verschleissbeständiger Beschichtungswerkstoff, die MoS2 wird auf die Hartschicht wegen seinem kleinen Reibungsfaktor und weil es ein ausgezeichneter Festschmierstoff ist, aufgetragen

Der TiN ist ein harter, verschleissbeständiger Beschichtungswerkstoff, der MoS2- Schicht wird auf die Hartschicht wegen seinem kleinen Reibungsfaktor und weil es ein ausgezeichneter Festschmierstoff ist, aufgetragen

Der TiN ist ein säurefester Beschichtungswerkstoff, der MoS2 wird auf die Hartschicht wegen seinem kleinen Reibungsfaktor und weil es ein ausgezeichneter Festschmierstoff ist, aufgetragen

Die Beschichtungstemperatur der CVD- Technologie ist bei TiN 350-500 0C, und bei MoS2 150 0C

Die Beschichtungstemperatur der CVD- Technologie ist bei 150 0C, und bei MoS2 350-500 0C

Die Beschichtungstemperatur der PVD-Technologie ist bei TiN 350-500 0C, und bei MoS2-nál 150 0C

8. Stellen Sie die Reihenfolge der technologischen Prozesselemente der ionstrahlgestützten Beschichtung zw. 1-7 auf.

die Argonionen beschleunigen sichwegen der grosser negative Spannung in Richtung Metallquellen welche dabei verdampft werden (4)

die elektrische Gasentladung führt zur positiven Argonionentstehung (3) Erhitzung der zu beschichtenden Werkstücke (1) die verdampften Teilchen treten mit dem in die Kammer geleiteten Gas in Reaktion

(6) reaktives Gas wird in die Kammer eingeleitet (5) auf die Metallquellen wird grosse negative Spannung geschalten (2)

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auf der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstoffes entsteht eine dünne, kompakte Materialschicht (7)

9. Schreiben Sie die richtigen Zahlen der Abbildung zu den einzelnen Benennungen der Aufzählung so, dass das Technologieprinzip des PVD- Verfahrens richtig wird.

(1) Argongas(2) Reaktíves Gas(3) Reine Metallquelle(4) Werkstücke(5) Vakuumpumpe

10. Stellen Sie die richtige Reihenfolge der technologischen Elemente des Lichtbogenverdampfens als PVD-Verfahren zw. 1-5 auf.

Die Metallionen treten in der Kammer mit dem in die Kammer eingeleiteten Gas in Reaktion. (4)

Reaktives Gas wird in die Kammer eingeleitet. (3) Ein Lichtbogen mit einigen Millimeter Durchmesser wird durch den festen

Metallwerkstoff geführt, wobei der verdampft wird. (1) Die entsehende Werkstoffmoleküle kondensieren sich mit grosser Energie auf der zu

beschichtenden Werkzeug oder Ersatzteil. (5) Der Grossteil des verdampften Beschichtungswerkstoffs wird wegen der im Prozess

verwendeten grossen Stromstärke und Leitungsdichte ionisiert, und Grossenergieplasmen gebildet. (2)

11. Tragen Sie die richtigen Zahlen neben die Benennungen so ein, dass das Prinzip der Lichtbogenverdampfen PVD-Technologie korrekt dargestellt wird.

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(1) Argongas(2) reaktíves Gas(3) Metallquelle und Einführung Lichtbogen(4) Werkstücke(5) Vakuumpumpe

12. Mit dem Eintrag der richtigen Zahlen zw. 1-7 definieren Sie die richtige Reihenfolge der in der Aufzählung stehenden Komponenten so, dass die Reihenfolge der Komponenten richtig wird, und als Ergebniss die korrekte chemische Gleichgung der TiC-Herstellung rauskommt.

TiCl4 (1. oder 3.) + (2. oder 6.) CH4 (1. oder 3.) → (4.) TiC (5. oder 7.) + (2. oder 6.) 4HCl (5. oder 7.)

13. Mit dem Eintrag der richtigen Zahlen zw.1-8 definieren Sie die richtige Reihenfolge der in der Aufzählung stehenden Komponenten so, dass als Ergebnis die korrekte chemische Gleichung der TiN-Herstellung dasteht.

2TiCl4 (1. oder 3. oder 5.) + (2. oder 4. oder 8.) N2 (1. oder 3. oder 5.) + (2. oder 4. oder 8.) H2 (1. oder 3. oder 5.) → (6.) 2TiN (7. oder 9.) + (2. oder 4. oder 8.) 8HCl (7. oder 9.)

14. Wählen Sie die richtige Temperaturregelungsart bei der CVD-Technologie aus. Die Temperatur des Substrats muss den geplanten chemischen Reaktion entsprechend,

die der strömenden Gas höher als das eingestellt werden, damit die Reaktion noch im Reaktorraum ablauft.

Die Temperatur des Substrats muss der geplanten chemischen Reaktion entsprechend, die des strömenden Gases niedriger, als das eingestellt werden, damit die Reaktion noch im Reaktorraum abläuft.

Die Temperatur des Substrats muss der geplanten chemischen Reaktion entsprechend, die des strömenden Gases höher als das eingestellt werden, damit die Reaktion auf der Oberfläche des Trägerstoffes abläuft.

Die Temperatur des Substrats muss der geplanten chemischen Reaktion entsprechend, die des strömenden Gases niedriger, als das eingestellt werden, damit die Reaktion auf der Oberfläche des Trägerstoffes abläuft.

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15. Tragen Sie die richtigen Zahlen der Abbildung neben die Benennungen so ein, dass das Prinzip der CVD-Titankarbidbeschichtungs-Technologie korrekt dargestellt wird.

(5) Vorvakuum-Pumpe(7) Vakuumpumpe(4) Gasmischer(9) Titantetrachorid Dosierung(2) CH4 Gasdosierung(1) H2 Gasdosierung(3) Ar Gasdosierung(10) Gasreiniger(8) Erhitzung(6) Reaktorraum mit den zu beschichtenden Werkstücken

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5 · Web viewDie Beschichtungsverfahren zählen zu den Dünnschichttechnologien, ihre Eigenarten sind, dass eine sehr dünne, meisstens 1-15 mikrometer dicke Beschichtung (auf Englisch: