Die Erfindung bezieht sich auf eine Festschmierstoffschicht auf der Basis wenig- stens eines ersten Dichalkogenids der Formel MeX2, worin Me Molybdan, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan, X Schwefel, Selen oder Tellur ist, mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten aus dem ersten Dichalkogenid mit einer Schichtdichte von 5 nm bis 1000 nm, die durch Zwischenschichten ge- trennt sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung.

Aus US 5 282 985 sind solche Festschmierstoffschichten bekannt, die aufgrund des schichtförmigen Aufbaus gute Schmiermitteleigenschaften bis zu höheren Einsatztemperaturen besitzen.

Wenn, wie nach US 5 282 985, Molybdändisulfid mit Zwischenschichten aus einem Oxid, wie z. B. Bleioxid durch physikalische Dampfbeschichtung, insbe- sondere Plasma-PVD, auf ein Substrat aufgebracht wird, entsteht eine Fest- schmierstoffschicht, die hinsichtlich ihrer Lebensdauer weit hinter den Erwar- tungen zuruckbleibt. AuBerdem ist in derart hergestellten Schichten eine rasche Versprödung des Molybdandisulfids festzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festschmierstoffschicht der eingangs genann- ten Art mit guten Schmiereigenschaften bereitzustellen, die sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet und nicht zur Versprödung neigt.

Zur Lösung der Aufgabe ist eine Festschmierstoffschicht der eingangs beschrie- benen Art erfindungsgemaB dadurch gekennzeichnet, daB in den Hauptschichten ein Metall, eine Metallegierung, ein zweites Dichalkogenid, Schwefel, Selen oder Tellur mit einem Gehalt von bis zu 50 Vol.-% dispergiert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Dichalkogenid ist ebenfalls aus der Gruppe bei der Me entweder Molybdan, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan und X Schwefel, Selen oder Tellur ist, aber verschieden zum ersten Dichalko- genid.

Durch das erfindungsgemaBe Dispergieren von Metall, einer Metallegierung eines zweiten Dichalkogenids, von Schwefel, Selen oder Tellur in den Hauptschichten, werden diese kompakter und erhalten eine höhere Eigenfestigkeit unter Beibehal- tung der Schmierwirkung, wodurch die Lebensdauer stark erhöht wird. So konnte nachgewiesen werden, daB eine Molybdansulfidschicht, in der 5 % Chrom disper- giert ist, einen E-Modul von etwa 20 GPa aufweist, während Molybdändisulfid einen E-Modul von lediglich einem GPa besitzt. So tritt durch die erfindungs- gemäße Feststoffschmierschicht eine Vervielfachung der Eigenfestigkeit ein.

Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus einem Metall, einer Metallegie- rung, dem ersten oder zweiten Dichalkogenid, Schwefel, Selen oder Tellur.

Dabei kann das gleiche Metall, die gleiche Metallegierung bzw. das gleiche Dichalkogenid sowohl zum Dispergieren in der Hauptschicht wie als Zwischen- schicht selbst verwendet werden oder unterschiedliche Metalle, Metallegierungen

bzw. Dichalkogenide zum Dispergieren in der Hauptschicht oder als Zwischen- schicht.

Fur die Zwischenschichten können jedoch auch nichtmetallische Materialien ver- wendet werden, insbesondere Polymere, wie Polytetrafluorethylen.

Das Metall bzw. das oder die Metalle der Metallegierung kann/konnen ein Ele- ment der Gruppe lb, insbesondere Kupfer, Silber oder Gold, der Gruppe IVa, insbesondere Germanium, Zinn oder Blei, der Gruppe IVb, insbesondere Titan, Zirkon oder Hafnium, der Gruppe Vb, insbesondere Tantal, der Gruppe Vlb, insbesondere Chrom, Molybdän oder Wolfram, und der Gruppe VIII des Periodensystems, insbesondere Eisen, Kobalt, Nickel, Palla- dium, Platin oder Iridium, oder ein Lanthanoid wie Cer oder Samarium, oder Magnesium, Mangan, Rhenium oder Scandium sein.

Insbesondere hat sich Chrom als geeignet erwiesen, ferner Chromlegierungen, wie Nickel-Chrom-Legierungen. Es sind aber auch möglich Boride oder Karbide der oben aufgefuhrten Elemente als Dispersion oder Zwischenschicht ein-bzw. aufzubringen.

Zur physikalischen Abscheidung der Hauptschichten aus der Gasphase wird er- findungsgemaB insbesondere das Sputtern, also Plasma-PVD angewandt, und zwar vor allem das Magnetron-Sputtern. Dabei wird eine plattenförmige Be-

schichtungsquelle oder Target (Kathode) verwendet, welche aus dem ersten Dichalkogenid besteht und beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt ist.

Das Metall, die Metallegierung bzw. das zweite Dichalkogenid wird ebenfalls durch PVD in den Hauptschichten dispergiert. Dazu kann beispielsweise ein Tar- get aus dem ersten Dichalkogenid verwendet werden, aus dem ein StOck heraus- genommen und durch ein entsprechendes StOck aus dem Metall, der Metallegie- rung oder dem zweiten Dichalkogenid ersetzt ist. Auch kann das Metall, die Metallegierung bzw. das zweite Dichalkogenid pulvermetallurgisch in das Target aus dem ersten Dichalkogenid eingebracht sein. Der Einsatz mehrerer Beschich- tungsquellen (Kathoden) bietet eine weitere Moglichkeit.

Die Zwischenschichten zwischen den Hauptschichten werden unter Verwendung eines weiteren Targets aus dem Zwischenschichtmaterial ebenfalls durch PVD, insbesondere Magnetron-Sputtern aufgebracht. Dabei können die Grenzen zwi- schen Haupt-und Zwischenschichten einen scharfen oder gradierten Sprung der Elementverteilung aufweisen.

Die Zwischenschichten sollen dabei dunn sein, um die Schmiereigenschaften der Festschmierstoffschicht moglichst wenig zu beeintrachtigen. Vorzugsweise be- trait die Schichtdicke der Zwischenschichten jeweils 1 nm bis 100 nm, maximal 300 nm. Die Zwischenschichten sind in jedem Falle dunner als die Hauptschich- ten, denn bei zu dicken Zwischenschichten wird der Schmiereffekt beeintrachtigt.

Durch das Einbringen der dunnen Zwischenschichten wird das Wachstum der Hauptschichten wiederholt unterbrochen. Beim Aufbringen eines Dichalkogenids mittels PVD auf ein Substrat bilden sich nur im Anfangsstadium des Wachstums Schichten mit einer kristallographischen (0001)-Textur (Basalorientierung), bei der die Schichten des Dichalkogenid-Kristaligitters parallel zur beschichteten

Substratoberfläche angeordnet sind. Schon nach Erreichen einer sehr geringen Schichtdicke ist die Basalorientierung nicht mehr dominierend, d. h. der durch- schnittliche Winkel zwischen den (0001)-Ebenen der Dichalkogenid-Kristallide und der Substratoberfläche vergroBert sich mehr und mehr, bis es bei weiterem Schichtwachstum zur Bildung einer Saulen-oder kolumnaren Struktur kommt, bei der die (0001)-Ebenen des Kristallgitters nahezu senkrecht zur Substratober- flache verlaufen.

Das Abbrechen der Saule innerhalb der kolumnaren Struktur bei mechanischer Beanspruchung bewirkt eine kurze Lebensdauer solcher durch PVD aufgebrach- ten Schichten des ersten Dichalkogenids. Der erzielbare Schmiereffekt ist aus- schlieblich auf die dunne Schicht des Dichalkogenids mit Basalorientierung zu- ruckzufuhren. AuBerdem fördern andere kristallographische Texturen als die Ba- salorientierung das Eindiffundieren von Sauerstoff und Wasser in die Schicht des ersten Dichalkogenids, wodurch es zur Bildung von Oxiden kommt, was eine Ver- sprödung der Schmierschicht bewirkt. Dies läßt sich darauf zuruckfuhren, daB nur die (0001)-Ebenen des Kristaligitters chemisch inert sind. Durch das Aufbrin- gen von dunnen Hauptschichten mittels PVD mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 10 nm bis 500 nm, kann eine Basalorientierung der Schicht beibehalten werden. Vor dem Erreichen der kritischen Schichtdicke der Hauptschicht, d. h. bevor es zu einer kolumnaren Ausbildung der Hauptschicht kommt, wird der PVD-ProzeB unterbrochen und eine Zwischenschicht durch PVD aufgebracht. Im weiteren ProzeB wächst die Hauptschicht dann anfangs wieder mit Basalorientierung auf. Diese Folge von abwechselnder Aufbringung von Hauptschichten und Zwischenschichten wird solange wiederholt, bis die ge- wunschte Gesamtdicke der Festschmierstoffschicht erreicht ist, die zwischen 10 pm und 100 urn tiegen kann.

Die Schichtdicken der einzelnen Hauptschichten und der einzelnen Zwischen- schichten können dabei unterschiedlich sein, um eine bedarfsgerechte Schmier- mittelabgabe zu gewahrleisten. Der Schmiereffekt der Festschmierstoffschichten soll dabei immer hoch sein. Zum Beispiel besteht in der Einlaufphase ein höherer Schmierbedarf. Durch Modifikation des Schichtsystemaufbaus kann diesem höheren Schmierbedarf Rechnung getragen werden. Das Beanspruchungsprofil ist als Auswahlkriterium des Multilayer-Schichtaufbaus zu betrachten. Dabei kann ein Gradientenaufbau vorgesehen werden, bei dem die Schichtdicke vom Substrat nach auBen zunimmt, oder es kann ein periodischer bzw. nicht periodi- scher Schichtaufbau vorliegen. Anstelle oder zusatzlich zum Gradientenaufbau kann auch eine variable chemische Zusammensetzung vorgesehen sein.

Da in der Festschmierstoffschicht eine Dominanz der Basalorientierung der Hauptschichten gewährleistet ist, ist die erfindungsgemaBe Festschmierstoff- schicht auch chemisch inert, d. h. es ist keine Versprödung an der Luft oder durch Wasser zu beobachten. ErfindungsgemaB wird eine kompakte, porenfreie Festschmierstoffschicht erzielt. Der Reibungskoeffizient der Festschmierstoff- schicht ist immer geringer als ohne Festschmierstoffschicht (nicht nur bei abrasi- vem VerschleiB). Da die Festschmierstoffschicht der Entstehung von Wärme ent- gegen wirkt, fuhrt sie zu einer höheren Lebensdauer von Bauteilen und Werkzeu- gen.

Die erfindungsgemaBe Festschmierstoffschicht ist praktisch fur alle abrasiv bela- steten Oberflächen geeignet. Sie ist insbesondere fur Walz-und Gleitlager ver- wendbar, fur Umformwerkzeuge und zerspanende Werkzeuge. Bei Umformwerk- zeugen werden dabei insbesondere die Flache, die einer hohen Gleitreibung ausgesetzt sind, mit der erfindungsgemaBen Feststoffschmierschicht versehen.

Bei zerspanenden Werkzeugen wird insbesondere der Bereich des Werkzeugs uber den der Span von der Schneide weg geleitet wird mit der erfindungsgemä-

Ben Feststoffschmierschicht versehen. Auch fuhrt die erfindungsgemaBe Schmierschicht zu einer wesentlichen Verringerung der Reibwarmeentwicklung bei zerspanenden Prozessen, wie Bohren oder Umformprozessen. Dadurch kon- nen Kuhl-und Schmiermitte ! uberf ! ussig werden und die Entsorgekosten fur die Mittel entfallen. Daruber hinaus ist die erfindungsgemaBe Festschmierstoff- schicht fur Getriebeteile verwendbar, beispielsweise Zahnrader, Schalter, Pum- pen und dergleichen.

In der Gleitlageranwendung ergeben sich durch eine Lebensdauerschmierung mit der erfindungsgemäßen Festschmierstoffschicht, sowie der Tatsache, daß höhere Belastungen auftreten können, ganz neue Moglichkeiten. So könen bei Walz- lageranwendungen Festschmierstoffschichten angewendet werden, um eine Glat- tung der Reibpartner, z. B. Laufbahn/Walzkorpus zu erreichen.

Auch ist ein Einsatz der Festschmierstoffschichten im medizinischen Bereich denkbar. Bei Nachweis der Biokompatibilitat könnte beispielsweise die erfin- dungsgemaBe Schmierschicht auf Teile von Prothesen aufgebracht werden.

Als Substrate, auf die die Festschmierstoffschichten durch PVD erfindungsgemäß aufgebracht werden, kommen insbesondere Substrate aus Metall, besonders Stahl, sowie Keramik und Kunststoff in Frage.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in Zeichnungen dargestellten Aus- fuhrungsbeispiels naher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merk- male und Vorzüge ergeben.

Es zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaBen Multilayer- Festschmierstoffschicht; Figur 2 eine REM-Aufnahme der Oberflachen-und Bruchmorphologie des Aus- führungsbeispiels entsprechend Figur 1.

Bei dem in den Figuren gezeigten Ausfuhrungsbeispiel handelt es sich um eine erfindungsgemaBe Festschmierstoffschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 5,8 u. m auf einem Substrat 1. Dabei weisen die im Anfangsstadium und bis zu einer gewissen Dicke mit Basalorientierung aufwachsenden Molybdandisulfid-Haupt- schichten 2 eine Dicke von jeweils etwa 80 nm auf, während die Chrommetall- Zwischenschichten 3 eine Schichtdicke von ca. 7 nm aufweisen. In den Molybdandisulfid-Hauptschichten 2 sind 4 Vol.-% Chrom dispergiert.

Zur Herstellung dieser erfindungsgemaBen Festschmierstoffschicht wurden so- wohl die mit Chrom dispergierten Molybdandisulfid-Hauptschichten 2 als auch die Chrom-Zwischenschichten 3 mittels Magnetron-Sputtern aufgebracht. Fur die Hauptschichten 2 wurde dazu ein Molybdandisulfid-und ein Chromtarget ver- wendet. Dazu wird ein dynamisches Verfahren angewendet, bei dem sich das Substrat zwischen den gleichzeitig betriebenen Targets dreht. Die Leistung beider Targets ist variabel einstellbar, so daB daruber die Sputterrate und der Disper- sionsgrad geregelt werden kann. Fur die Herstellung der Zwischenschichten 3 diente ebenfalls Chromtarget.

Tribologische Versuche haben gezeigt, daB diese Ausführungsform der erfin- dungsgemaBen Multilayer-Festschmierstoffschicht mit chromdispergierten Molybdandisulfid-Hauptschichten 2 und Chrom-Zwischenschichten 3 eine mehr als doppelt so hohe Lebensdauer aufweist.