Sie finden ihren Einsatz vorzugsweise in der Fahrzeug-, Flugzeug-und Raumfahrtindustrie sowie im Maschinen-und Anlagenbau.

Es sind zahlreiche Bauteile bekannt, die aus einem Grundkörper und einer korrosions- hemmenden Oberflächenschicht bestehen, wobei diese Oberflächenschicht metallischer, keramischer oder organischer Natur ist. Zur Aufbringung der Oberflächenschicht auf den Grundkörper werden chemische und elektrochemische, vor allem galvanische Abscheide- verfahren benutzt. Beispiele dafür sind das Verkupfern, Vernickeln, Verchromen und Cadmieren. Schichten aus Zink und seinen Legierungen werden durch Schmelztauch- beschichten aufgebracht. Wenn die korrosionshemmende Oberflächenschicht organischer Natur ist, dann erfolgt ihre Aufbringung meist durch Spritzen oder Tauchen mit an- schließender Aushärtung bzw. Vernetzung. Es werden auch metallisch-keramische Mischschichten, z. B. aus einer keramischen Trägerschicht mit darin fein verteilten lamellenartigen metallischen Komponenten verwendet (DELTA-Tone, DACROMET) [US 4, 391, 855, US 5,131, 948].

All den Bauteilen mit korrosionshemmender Oberflächenbeschichtung ist gemeinsam, dass zu ihrer Herstellung Oberflächenbeschichtungsverfahren erforderlich sind, die mehr oder weniger umweltbelastend sind. Mit steigenden Anforderungen an die Umwelt- verträglichkeit der Herstellungsverfahren steigen auch die Kosten für eine Entsorgung von Abwässern, Abprodukten oder Lösungsmitteln an. Daneben bestehen auch erhebliche Bedenken bezüglich der toxischen Wirkungen oder physiologischen Gefährdungen, die von manchen der Materialien der Oberflächenschicht selbst ausgehen, z. B. bei Cadmium, Nickel und Chrom.

Bauteile, die eine korrosionshemmende Oberflächenschicht tragen, lassen sich im Prinzip ohne die Nachteile einer Umweltbelastung durch Vakuumbeschichtungsverfahren in einer geschlossenen Vakuumkammer herstellen. Auch in Bezug auf die Auswahl der Materialien bieten Vakuumbeschichtungsverfahren größere Freiheiten. Z. B. lassen sich solche Oberflächenschichten aus Aluminium herstellen. Allerdings haben sich solche Oberflächen- schichten bisher als nicht ausreichend korrosionsschützend erwiesen, wenn nicht weitere

teure Zusatzbeschichtungen oder/und Nachbehandlungsschritte ausgeführt werden.

Über ausreichende Korrosionsschutzwirkung von physikalisch abgeschiedenen Oberflächen- schichten mit einer Dicke von einigen bis etwa 20 Mikrometern wird bisher nur berichtet, wenn die Verfahren zu ihrer Herstellung ionen-oder plasmagestützt gestaltet werden. So wurden Aluminium-und Aluminium-Magnesium-Schichten durch Magnetronsputtern mit sogenannten"unbalanced"Magnetronquellen abgeschieden [R. I. Bates, R. D. Arnell : Microstructure of novel corrosion-resistant coatings for steel components by unbalanced magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 89 (1997), 204-212], oder es wurde eine Titanschicht auf ebenen Stahlblechen durch plasmagestütztes Elektronenstrahl-Hochrate- bedampfen abgeschieden [C. Metzner, B. Scheffel, K. Goedicke : Plasma-activated electron beam deposition. Surf. Coat. Technol. 86-87 (1996), 769-775]. Das erstere Verfahren ist wegen der zu geringen Abscheiderate beim Sputtern zu teuer, das zweite Verfahren ist bisher nicht für dreidimensional geformte Trägerkörper anwendbar.

Das aus US 3,750, 623 ; US 3,926, 147 und US 4, 116, 161 bereits seit 1975 bekannte sogenannte Mc-Donnell-Douglas-Verfahren und seine als IVD-Verfahren (lon-Vapor- Deposition) bekanntgewordene Ausgestaltung sind bisher die einzigen ionengestützten PVD-Verfahren (PVD = physical vapor deposition), die eine gewisse Anwendungsbreite in der Luft-und Raumfahrtindustrie erfahren haben. Das IVD-Verfahren ist ein PVD-Verfahren zum Aufbringen einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht auf Grundkörper mittels Verdampfungsverfahren, bei dem die in rotierenden netz-oder gitterartigen Körben bewegt werden. Es nutzt dabei eine Glimmentladung, um den Kondensationsprozess durch lonenbombardement zu aktivieren und ein dichteres Schichtgefüge zu erzielen. Mit dem Mc-Donnell-Douglas-Verfahren entstehen ebenso wie mit dem IVD-Verfahren korrosions- hemmende Überzüge, deren Korrosionsschutzwirkung jedoch ohne Nachbehandlung unzureichend ist. Deshalb ist eine aufwändige Nachbehandlung durch mechanisches Glaskugelstrahlen, eine als"peening"bezeichnete Verdichtung des Gefüges, meist gefolgt von einer Chromatier-oder Lackierbehandlung, erforderlich, um Korrosionsschutz- wirkungen zu erreichen, die dem Standard MIL-C-83488 C entsprechen. Nachteilig wirkt sich bei einer Beschichtung nach dem Mc-Donnell-Douglas-Verfahren weiterhin aus, dass die Dampferzeugung außerhalb des gitterartigen Korbes zur Aufnahme der Grundkörper erfolgt. Ein nennenswerter Teil des Dampfes, etwa 30... 50 %, geht damit für die eigentliche Beschichtung der Grundkörper verloren und ist gleichzeitig für die Bildung von Partikeln und sog. Flakes verantwortlich, die zu Beschichtungsfehlern führen. Insgesamt sind die beiden genannten PVD-Verfahren so kostenintensiv, dass ihr Einsatz im allgemeinen Maschinen-und Fahrzeugbau nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, bestehend aus einem Grundkörper und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht zu schaffen, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche frei von den Mängeln des Standes der Technik sind. Insbesondere sollen die Herstellungskosten deutlich reduziert werden und eine ausreichende Korrosions- schutzwirkung der Oberflächenschicht erreicht werden, ohne dass das Gefüge der auf- gebrachten Schicht mit mechanischen Mitteln nachträglich verdichtet werden muss.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen entsprechend Anspruch 1 gelöst.

Entsprechend den Merkmalen nach den Ansprüchen 2 bis 4 kann dieses Bauteil weiter ausgestaltet sein. Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile ist in Anspruch 5 und in weiteren Ausgestaltungen durch die Merkmale gemäß Anspruch 6 bis 14 dargelegt. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 15 beschrieben, die Ansprüche 16 bis 18 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung.

Der Kern der Erfindung liegt in der Aufbringung einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder-verbindung ausreichender Dicke und mit einer solchen Schicht- struktur auf den Grundkörper, wie sie nur durch direktes Einwirken eines sehr dichten Plasmas vergleichsweise niedriger lonenenergie während der Schichtbildung erreicht werden kann. Diese dichte, unmittelbar nach der Abscheidung bereits vorhandene Schicht- struktur macht eine zusätzliche mechanische Verdichtung der Schicht überflüssig.

Wenn dabei die Grundkörper statistisch verteilt und häufig in ihrer Lage relativ zu den Dampfquellen verändert werden und wenn das spezielle Plasma direkt während des Kondensationsprozesses und ohne elektrisch abschirmende Gitter oder Netze zwischen Plasmaquelle und den Grundkörpern bei der Schichtbildung wirksam wird, lässt sich auch bei kompliziert geformten Grundkörpern eine gleichmäßige Beschichtung hoher Güte erzielen. Eine solche Schicht ist durch ein dichtes, feinkörniges, weitgehend porenfreies Gefüge gekennzeichnet. Die Kombination aus den chemisch-physikalischen Stoff- eigenschaften und dem Schichtgefüge der Oberflächenschicht, welches im Zuge des plasmaaktivierten Schichtbildungsvorganges auf der Oberfläche der Grundkörper gebildet wird, ist der Schlüssel für die hohe Korrosionsschutzwirkung besagter Schicht. Erfindungs- gemäß beträgt die mittlere Dicke der Oberflächenschicht 1 bis 50 um, wobei eine Schicht- dicke von 10 bis 25 um bereits hervorragende Korrosionsschutzwirkungen zeigt. Die an- gegebene untere Grenze der Schichtdicke kommt nur für extrem geringe Oberflächen-

rauheit der Grundkörper und eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit in Betracht. Für höchste Ansprüche, insbesondere, wenn neben Korrosionsschutzeigenschaften auch ein dekoratives Erscheinungsbild gefordert und/oder vorgegebene tribologische Anforderungen an das Bauteil gestellt werden, dann umfasst das erfindungsgemäße Bauteil zusätzlich eine Schicht aus Chromat oder Phosphat und/oder eine Schicht aus einem organischen Material.

Diese Schichten sind in an sich bekannter Weise auf die Oberflächenschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder-verbindung aufgebracht worden. Wenn das Bauteil eine Oberflächenschicht aus einer Aluminiumlegierung enthält, so eignet sich dafür erfindungsgemäß besonders eine Aluminium-Magnesium-Legierung mit einem Magnesiumanteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent, bevorzugt von 3 bis 5 Prozent, oder eine Aluminium-Zink-Legierung mit einem Zinkanteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent, bevorzugt von 2 bis 5 Prozent. Erfindungsgemäß kann die Oberflächenschicht auch unter Wirkung eines reaktiven Gases abgeschieden sein und dann Aluminiumverbindungen wie Aluminiumoxid,-nitrat oder-carbid enthalten.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile wird in einer Vakuum- beschichtungsanlage durchgeführt. Diese enthält eine um eine waagerechte Achse dreh- bare Trommel oder Drehkorb. Im Inneren des Drehkorbes befinden sich Dampf-und Plasmaquellen. Eine Vielzahl von Grundkörpern wird zum Zweck des Aufbringens der Aluminiumschicht bzw. der Legierungs-oder Verbindungsschicht im Wesentlichen auf der Innenwandung des Drehkorbes fixiert und ein-oder mehrmals durch eine von Metall- Verdampfern erzeugte Dampfwolke geführt. Danach wird eine Durchmischung mit Änderung von Lage und Orientierung der Grundkörper relativ zu den Dampfquellen vor- genommen und die so in veränderter Lage und Richtung fixierten Grundkörper wieder ein- oder mehrmals durch die Dampfwolke geführt. Der Wechsel von Durchmischung und Fixierung der Grundkörper sowie deren Beschichtung wird so lange fortgesetzt, bis die Grundkörper allseitig und ohne Fehlstellen mit einer Oberflächenschicht der genannten mittleren Dicke versehen sind. Das Verfahren kann als kontinuierlich ablaufender Beschichtungsprozess für die Behandlung von Massengut gestaltet werden. Entscheidend für das Herstellungsverfahren ist, dass die Verdampfer im inneren des Drehkorbes an- geordnet sind und damit unmittelbar, d. h. ohne zwischengestellte Netze, Gitter oder Siebstrukturen die Schichtbildung bewirken und dass die Beschichtung mit Plasma- aktivierung erfolgt. Der Schichtbildungsvorgang findet im Plasma einer Hohlkatoden- Bogenentladung statt. Für Plasmen dieser Art sind lonenenergien von einigen bis einigen zehn Elektronenvolt und eine Ladungsträgerdichte im Bereich von über 10'°/cm3,

typischerweise über 1 01'/cm3, charakteristisch. Auch für die Wirksamkeit des Plasmas ist es wichtig, dass die Plasmaquellen im Inneren des Drehkorbes angeordnet sind und sich keine potentialbestimmenden Siebe oder Netze zwischen den Hohlkatoden-Plasmaquellen und den zu beschichtenden Grundkörpern befinden. Die unter diesen Bedingungen auf- gebrachte Oberflächenschicht weist ein dichtes, feinkörniges porenfreies Gefüge auf, welches den Korrosionsschutz des Bauteiles bewirkt.

Es ist zweckmäßig, die Fixierung der Grundkörper beim Transport durch die Dampf-und Plasmazone durch Fliehkraft zu bewerkstelligen und dafür die notwendige Mindestdrehzahl des Drehkorbes sicherzustellen.

Wenn die Grundkörper der Bauelemente aus einem ferromagnetischen Stahlwerkstoff bestehen, so kann auch eine magnetische Fixierung der Grundkörper zweckmäßig sein.

Dazu befindet sich beispielweise im oberen Bereich des Drehkorbes, jedoch außerhalb und stationär, eine Anordnung permanenter Magnete oder ein Elektromagnet mit einer Vielzahl von Polen, deren Feldlinien die Wandung des Drehkorbes durchdringen und die magnetische Fixierung der Grundkörper bewirken. Die Durchmischung der Grundkörper mit Richtungs-und Lageänderung. erfolgt, wenn die mit dem Drehkorb bewegten Grundkörper den vom Magnetfeld durchdrungenen Bereich verlassen und der Wirkung der Schwerkraft unterliegen.

Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Durchmischung mit Richtungs- und Lageänderung der Grundkörper mit Hilfe eines mechanisch wirkenden Abstreifers, der die Grundkörper nach Durchlaufen der Dampfzone von der Wandung des Drehkorbes trennt. Besonders vorteilhaft ist auch eine motorisch angetriebene, rotierende Bürste geeignet, um eine Vielzahl von Richtungs-und Lageänderungen für die Grundkörper zu bewerkstelligen.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Drehzahl des Drehkorbes häufig, vorzugsweise zeitlich periodisch, verändert, und zwar derart, dass die Drehzahl zeitweilig höher als die Drehzahl ist, bei der die Grundkörper durch Fliehkraft fixiert sind, und zeit- weilig kleiner als diese charakteristische Drehzahl, wobei sie unter der Wirkung der Schwer- kraft durchmischt und bezüglich ihrer Lage und Position verändert werden, ehe sie von neuem durch Fliehkraft fixiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens mit ferromagnetischen Grundkörpern und Fixierung der Grundkörper durch Fliehkraft erfolgt das Durchmischen der Grundkörper inklusive Richtungs-und Lageänderung durch eine Vorrichtung, die eine rotierende Walze mit inneren, ebenfalls rotierenden Magnetpolen beinhaltet. Damit kann ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der Wandung des Drehkorbes und der Abstreif- Vorrichtung vermieden und eine besonders schonende mechanische Behandlung der Grundkörper erreicht werden.

Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass die hier beschriebenen Verfahrensweisen zur statistischen Durchmischung der Grundkörper nur Beispielcharakter haben und durch andere äquivalente Schritte bzw. Vorrichtungen ersetzbar sind.

Es ist zweckmäßig, als Verdampfer ein oder mehrere, durch direkten Stromdurchgang beheizte sogenannte Schiffchenverdampfer (boat evaporator) zu verwenden, bei denen das Verdampfungsmaterial für die Oberflächenschicht in Drahtform zugeführt wird. Am häufig- sten bestehen solche Schiffchen aus Titanborid. Anordnungen aus vielen parallel neben- einander angeordneten gleichartigen Schiffchenverdampfern sind geeignet für die Durch- führung des Verfahrens in Beschichtungsanlagen mit größerer Längsausdehnung des Dreh- korbes.

Eine andere Gestaltung des Herstellungsverfahrens nutzt einen oder bevorzugt mehrere Elektronenstrahlverdampfer zur Erzeugung des Aluminiumdampfes bzw. des Dampfes der Aluminiumlegierung. In Beschichtungsanlagen kleinerer Leistung werden sogenannte Transvers-Verdampfer verwendet. In Beschichtungsanlagen großer Leistung werden erfindungsgemäß Elektronenstrahlverdampfer eingesetzt, die einen parallel zur Achse des Drehkorbes erstreckten vorzugsweise keramischen Verdampfertiegel und eine separate Erzeugungs-, Fokussierungs-und Ablenkeinheit für den Elektronenstrahl in Form einer sogenannten axialen Elektronenkanone besitzen.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet weiterhin, dass die Grundkörper vor dem Aufbringen der Oberflächenschicht zur Aktivierung ihrer Oberfläche der Wirkung eines dichten Plasmas ausgesetzt werden. Eine solche an sich bekannte Plasmavorbehandlung bewirkt eine Desorption von Fremdatomen, das Entfernen oxidischer Kontaminationen und eine energetische Aktivierung der Ober- fläche und sichert damit gute Haftfestigkeit und ein gleichmäßiges Wachstum der

korrosionshemmenden Oberflächenschicht auf den Grundkörpern. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet die Vorbehandlung und Aktivierung der Oberfläche der Grundkörper unter Ausnutzung des dichten Plasmas einer oder mehrerer Hohlkatoden-Bogenentladungen, also der gleichen Plasmaquellen, die auch für die piasmaaktivierte Abscheidung der Oberflächenschicht genutzt werden. Es ist dafür zweckmäßig, ein definiertes negatives Potential des Drehkorbes mit den Grundkörpern gegenüber dem Plasmapotential vorzugeben, um die Energie der Ionen bei der Plasma- vorbehandlung geeignet einzustellen.

Nachfolgend sollen in einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung nebst der zur Durchführung erforderlichen Einrichtung näher erläutert werden.

Beispielhaft hat das Bauteil die Funktion eins Hohlniet mit einer Länge von 6 mm und einem Schaftdurchmesser von 4 mm, wie er massenhaft ais Verbindungselement im Maschinenbau und im Fahrzeugbau zum unlösbaren mechanischen Verbinden von Maschinen-, Anlagen-und Karosserieteilen eingesetzt wird. Der Werkstoff für den Grund- körper ist der unlegierte Kohlenstoffstahl C 35 (Werkstoff-Nr. 1.0501). Erfindungsgemäß ist dieser Grundkörper allseitig mit einer im Mittel 25 pm dicken Aluminium-Legierungsschicht überzogen. Im Inneren der Vertiefung des Nietschaftes beträt die Schichtdicke etwa 15 um.

Diese Oberflächenschicht besteht aus der Aluminium-Magnesium-Legierung AlMg3 mit einem Magnesiumanteil von etwa 3 Gewichts-Prozent. Das Schliffbild der Oberflächen- schicht zeigt bei licht-und elektronenmikroskopischer Untersuchung ein dichtes fein- körniges Gefüge ohne Poren bei einer typischen Korngröße von 1 um. Es gibt kein stängeliges Schichtwachstum und damit keine Korngrenzen, die durch die gesamte Schicht hindurch verlaufen. Im Salzsprühnebeltest bildet sich nach 200 Stunden kein erkennbarer Rotrost. Eine Prüfung an zahlreichen dieser Bauteile ergibt, dass sie den Anforderungen des im Flugzeugbau verbreiteten Standards MIL-C-83488 C entsprechen.

Das Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der Oberflächenschicht aus AlMg3 auf den Grundkörper beinhaltet einen PVD-Prozess, der in einer Vakuumbeschichtungsanlage durchgeführt wird.

Die Hauptkammer der Beschichtungsanlage hat ein Volumen von etwa 1 Kubikmeter und nimmt einen wassergekühlten Drehkorb mit einem Durchmesser von 800 mm und einer Länge von 700 mm auf. Der Drehkorb ist einseitig waagerecht gelagert und mit einem Motor angetrieben, er rotiert typischerweise mit 72 Umdrehungen pro Minute. Die Mantel-

fläche des Drehkorbes ist geschlossen. Auf der Stirnseite gegenüber dem Drehantrieb ist eine feststehende Traverse angebracht, die als Montageplatte für sechs nebeneinander in einem gegenseitigen Abstand von 100 mm angeordnete Schiffchenverdampfer mit je einem TiB2-Schiffchen und einer Drahtvorschubeinrichtung sowie drei Hohlkatoden- Plasmaquellen dient. Die Schiffchenverdampfer werden mit je 800 A bei 15 V geheizt. Mit dem Drahtvorschub wird eine Verdampfungsrate von 5 Gramm je Minute und Verdampfer eingestellt. Der Draht hat die Zusammensetzung und Qualität AlMg3 F22. Die Hohlkatoden- bogenentladungen brennen jeweils bei einem Argon-Einlass von 80 sccm mit 300A bei einer Brennspannung von 30... 35 V zwischen jeder Hohikatode und zwei symmetrisch zwischen den Schiffchenverdampfern angeordneten, als Anode geschalteten Elektroden.

Die Beschichtungsanlage arbeitet quasi-kontinuierlich ohne Vakuumunterbrechung. Dazu ist sie mit je einer getrennt evakuierbaren Vakuumschleuse zum Einschleusen und Aus- schleusen von 25 kg der Grundkörper ausgestattet. Die Übergabe der Grundkörper aus der Eingabeschleuse in den Drehkorb bzw. aus dem Drehkorb in die Ausgabeschleuse erfolgt durch je ein Ventil und rohrförmige Leiteinrichtungen unter der Wirkung der Schwerkraft.

Die Grundkörper werden nach einem Entfettungs-und Waschprozess chargenweise in Portionen von 25 kg in die Eingabeschleuse der Beschichtungsanlage eingefüllt. Nach dem Entgasen werden sie in den Drehkorb übergeben und dort 10 Minuten im dichten Hohlkatoden-Plasma vorbehandelt. Der Drehkorb befindet sich dabei auf einem negativen Potenzial von 500 V. Der anschließende Prozess zur plasmaaktivierten Bedampfung benötigt 20 Minuten. Während der Plasmavorbehandlung und Beschichtung sind die Grundkörper durch Zentrifugalkraft auf der Innenwand des Drehkorbes fixiert und liegen in etwa drei Lagen gleichmäßig statistisch verteilt übereinander. Das periodische Abstreifen der Grundkörper vor der erneuten Fliehkraftfixierung erfolgt durch rotierende Metall- bürsten. Zur Übergabe der beschichteten Grundkörper in die Ausgabeschleuse wird der Drehkorb abgebremst und geneigt. Eine schwenkbare Blende vermeidet dabei die Kollision der herabfallenden Bauteile mit den Verdampfern und Plasmaquellen. In zeitlichen Abständen von 35 Minuten wird jeweils eine Charge von etwa 25 kg der beschichteten Bauelemente aus der Anlage geschleust. Die Teile werden geprüft und verpackt. Die hohe Produktivität der Beschichtungsanlage und die Vermeidbarkeit von kostenintensiven Nach- behandlungen der Oberflächenschicht sind die Grundlage für geringe Herstellungskosten für die erfindungsgemäßen Bauteile.