專利名稱:涂覆方法
本發(fā)明涉及一種涂覆方法，該方法中，在基材夾持器所夾持著的平整的金屬基材上，在減壓條件下從氣相中沉積出源自蒸氣流的金屬涂層，其中是利用至少一個能量源將所述的蒸氣微粒從構(gòu)成至少一個蒸發(fā)源的容器中蒸發(fā)出來；本發(fā)明還涉及一種用于制備具有金屬基材的軸承(Lager)元件的條帶形的且平整的預(yù)產(chǎn)品，在所述金屬基材上設(shè)置有至少一層金屬涂層；以及還涉及用于在氣相中且在減壓條件下用源自蒸氣流形成的金屬涂層涂覆平整的金屬基材的裝置，該裝置具有真空密封的罩殼、圓筒形基材夾持器、至少一個用于產(chǎn)生蒸氣流的電子束蒸發(fā)器以及至少一個形成微粒蒸發(fā)源的容器。
真空中在金屬基材上沉積金屬涂層的方法長久以來便已公知。因此，例如在DE 19514835C1中公開了通過真空蒸發(fā)凹面彎曲的滑動元件上涂覆涂層。為此，要在基材和蒸發(fā)槽表面之間調(diào)節(jié)得一定的間距。將待蒸發(fā)的材料放置在蒸發(fā)坩鍋中，并通過電子束進(jìn)行蒸發(fā)。在涂層的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)器和載體彼此之間要以不均等的速度進(jìn)行運(yùn)動。通過這種蒸發(fā)射束，線性運(yùn)動的速度無論是在進(jìn)入時還是在出去時都能達(dá)到其最大值。為了還能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)涂層的層厚度與最大層厚之間的偏差小于15％，因此要借助于遮擋板對蒸發(fā)流部分進(jìn)行遮擋。
這種蒸發(fā)方式的缺點(diǎn)是，涂層厚度是通過多個相互協(xié)調(diào)的參數(shù)來確定的，以及必須要設(shè)計并監(jiān)測或調(diào)控相對較為復(fù)雜的運(yùn)動過程。另外，還要采取結(jié)構(gòu)性措施，以實(shí)現(xiàn)理想的層厚比例。此外，如果需要產(chǎn)生一種合金作為涂層，則它們必須事先已經(jīng)存在于蒸發(fā)源中。這樣也是有缺點(diǎn)的，即有可能導(dǎo)致材料積累在某些特定位置處。
DE 19753656A中公開了一種真空涂覆具有至少一層中間層和至少一層滑動層的滑動軸承的裝置，該裝置由一系列相互排列的且通過真空閥或壓力級聯(lián)器分開的真空室、與真空室相連的真空泵、用于進(jìn)行涂覆過程的電流供應(yīng)裝置和控制裝置以及用于在一個穿過裝置的傳送帶上傳輸多個滑動軸承的構(gòu)件組成，其中至少一個真空室起到隔離室的作用，用于將未經(jīng)涂覆的滑動軸承送入到真空中和/或?qū)⒔?jīng)涂覆的滑動軸承從真空中取出，其中至少一個另外的真空室用于通過等離子體過程來預(yù)處理未經(jīng)涂覆的滑動軸承，并且至少一個真空室用于涂覆各中間層和滑動層；同時在該裝置中，滑動軸承在支架體內(nèi)保持形狀接合，該支架體是可調(diào)溫的，可以利用可調(diào)節(jié)的力將滑動軸承壓入支架體中，沿著傳送方向相繼至少設(shè)置有隔離室、預(yù)處理室、第一涂覆室、第二涂覆室和隔離室，并且構(gòu)造控制裝置使得支架體可以以可適合于在任一真空室內(nèi)進(jìn)行的分過程的傳送速率進(jìn)行運(yùn)動，在預(yù)處理室內(nèi)設(shè)置用于固定磁場支持的等離子侵蝕滑動軸承的侵蝕裝置，并且在第一涂覆室內(nèi)在滑動軸承之下設(shè)置一個其中將至少一個靶粉霧化的磁控管霧化源，且兩者之間具有與滑動軸承尺寸相配的間距，而在第二涂覆室內(nèi)設(shè)置一個帶有蒸發(fā)坩鍋的電子束蒸發(fā)器，且兩者之間具有與滑動軸承尺寸相配的間距，同時，在其中滑動軸承暴露于電子束蒸發(fā)的區(qū)域之前和之后設(shè)置緩沖區(qū)。
該裝置的缺點(diǎn)特別在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及需要針對滑動軸承半殼構(gòu)造特殊形狀的支架體，且對于每個滑動軸承直徑都必須特別地提供這種支架，以保證相應(yīng)的緊壓力。
其他的滑動軸承的電子束蒸發(fā)方法公開于例如DE 19824308A和DE19824310A中。
本發(fā)明的任務(wù)在于，簡化利用PVD法制備滑動軸承的過程，并由此實(shí)現(xiàn)在保持滑動軸承的相當(dāng)質(zhì)量的同時相應(yīng)地節(jié)省成本。
本發(fā)明的任務(wù)可分別獨(dú)立地通過根據(jù)涂覆方法特別地構(gòu)造多個獨(dú)立涂層的金屬涂層，通過根據(jù)該方法制得的其中金屬涂層由多個獨(dú)立涂層構(gòu)成的預(yù)產(chǎn)品以及通過用于所述涂覆的裝置而得以解決，且其中所述裝置中，基材夾持器與加熱和冷卻系統(tǒng)相連，或者沿著基材夾持器的旋轉(zhuǎn)方向在至少一個蒸發(fā)源之后設(shè)置一個磁控管，和/或在基材夾持器上設(shè)置初始電壓，和/或在基材夾持器和至少一個蒸發(fā)源之間與電源電導(dǎo)相連地設(shè)置電極，以構(gòu)造出一個至少近似垂直于基材夾持器和至少一個蒸發(fā)源之間的蒸氣流的電場。
本發(fā)明所基于的理論思想是，不采用至今所常見的在業(yè)已成型的軸承元件上涂覆，而是從現(xiàn)在起在平整的條帶狀預(yù)產(chǎn)品上涂覆，并緊接著才使其成型。利用至今已知的涂覆方法如果不使用額外的手段，例如利用等離子體活化待涂覆的表面或者通過后處理過程中的一些手段，如后離子化過程，就無法得到有可延展的均勻致密的涂層。如果厚涂層要沉積在100μm的范圍內(nèi)，即如本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)的那樣，那么這一問題就會愈發(fā)嚴(yán)重。
這些問題可通過本發(fā)明的涂覆方法解決的，其中如開頭已經(jīng)提及的那樣，這一涂覆方法不僅僅局限于軸承元件上或者制備適于此的預(yù)產(chǎn)品，而且是一般性地用于可以制造那些需要具有更高沉積層厚度的可延展的、微結(jié)構(gòu)化的、均勻且致密的涂層。具有了這一優(yōu)點(diǎn)和其他所聲稱的優(yōu)點(diǎn)，即可直接在基材上進(jìn)行涂覆之外，本發(fā)明方法還有一個優(yōu)點(diǎn)是，一旦制備了預(yù)產(chǎn)品后就不需要計量涂覆，這就是說，由于其后的成型過程，特別是壓制或通過其后輥涂任選的其他涂層，層厚差異的容許值可以更大一些，從而使得可以總體簡化方法或與之相應(yīng)的涂覆設(shè)備。由這些預(yù)產(chǎn)品出發(fā)可以最終制得軸承元件，其從質(zhì)量觀點(diǎn)來看，它們足夠達(dá)到高質(zhì)量價值的濺射軸承元件的機(jī)械性能范圍，然而所述濺射軸承元件要消耗所謂的Bimetalllagern以傳統(tǒng)的、相應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的方式和方法制得。另外，本發(fā)明的裝置優(yōu)點(diǎn)是，它們相對簡單地實(shí)施，即不需要多個隔離(Schleuse)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)在各個加工位置之間進(jìn)行相應(yīng)的傳輸，其中，在涂覆時將預(yù)產(chǎn)品，即基材設(shè)置于圓筒形基材夾持器上，即如已由本申請人的關(guān)于軸承半殼的DE 10107288A1所公開的那樣，它的公開內(nèi)容也是本發(fā)明說明書的一部分。通過與該基材夾持器有效相連的加熱和/或冷卻系統(tǒng)，可以使基材從處理開始直至涂覆結(jié)束都保持在可以實(shí)現(xiàn)直接涂覆基材的溫度水平上。在此還具有的優(yōu)點(diǎn)是，任選在金屬涂層的蒸發(fā)涂覆之后和通過任選進(jìn)行的溫度升高過程，可以實(shí)現(xiàn)至少一種成分?jǐn)U散進(jìn)入金屬涂層中或擴(kuò)散到各層之間，由此可另外得到涂層組合物的均勻性并由此改善預(yù)產(chǎn)品的性能。此外，本發(fā)明裝置的優(yōu)點(diǎn)還在于，可以在一個且相同的涂覆室內(nèi)用構(gòu)成這些涂層的離子來對至少各沉積的金屬獨(dú)立涂層進(jìn)行特定的后增厚或靶向的轟擊處理，在此通過改變電場中的能量或電壓可以改變與各預(yù)產(chǎn)品使用目的相適應(yīng)的金屬涂層的性能。
涂覆方法的其他實(shí)施方案記載在權(quán)利要求
2至28中。
因此可以，例如，將選自下限10nm且上限10μm范圍內(nèi)的具有特定厚度的獨(dú)立涂層沉積于基材上，從而進(jìn)一步提高涂層的延展性以及均勻性。
另外有利的是，如果由此制得的產(chǎn)品要用于軸承元件時，則制備具有層厚大于100μm、特別是大于150μm、優(yōu)選大于200μm、例如400μm的金屬涂層，因?yàn)橛纱四芴峁┳銐蛴糜诎殡S著層厚度減小的成型后加工過程(即具有緊公差的尺寸成型過程)的層厚度。此外，在由于磨損而脫落之前，通過這些較厚的涂層也可以制得具有相應(yīng)安全存量的軸承元件。
獨(dú)立涂層的數(shù)目可以在下限為50、特別是100、優(yōu)選250且上限為5000、特別是4000、優(yōu)選2500的范圍內(nèi)選擇，因?yàn)橛纱思茨苡捎诟鲗咏M分減小的局部濃度梯度而提高金屬涂層的均勻度。另一方面，由此可以獲得有意地以濃度梯度來控制涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，甚或可以至少沉積出具有完全不同組成的獨(dú)立涂層，且任選在其后一個步驟中又可以通過后擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)在金屬涂層橫截面上的相應(yīng)均勻化。
如果制得表面粗糙度小于基材表面粗糙度的獨(dú)立涂層，則能避免由于局部晶體生長而形成粗糙、易碎裂的表面，并由此又可實(shí)現(xiàn)涂層均勻度的提高以及微結(jié)構(gòu)的改善。另外，由此也可以改善涂層在金屬基材上的粘結(jié)力。
基材可以與平均基材厚度有所偏差，且所述差值不大于200μm，特別是不大于150μm，且優(yōu)選不大于100μm。
通過基材在特別是同一蒸發(fā)源上的循環(huán)運(yùn)動、特別優(yōu)選是旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動，則除了本來的涂覆階段外還可以在蒸發(fā)源(即由其產(chǎn)生的蒸氣微粒構(gòu)成的蒸發(fā)射束)外提供足夠的靜態(tài)階段，其時，涂層的各成分可以進(jìn)行擴(kuò)散，從而由此再得到相應(yīng)的涂層均勻化。
其中也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動疊加，由此可以隨著基材的螺線形運(yùn)動而對基材進(jìn)行涂覆，因此也可以涂覆更大的基材。
如上所述，在至少一個蒸發(fā)源之外，可以在金屬涂層內(nèi)或各獨(dú)立涂層之間通過涂層的至少各個成分的擴(kuò)散而進(jìn)行均勻化，同時可有目的地，例如通過改變基材在蒸發(fā)源上的運(yùn)動速率或任選通過基材在蒸發(fā)源外的完全靜止而影響這種均勻化過程。
任選可在蒸發(fā)源之外的該段時間內(nèi)提高和/或降低溫度，其中有利的是針對基材在基材夾持器上或內(nèi)安置局部溫度調(diào)節(jié)裝置，例如珀耳帖元件，從而可以在涂覆室內(nèi)不依賴于基本溫度地對各基材進(jìn)行調(diào)溫。
基材可以設(shè)計為鋼條帶，由此使得通過涂覆法制得的預(yù)產(chǎn)品具有足夠的尺寸穩(wěn)定性。
還優(yōu)選使用多個蒸發(fā)源，其中分別含有一種化學(xué)純的元素作為用于構(gòu)造涂層的靶物質(zhì)，因?yàn)橛纱丝梢詢H通過從這些蒸發(fā)源、即蒸發(fā)坩鍋蒸發(fā)掉的微粒量即能確定涂層的組成，并且還可以棄用可能的昂貴或耗費(fèi)巨大的預(yù)合金過程——任選地在氣相中或在微粒沉積時形成合金。
為了將以涂覆方法制得的預(yù)產(chǎn)品用作軸承元件，優(yōu)選將一種雙成分或多成分體系構(gòu)造為金屬涂層，且所述體系由選自包括鋁、錫、銅、鉛的第一組的基本元素組成，并且該體系在用至少一種其他元素涂覆時會合金化，其中所述至少一種其他元素選自包括鉛、錫、鉍、鋅、硅、鎂、錳、鐵、鈧、鋯、鉻、銅、鋁、鈹?shù)囊唤M，前提是合元素不同于基本元素。
如上所述，由這些成分可以形成合金，并且合金的形成在氣相中進(jìn)行或者在各成分沉積于金屬基材上時進(jìn)行，或者也任選通過在蒸發(fā)源外的后反應(yīng)或擴(kuò)散進(jìn)行，從而使得可以有目的地經(jīng)由在涂覆方法中加入的能量來控制合金的組成。
但另一方面也可以使成分各自先后地沉積于各涂層中，由此一方面以實(shí)現(xiàn)例如一種雖然可能微觀上由不同的獨(dú)立涂層組成、但是宏觀上可以具有均勻性質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)，或者另一方面也可以由這些獨(dú)立涂層通過后處理，如后擴(kuò)散等構(gòu)造出微觀上至少類似地由相同獨(dú)立涂層組成的金屬涂層。
如果使用由此制得的預(yù)產(chǎn)品作為軸承元件，則可以在未經(jīng)涂覆的基材表面上涂覆上另一涂層，以在使用時賦予該軸承元件足夠的抗摩擦侵蝕的耐久性。
需要時也可以在金屬涂層和基材之間涂覆粘結(jié)層，從而更加提高基材上金屬涂層的粘附強(qiáng)度。
利用該涂覆方法也可以有目的地制備具有各獨(dú)立涂層的至少一層特定孔隙率的最外層，為此，根據(jù)一個實(shí)施方案，可以制得具有某種平均孔徑的孔來，所述孔徑選自下限為0.1μm且上限為10μm，特別是下限為0.5μm且上限為5μm的范圍，由此，例如可以在這些孔隙內(nèi)配置潤滑劑，從而在使用預(yù)產(chǎn)品來制備軸承元件時減小在軸承元件和被支撐的軸之間形成的摩擦阻力。
該涂覆方法可用于將涂覆上的金屬涂層構(gòu)造為適于軸承元件，特別是滑動軸承的滑動層。
作為產(chǎn)生微粒流，即蒸發(fā)源上的蒸發(fā)射束的能量源，優(yōu)選使用電子束源，因?yàn)槠淠軌蛲ㄟ^對帶電微粒，例如電子進(jìn)行磁偏轉(zhuǎn)而在蒸發(fā)器表面上實(shí)現(xiàn)能量束的靶向定位。
至少在涂覆了第一獨(dú)立涂層之后，可以通過用例如由氣體微粒和/或涂覆微粒組成的且能在這些獨(dú)立涂層的晶格結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)振蕩的、高能量微粒進(jìn)行轟擊而改善這些獨(dú)立涂層的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步改善涂層的延展性及其致密的結(jié)構(gòu)。
可替代的或者除此之外的，可以為了同一目的而離子化一部分蒸發(fā)的微粒，并在沉積獨(dú)立涂層時，在建立基材和至少一個電極之間的電場中，沿著指向基材表面或已經(jīng)沉積好的獨(dú)立涂層的方向?qū)λ鼈冞M(jìn)行加速，和/或在一個位于電極之間、用于建立至少是近似垂直于微粒流且分布在基材夾持器和至少一個蒸發(fā)源之間的電場中對它們進(jìn)行加速。其中有利的是在以下范圍內(nèi)選擇電壓以建立電場，所述選擇范圍為下限10V與上限800V之間，優(yōu)選下限50V與上限600V之間，特別優(yōu)選下限100V和上限400V之間，從而使這些離子化的微粒獲得相應(yīng)較高的動能。
為了改善金屬涂層的均勻度，優(yōu)選在相比那個待蒸發(fā)的熔點(diǎn)的最低熔點(diǎn)至少低10℃的溫度下熱處理金屬基材，從而在金屬涂層內(nèi)或各獨(dú)立涂層之間實(shí)現(xiàn)較高的擴(kuò)散速率，使得可以總體上縮短過程持續(xù)時間。
另外還優(yōu)選在選自以下范圍的壓力下進(jìn)行涂覆方法，所述壓力值選自下限為1.10-7mbar且上限為2.10-2mbar的范圍，優(yōu)選下限為1.10-6mbar且上限為2.10-3mbar，特別優(yōu)選下限為1.10-5mbar且上限為2.10-4mbar，和/或以如下沉積速率進(jìn)行涂覆方法，所述速率值選自下限為0.01μm/sec且上限為0.1μm/sec，優(yōu)選下限為0.03μm/sec且上限為0.07μm/sec，特別優(yōu)選下限為0.05μm/sec且上限為0.06μm/Sec，因?yàn)橛纱司涂梢詷?gòu)成能最大限度不受外界影響的涂層結(jié)構(gòu)。
基材夾持器可以如下的速率進(jìn)行工作，所述速率值選自下限為0.01m/sec且上限為10m/sec的范圍，優(yōu)選下限為1m/sec且上限為7m/sec，特別優(yōu)選下限為3m/sec且上限為6m/sec，因?yàn)橛纱思茨苜x予蒸發(fā)的微粒以足夠的時間來均勻沉積，以在基材或已沉積的獨(dú)立涂層上構(gòu)成獨(dú)立涂層。
特別由于以下事實(shí)，即不使用預(yù)合金化而是在氣相中或沉積的獨(dú)立涂層中經(jīng)由純元素來構(gòu)成合金，所以利用本發(fā)明方法就可以至少在各獨(dú)立涂層的最外層中沉積得亞穩(wěn)相，其在后來制成的軸承元件于所謂緊急溫度下進(jìn)行工作時，即當(dāng)由于可能出現(xiàn)的摩擦或由于高的油溫而出現(xiàn)侵蝕危險(Fressbelastung)時，這些亞穩(wěn)相可以經(jīng)歷相轉(zhuǎn)變過程而轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相，從而例如形成或改善軸承元件的緊急啟動性能。
為此可以選擇如下成分來構(gòu)成亞穩(wěn)相，所述成分選自由選自如下元素組的元素形成的化合物錫、銀、銅、鋁、錳、鎂、鉛、鈹以及它們的混合物。
還可以硬化至少一層位于基面上的獨(dú)立涂層，從而提高預(yù)產(chǎn)品的強(qiáng)度或得到沿著從基材到金屬涂層的方向的“硬化梯度”，從而避免跳躍性的硬化過渡區(qū)。
由于多個獨(dú)立涂層的沉積，利用所述涂覆方法也可以從基材表面上最內(nèi)層的獨(dú)立涂層開始，沿著指向最外獨(dú)立涂層的方向，對于至少一種成分形成濃度梯度，從而也因此在該涂層內(nèi)或者從基材到涂層的機(jī)械性能不會發(fā)生跳躍性的過渡，從而改善預(yù)產(chǎn)品的性能，特別是在其用作軸承元另一方面件時的性能。
最后，用該涂層方法也可以制得蒸發(fā)的涂層或者至少一層獨(dú)立涂層。其與同樣組成的濺射涂層相比具有更小的維氏硬度，小30％，特別是35％，優(yōu)選40％，從而可以改善斷裂伸長。
本發(fā)明預(yù)產(chǎn)品的實(shí)施方案由權(quán)利要求
29到30給出，并可以由此達(dá)到的效果分別部分地由以上描述的實(shí)施方案相應(yīng)地轉(zhuǎn)達(dá)表示出來。
如上所述，在基本元素和至少一種沉積在金屬基材上以構(gòu)成金屬涂層的其他元素之間可以形成合金，所述合金選自AlSnxCu、AlSnxSi、AlPbx、CuSnx、CuBix、CuSnBix、SnAlx、SnSbx、AlSnx、AlSi，其中x可以是選自下限為6并且上限為30范圍內(nèi)的值，根據(jù)是要形成硬相還是軟相，因此作為預(yù)產(chǎn)品根據(jù)所希望的使用情況，例如大軸承還是小軸承，而可以相應(yīng)合適地進(jìn)行制備。
為了更好地理解，借助以下附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。
示意性的簡化圖分別表示圖1本發(fā)明涂層裝置的實(shí)旋方案；圖2本發(fā)明預(yù)產(chǎn)品的斷面；圖3由預(yù)產(chǎn)品制得的滑動軸承半殼形式的軸承元件；圖4預(yù)產(chǎn)品的表面的粗糙度輪廓；圖5預(yù)產(chǎn)品的橫斷面磨片；圖6放大500倍的表面的掃描電子顯微鏡照片。
插入說明的是，在所述不同實(shí)施方案中，相同部分具有相同的標(biāo)記或相同的部件名稱，其中，在整個說明書中包含的公開內(nèi)容在意義上是相同的部分轉(zhuǎn)而也具有相同的標(biāo)記或相同的部件名稱。在說明書中所選的位置標(biāo)記例如上面、下面、側(cè)面等，直接涉及所描述以及所畫出的圖，當(dāng)位置改變時則按意義轉(zhuǎn)而表示新的位置。此外，由所示和所述不同的實(shí)施例得到的各特征或特征組合也可以表示獨(dú)立的、創(chuàng)造性的或根據(jù)本發(fā)明的方案。
有關(guān)具體說明書中數(shù)值范圍的總體描述應(yīng)理解為這些范圍也包括了任意的以及所有的部分范圍。例如，所謂“1至10”應(yīng)理解為包括了來自下限1和上限10的所有部分范圍，即所有的部分范圍都從下限1或更大值開始并終結(jié)于上限10或更少，例如1至1.7，或者3.2至8.1或5.5至10。
圖1中描繪了真空蒸發(fā)裝置形式的本發(fā)明涂覆裝置1的各種實(shí)施方案。其包括一個可抽真空的罩殼2，在其側(cè)或其內(nèi)設(shè)置至少一個用于在涂覆裝置1的內(nèi)室4內(nèi)將待涂覆的物件排入和/或排出的隔離室3，以及還包括至少一個真空泵。
該實(shí)施方式中，在罩殼2的內(nèi)室4中設(shè)置兩個電子束蒸發(fā)器形式的能量源5。很明顯，也可以設(shè)計只有一個或多于兩個的這樣的能量源5，特別優(yōu)選如此，因?yàn)樵跇?gòu)造能量源5時可以將其設(shè)計為電子束蒸發(fā)器，且利用電磁場可以使來自于能量源5的能量束6偏轉(zhuǎn)，從而在合適的控制作用下，可以利用僅只一個能量源5以跳躍輻射的方式操控能量束6到達(dá)多個蒸發(fā)源7上，即引向設(shè)置于其中且待蒸發(fā)的金屬9的表面8上。另一方面，也可以對每個蒸發(fā)源7，即相應(yīng)的坩鍋指配一個合適的能量源5，或者對于具有多個能量源5的僅只一個的蒸發(fā)源7也可采用能量束的集束，例如從而提高能量效率。
為進(jìn)行操控，可以在涂覆裝置1上設(shè)置操控和/或調(diào)節(jié)裝置(未示出)，且其中現(xiàn)也已給出了啟示，即很明顯地，涂覆裝置1的其他元件也可以與其有效相連。
作為能量源5，原則上可以使用所有已知的電子束源，優(yōu)選是軸向電子槍。其可以具有幾個100kw，例如600kW的功率。
優(yōu)選將能量源5設(shè)置在罩殼2的內(nèi)腔4的側(cè)面區(qū)域內(nèi)，但是很明顯的，也可將其設(shè)置在罩殼2的每個其他不同的任意的位置上，任選是在為此而專門設(shè)計在罩殼2上的容納器10中(圖1中虛線所示)，用以例如為了管理工作而更好地實(shí)現(xiàn)對這些能量源5的利用，因?yàn)楸匦枰ＷC能量束6到達(dá)包含在坩鍋中，即蒸發(fā)源7中的靶子，即金屬9的表面8。
帶有包含其中的金屬9的蒸發(fā)源7設(shè)置在基材夾持器11的下面。在該具體實(shí)施方案中顯示了三個蒸發(fā)源7，但是限顯然本發(fā)明并不局限于這個數(shù)字，該數(shù)字更多地可以取決于涂覆時要由多少種單一材料，即單一成分構(gòu)成金屬涂層12(參見圖2)。另外，適當(dāng)時還可以使多個蒸發(fā)源7含有相同的金屬9，即相同的涂覆材料以構(gòu)造金屬涂層12，目的是在旋轉(zhuǎn)基材夾持器11時可同時涂覆多個預(yù)產(chǎn)品13，因?yàn)槭遣捎媚芰吭?將能量輸入到涂覆材料中去，即該具體實(shí)施方案中的金屬9中去，所以微粒流14以蒸發(fā)射束15的形式產(chǎn)生，也就具有最終的膨脹性(endliche Ausdehnung)，從而也就可以非常有益地在多個蒸發(fā)源7上相繼分配相同的金屬9，以產(chǎn)生多個相互緊挨的蒸發(fā)射束15。
蒸發(fā)源7是可例如電加熱和/或可例如用流體如水、空氣等冷卻的。另外，除了非連續(xù)地預(yù)置金屬9之外，例如以疏松物料的形式，還可以將其連續(xù)地作為條材或線材導(dǎo)入到坩鍋底面上。
位于蒸發(fā)源7上的基材夾持器11在該具體實(shí)施方案中被設(shè)計成圓筒形，并且與一個未示出的電機(jī)相連或者設(shè)置有未示出的電機(jī)，且其可以按照箭頭16進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在夾持器上還優(yōu)選固定有多個預(yù)產(chǎn)品13，且其分布在基材夾持器11的周邊，同時也任選可在基材夾持器11和預(yù)產(chǎn)品13之間，例如為了平衡基材夾持器11的表面彎曲而設(shè)計相應(yīng)的適應(yīng)物，因?yàn)槿鐖D2所示，本發(fā)明中利用所述方法或涂覆裝置1所生產(chǎn)的是平整的預(yù)產(chǎn)品13。
為了將預(yù)產(chǎn)品13位置緊固地固定在基材夾持器11的表面上，則可以在基材夾持器11上設(shè)置夾持裝置17，例如彈簧、夾持角等，或者也可以在可能的情況下至少使基材夾持器11的表面具有一定磁性——倘若由此不會對能量束6產(chǎn)生負(fù)面影響的話——以使金屬的待涂覆物件保持在其上。其中，可以以相互之間保持固定間距的方式設(shè)計該排布結(jié)構(gòu)，或者根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方案，也可以將這些固定裝置17可調(diào)節(jié)地分配在基材夾持器11的輪廓上，例如以此可以制得或固定不同大小的預(yù)產(chǎn)品13。為此，例如可以在基材夾持器11的表面內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的缺口，且在該缺口中例如可移動地固定住這些固定裝置17，或者可以以分布在基材夾持器11表面上的方式排布多個孔，例如榫孔帶的形式，且其優(yōu)選是可鎖閉的，目的是當(dāng)在其中不設(shè)置夾持裝置17時，能避免將金屬材料涂覆或蒸發(fā)到這些孔或者開口或缺口中。
在能量源5與蒸發(fā)源7之間可以設(shè)置遮擋板18，即所謂的光圈板，且優(yōu)選對每個能量源5都配置合適的遮擋板18。由此可將能量束6完全或部分地遮擋，從而可以實(shí)現(xiàn)例如某種特定的涂覆過程，也是為了當(dāng)例如將不同金屬9預(yù)置于注入蒸發(fā)源7中，即坩鍋中時，在蒸發(fā)時遮擋這些金屬9中的至少一個，并由此得到特定的合金組合物或涂覆組合物，或者以這種方式和方法來構(gòu)造不同的涂層。優(yōu)選對遮擋板18進(jìn)行水冷卻，從而可將經(jīng)由能量束6而輸入到遮擋板18中去的能量導(dǎo)出。很明顯適于此目的的其他各種冷卻方法也是可行的。另外，遮擋板18可以具有各種任意的結(jié)構(gòu)，例如平面形的和可直線運(yùn)動的、分成兩部分的和可翻轉(zhuǎn)的，等等。
根據(jù)本發(fā)明，目前在涂覆裝置1的該實(shí)施方案中進(jìn)行設(shè)計，使在蒸發(fā)源7和基材夾持器11之間設(shè)置至少一個離子化源19，且在本發(fā)明范圍內(nèi)也包含了一個側(cè)面區(qū)域，就如圖1中兩個分別在最外側(cè)的離子化源19的情況那樣。
在該實(shí)施例中將離子化源19構(gòu)造為電極20的形式。如上所述的，將其設(shè)置在蒸發(fā)源7和基材夾持器11之間以及位于所構(gòu)造的蒸發(fā)射束15形式的微粒流14的側(cè)面，并且在蒸發(fā)源7和基材夾持器11之間和/或在該蒸發(fā)射束15內(nèi)，如圖1中所見到的那樣。利用這種離子化源19可以離子化至少一部分微粒流14，即包含其中的微粒，從而使得通過可能由此引起的微粒加速效應(yīng)，可沿著指向基材表面或業(yè)已存在的獨(dú)立涂層21(參見圖2)表面的方向而在基材22(參見圖2)上制得非常緊密的涂層12的結(jié)構(gòu)，同時，通過經(jīng)由能量源5在金屬9內(nèi)向微粒中輸入更高的能量，可以實(shí)現(xiàn)很高的沉積速率。
以這種方法也可以在相對較短的時間內(nèi)在基材22上制得具有均勻涂層材料分布的相應(yīng)涂層。
但是，可以不用電極20，而是例如通過激光構(gòu)造離子化源19，或者同樣也可使用其他的現(xiàn)有技術(shù)已知的離子化源，在此任選也可使用多個不同離子化源19的組合體，即例如電極20和激光。
利用離子化源19可以在例如電極20之間至少部分地實(shí)現(xiàn)使蒸發(fā)的材料或金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即使微粒流14中的微粒旋轉(zhuǎn)，從而可以進(jìn)一步改善沉積材料的均勻度。
此外，還可額外地或可替代地在基材夾持器11上施加所謂的偏壓，從而在其與蒸發(fā)源7之間構(gòu)造出用以加速微粒，即蒸發(fā)流的微粒的電場和/或電磁場，同時在電壓分布方面可以在加速過程持續(xù)時間內(nèi)采用控制和/或調(diào)節(jié)裝置來控制和/或調(diào)節(jié)電壓。
涂層12或獨(dú)立涂層21的均勻度以及涂覆速率還可以取決于涂覆材料地通過合適的溫度控制而得到升高，在此還優(yōu)選使用電子束蒸發(fā)器作為能量源5，因?yàn)橛纱诉m當(dāng)時通過利用遮擋板18部分遮蔽能量束而可以更好地控制金屬9的特別的局部溫度和特別的局部蒸發(fā)速率。
為了進(jìn)一步提高涂層12或獨(dú)立涂層21的質(zhì)量或者為了由此改善粘結(jié)性，根據(jù)本發(fā)明的一種改進(jìn)，可以沿著如箭頭16所示的基材夾持器11的旋轉(zhuǎn)方向，從屬于蒸發(fā)源7地設(shè)置一個磁控管23，特別是陰極霧化磁控管或一般的離子源，如圖1中罩殼2的左上方方框中虛線所示。由此可以用高能量微粒來轟擊涂層12或獨(dú)立涂層21。這種磁控管23或離子源除了制造用于轟擊的離子外還可以用來制備可以設(shè)置在基材22和涂層12或獨(dú)立涂層21之間的中間層，例如擴(kuò)散阻擋層或粘結(jié)層。因此，也可以使很小濃度的金屬摻入到涂層12或獨(dú)立涂層21中。例如，可以通過這種濺射源的方式將痕量元素如Zr、Sc等在熔融冶金學(xué)上難以以這樣的微濃度摻入到涂層12中。
因此，另一方面也可以另外壓縮獨(dú)立涂層21或涂層12的涂層結(jié)構(gòu)。
但是也可以將這種磁控管23用于離子化源19。
由此還可以使獨(dú)立涂層21或涂層12獲得更高的硬度值。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，可以對基材22的表面進(jìn)行預(yù)處理，例如圖1中涂覆裝置1的罩殼2右上方方框內(nèi)虛點(diǎn)化線所示的預(yù)處理裝置24。這種預(yù)處理裝置24可以被設(shè)計成例如侵蝕裝置，且如現(xiàn)有技術(shù)已知的，例如可利用熱陰極通過濺射侵蝕、二極管濺射，通過等離子活化，電暈放電活化而進(jìn)行預(yù)處理。適當(dāng)時還可以在基材22的這種表面處理或表面活化之前進(jìn)行其他一些預(yù)處理，例如對基材22進(jìn)行去油或一般性清潔。
根據(jù)本發(fā)明涂覆裝置1的又一個實(shí)施方案，將基材夾持器11設(shè)計為可進(jìn)行溫度控制的。為此可以例如在筒形基材夾持器11內(nèi)部設(shè)計一個加熱和/或冷卻系統(tǒng)25，用以使基材夾持器11的表面并且也最后使得基材22能保持在某個特定的溫度水平，或者以特定的溫度過程進(jìn)行涂覆。該加熱和/或冷卻系統(tǒng)25如圖中雙點(diǎn)劃虛線所示，例如可將其設(shè)計成加熱和/或冷卻罩套的形式，并且具有相應(yīng)的入口26和出口27的接頭，且所述接頭與相應(yīng)的供料系統(tǒng)(圖1中未示出)流體相連?？梢允褂美缬?、水、空氣等進(jìn)冷卻，且其中還可任選為了排出多余熱量而在用于能量回收的加熱和/或冷卻系統(tǒng)25上配置熱交換器。
因此，可以用精確的溫度調(diào)節(jié)來進(jìn)行涂覆過程，從而由于該涂覆溫度或涂覆溫度過程而同樣可使涂層12或獨(dú)立涂層21構(gòu)成均勻致密的結(jié)構(gòu)，從而可任選省去如涂覆裝置1的第一實(shí)施方式所示的離子化源19。
另可替代地或者除了這種流體穿流的加熱和/或冷卻系統(tǒng)25之外，同樣也可以在基材夾持器11的內(nèi)部配置例如熱導(dǎo)線形式的電阻加熱器。
圖2中描繪了一種利用如圖1所示的涂覆裝置1而制得的預(yù)產(chǎn)品13的截面圖。這種預(yù)產(chǎn)品由基材22以及位于其上的蒸發(fā)涂層構(gòu)成。涂層12由各獨(dú)立涂層21構(gòu)成，在圖2中只是示意性的描繪了這些獨(dú)立涂層。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，可以在金屬基材22上涂覆50至5000、特別是100至4000、優(yōu)選250至2500層的獨(dú)立涂層21。
盡管在圖2中不連續(xù)地繪出了各獨(dú)立涂層21，但是也可以根據(jù)方法進(jìn)行過程的不同而使得這些獨(dú)立涂層21至少在宏觀上不再可區(qū)分，例如當(dāng)涂覆過程處于靜態(tài)階段時，也即當(dāng)基材22通過旋轉(zhuǎn)基材夾持器11而從微粒流14或蒸發(fā)射束中傳送出來時，至少各獨(dú)立涂層21的各組分開始發(fā)生擴(kuò)散并由此形成一種“混合效應(yīng)”。
根據(jù)本發(fā)明，利用高速率的蒸發(fā)過程可以制造厚的涂層，其中涂層12具有＞100μm、特別＞150μm、優(yōu)選＞200μm的層厚。同時，各獨(dú)立涂層21可以具有選自下限為10nm至上限為10μm的范圍的厚度。獨(dú)立涂層21的層厚度可以取決于沉積速率，或者蒸發(fā)源7中所輸入的能量的大小，或者轉(zhuǎn)載至微粒上的背離于基材22表面任選加速微粒的動能的大小。除此之外，這種層厚值還可取決于各溫度控制情況。
優(yōu)選使用鋼條帶作為基材，例如那種通常用于制造軸承元件，如滑動軸承，特別是滑動軸承半殼的鋼條帶，然后可以優(yōu)選使用本發(fā)明的涂覆方法來制備用于制造軸承產(chǎn)品的預(yù)產(chǎn)品。
但是也可以不用鋼條帶而使用例如由復(fù)合材料如Cu-Pb-Sn復(fù)合材料、鋼/鋁復(fù)合體或鋼/白合金復(fù)合體構(gòu)成的基材22。
并且，例如根據(jù)濺射法、PVD法或電流法，也可以在金屬基材22上構(gòu)造粘結(jié)層或粘附層——盡管根據(jù)本發(fā)明并不是必需的——如AlCu10，或者其他能用于軸承元件領(lǐng)域的功能層。
這些功能層例如可以被設(shè)計成擴(kuò)散阻擋層的形式，以避免涂層12與基材22之間或與位于擴(kuò)散層之下的其他功能層之間發(fā)生可能的組分?jǐn)U散現(xiàn)象。此外，很明顯地，還可以事先例如通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的鍍層法或輥涂法來涂覆上這些涂層?？梢允褂美珂嚭辖?、鎳-鉻合金、鎳-銅合金作為這些中間層的材料，如CuSn、CuBe、AlZn、AlSn、AlSi、CuAl、CuAlFe、CuSnZn、CuZn。
通?？梢栽O(shè)計，構(gòu)造出兩層或多層的——不計及涂層12或獨(dú)立涂層21的話——預(yù)產(chǎn)品13，并在基材22與涂層12之間設(shè)置至少另一涂層。
涂層12或獨(dú)立涂層21可以形成諸如以下類型的合金AlSnxCu，AlSnxSi，AlPbx，CuSnx，CuBix，SnAlx，SnSbx，AlSn，AlCu，AlSi。盡管本發(fā)明對此并無限制，但x可以是選自1至30、特別3至25、優(yōu)選6至20的范圍的數(shù)值。例如，對于涂層12可以形成AlSnCu范圍內(nèi)的AlSn6，AlSn50Cu1，SnAl6，AlSnSi體系，AlSn6Si2，AlSn25Si8，SnAn20Si2，CuSn體系內(nèi)的CuSn12，SnCu6，CuPb體系內(nèi)的CuPb5，CuPb50，PbCu6以及CuPbSn體系內(nèi)的CuPb10Sn2，CuPb30Sn6，PbCu6Sn2的合金或獨(dú)立涂層21，且在各合金之間同樣可以有各個中間區(qū)。為此，可以在蒸發(fā)源7中預(yù)置入相應(yīng)的金屬9，且該金屬可以是一種選自包括鋁、鋅、銅、鉛的組的基本元素，以及另一種選自包括鉛、錫、鉍、鋅、硅、鎂、錳、鐵、鈧、鋯、鈹、鉻、銅、鋁的組的另一種元素，且前提是所述合金元素不同于基本元素。
根據(jù)本發(fā)明的涂覆方法，優(yōu)選使用化學(xué)純的元素，即具有相應(yīng)純度的純金屬9，從而在微粒流14中，或者通過有一個或多個蒸發(fā)射束中將各微粒沉積于基材22或獨(dú)立涂層21的表面上和其后的擴(kuò)散作用而形成合金。還可以使用來自回收過程的所謂的再生金屬。
為改善獨(dú)立涂層21或涂層12的性能，優(yōu)選制備出具有表面粗糙度的涂層，且要求這種粗糙度小于基材22的表面粗糙度，其中，根據(jù)本發(fā)明的思想，這種“制備”并不絕對是指這種表面粗糙度應(yīng)是在涂覆過程本身中，即在微粒流14中通過微粒沉積于基材表面上而制得的，而是可通過任選存在的后續(xù)的靜態(tài)階段而產(chǎn)生有關(guān)粗糙度的表面均勻化，例如可以通過上面已經(jīng)提到的表面離子轟擊而實(shí)現(xiàn)。但是，這里并不進(jìn)行機(jī)械加工。
其中可以使用與平均基材厚度有一定偏差的基材22，且所述基材厚度應(yīng)不大于200μm，特別不大于150μm，優(yōu)選不大于100μm。
如上所述，可以均勻地制備涂層，即涂層12，且該過程中這一目的一方面可以在微粒流14中即已實(shí)現(xiàn)，另一方面也可以在微粒流14外由于其后進(jìn)行的擴(kuò)散過程而實(shí)現(xiàn)。此外，根據(jù)本發(fā)明也可以制得例如圖2中所示的鮮明的多層結(jié)構(gòu)，且其中從宏觀上看又可以存在著均勻度，也即各涂層之間的獨(dú)立涂層21的組成可以變化，以此使預(yù)產(chǎn)品13得到相應(yīng)的性質(zhì)或相應(yīng)的性能。這種多層結(jié)構(gòu)可以例如利用本發(fā)明的涂覆裝置1，特別是加熱和/或冷卻體系25通過相應(yīng)的溫度過程來制得，并且這種溫度過程也取決于為構(gòu)成涂層而用的各種金屬9。另外，經(jīng)由利用這種加熱和/或冷卻體系25可調(diào)節(jié)得到的溫度性質(zhì)或溫度過程也可以影響擴(kuò)散性，從而通過相應(yīng)的控制可支持形成這種多層結(jié)構(gòu)。
盡管本發(fā)明的主要目的是制得具有多層結(jié)構(gòu)的均勻而致密的涂層12或致密的涂層12，但還是優(yōu)選在至少各獨(dú)立涂層21中的一層上，特別是在近表面區(qū)域內(nèi)——即在該區(qū)域內(nèi)，預(yù)產(chǎn)品13以后作為軸承元件使用時，會與將要安放的部分，特別是軸相接觸——設(shè)計一定的殘余孔隙度，例如用開吸收潤滑劑，如潤滑油。例如可以制得具有平均孔直徑選自下限為0.1μm且上限為10μm的范圍的孔。這種殘余孔隙度一方面可以通過在過程最后時刻以更高的基材夾持器11的旋轉(zhuǎn)速率使剩余的、仍然要涂覆上去的獨(dú)立涂層21沉積，從而構(gòu)成沒有“貫穿”的獨(dú)立涂層21來實(shí)現(xiàn)；另一方面或者可替代地，也可以利用本發(fā)明的涂覆裝置1預(yù)設(shè)一個相應(yīng)的溫度過程，用以例如在溫度減小情況下且由于微粒中能量輸入較小而使得其運(yùn)動性也相對較小的情況下，來延遲獨(dú)立涂層21的擴(kuò)散或平衡或均化時間，或者以更小程度進(jìn)行這一過程。
利用本發(fā)明的涂覆方法還可以向獨(dú)立涂層21或至少一層獨(dú)立涂層21內(nèi)輸入極其微量，即極小濃度例如0.01至0.1％濃度的元素或金屬9，例如鋯、鈧、銥等。這些金屬9可以事先已經(jīng)預(yù)置入蒸發(fā)源7中，或者在后續(xù)步驟中由另外的源，例如相應(yīng)的陰極而輸入到涂層12中。由此也就可以生產(chǎn)得到在熔融冶金學(xué)上不太能合理地以這種極小濃度摻入到合金中去的痕量元素。
此外，也可以在所謂的非蒸發(fā)期內(nèi)通過其他的源進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以構(gòu)成特殊的涂層，例如硬化層，如氮化物層、硼化物層或氧化物層等。
以這種方式也可以硬化至少一層位于基材表面上的獨(dú)立涂層21，用以例如在涂層12中制得硬度梯度。
此外，通過合適的過程控制，即控制相應(yīng)的能量輸入到蒸發(fā)源7中去或者遮擋各蒸發(fā)源7，或者當(dāng)使用磁體來操縱能量束6時，通過相應(yīng)地控制這種磁體，從而可在涂層12或獨(dú)立涂層21內(nèi)制得針對至少各種金屬9的濃度梯度來。
另外還可以按如下方式來控制涂覆過程，即在涂層12中或者在涂層12的至少一層外部獨(dú)立涂層21中沉積那些在以后由預(yù)產(chǎn)品13制成的軸承元件工作時會經(jīng)歷相轉(zhuǎn)變、從而也即可在例如構(gòu)成“軸承元件”時在軸承中出現(xiàn)緊急溫度即較高溫度時可以實(shí)現(xiàn)緊急過程的成分。
可以這樣進(jìn)行本發(fā)明方法選擇位于在基材夾持器11和蒸發(fā)源7之間、用于建立電場的電壓選自下限為10V且上限為800V，優(yōu)選下限為50V且上限為600V，特別下限為100V且上限為400V的范圍。
另外，可將金屬基材22調(diào)溫于某個溫度值上，該溫度比待蒸發(fā)的元素的熔點(diǎn)的最低熔點(diǎn)至少低10℃，且這種調(diào)溫過程優(yōu)選在進(jìn)行涂覆之前即已進(jìn)行。
其中，通過相應(yīng)的溫度操控也可以影響涂層12的性能。例如通過較低的溫度而構(gòu)造出無定形的涂層，通過較高的溫度而構(gòu)造出“結(jié)構(gòu)化”的涂層12。很明顯，在本發(fā)明范疇內(nèi)也可以在涂覆過程中進(jìn)行相應(yīng)的溫度過程，從而使得可為此形成無定形的和非無定形的獨(dú)立涂層21以及全部的過渡區(qū)。
還可以通過微粒從微粒流14中沉積出的沉積速率來影響涂層12的性能，且這種沉積速率可選自下限為0.01μm/sec且上限為0.1μm/sec、優(yōu)選下限為0.03μm/sec且上限為0.07μm/sec、特別優(yōu)選下限為0.05μm/sec且上限為0.06μm/sec的范圍。
其中，基材夾持器11可以用以下的速率來進(jìn)行工作，所述速率選自下限為0.01m/sec且上限為10m/sec、優(yōu)選下限為1m/sec且上限為7m/sec、特別優(yōu)選下限為3m/sec且上限為6m/sec的范圍。此外，還可以在選自下限為1.10-7mbar且上限為2.10-2mbar、優(yōu)選下限為1.10-6mbar且上限為2.10-3mbar、特別優(yōu)選下限為1.10-5mbar且上限為2.10-4mbar的范圍的壓力下進(jìn)行該方法。
顯而易見地，可以相互協(xié)調(diào)各參或者在涂覆過程中改變這些參數(shù)。
形成相轉(zhuǎn)變的成分可以選自由下組元素形成的一組化合物，所述元素組選自錫、銀、銅、鋁、錳、鎂、鉛、鈹以及它們混合物。
另外，可以通過基材夾持器11和蒸發(fā)源7之間的間距來影響性能，方法是可以將基材22或多或少地深深浸入蒸發(fā)發(fā)射束15中而實(shí)現(xiàn)沉積量的變化。
此外，也可以經(jīng)由蒸發(fā)源7的間距而使各蒸發(fā)射束15相互間具有或大或小的重疊區(qū)域，從而通過該間距可以或多或少地使來自不同蒸發(fā)源7的各微粒相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)徹底混合。其中，還可任選在涂覆過程中改變這一間距以及蒸發(fā)源7相對于基材22的間距，例如通過構(gòu)成可在高度和/或面上調(diào)節(jié)的蒸發(fā)源7的方法，且其還可以與電機(jī)，例如步進(jìn)馬達(dá)作用相連。
通過相應(yīng)選擇該參數(shù)或一般地通過本發(fā)明的涂覆方法，可以基于獨(dú)立涂層22的沉積而制得具有極高可負(fù)載性的非常細(xì)小粒狀的預(yù)產(chǎn)品13，其中如上所述的，根據(jù)試驗(yàn)所示的那樣，預(yù)處理過程不會產(chǎn)生或只會產(chǎn)生可忽略的副作用，由此可以非常簡單地實(shí)施這種預(yù)處理過程，例如簡單的清潔過程，因此可以再次表明該方法本身是成本低廉的。
起始時可對基材22進(jìn)行加熱并在涂覆過程的后續(xù)階段將其冷卻，以使其保持在某個特定的溫度水平上。
其中，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的熱平衡并由此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)(變化)。
也可以通過基材夾持器11的旋轉(zhuǎn)速率調(diào)解實(shí)現(xiàn)熱平衡，從而彌補(bǔ)冷凝熱通過輻射的熱損失。
經(jīng)由濺射陰極可以例如涂覆上粘結(jié)層，如果需要的話。
由于蒸發(fā)源7具有最終尺寸，所以根據(jù)本發(fā)明設(shè)計，對于較大的基材22構(gòu)造可直線移動的基材夾持器11，例如沿著基材夾持器11的旋轉(zhuǎn)軸28的方向移動。由此實(shí)現(xiàn)較大表面的螺線形涂覆。
其中為制得一致的、即均勻的涂層12，優(yōu)選通過旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動而協(xié)調(diào)相互的運(yùn)動，方式是使經(jīng)涂覆的涂覆部件在邊緣區(qū)域內(nèi)至少部分重疊。
在圖2的虛線部分中還表明，在基材22的未經(jīng)處理的表面29上，即在基材22上面對于涂層12的表面上，可以設(shè)置至少另一層功能層，如防侵蝕層、特別是防止摩擦損耗的涂層，例如由CuSn6或CuSn等構(gòu)成的涂層。但是，也可在兩個側(cè)面上進(jìn)行本發(fā)明的涂覆過程，例如在所述第二表面上同樣構(gòu)造適于軸承元件的轉(zhuǎn)動層。
最后，圖3顯示了如圖2所示的軸承元件、特別是滑動軸承半殼30形式時的預(yù)產(chǎn)品13的優(yōu)選使用情況。這種元件是通過對預(yù)產(chǎn)品13進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)成型或變形加工而形成的，并且具有基材22以及至少涂層12。
但是也證實(shí)，本發(fā)明的方法不只可用于這種預(yù)產(chǎn)品13上，而且還可通常在金屬基材22上制得例如磨損層，防侵蝕層。
但是本發(fā)明的軸承元件也可構(gòu)造成全軸承、軸承軸套的形式。
在這種軸承元件中，涂層12具有較小的厚度，且其中很有可能有多達(dá)60％的初始層厚會由于沖擊壓縮或通常由于形變而損失。由于該原因，所以并不強(qiáng)迫性地需要注意在獨(dú)立涂層21上具有規(guī)則的層厚。
圖4至6所示一方面是粗糙度曲線圖，另一方面是橫切面光顯微鏡照片以及如圖2根據(jù)本發(fā)明所制得的預(yù)產(chǎn)品13的涂層12表面的光柵電子顯微鏡照片。所述預(yù)產(chǎn)品由鋼條帶制成的基材22以及構(gòu)成涂層12的AlSn20Cu合金構(gòu)成。其中，鋼條帶具有3000×260×3mm的尺寸并且其被設(shè)置在如圖1所示的具有1000mm直徑的基材夾持器11上。其中生產(chǎn)制得了100層的獨(dú)立涂層21，且厚度在150℃下均為1μm。
如目前的圖4所示，可以制得非常平整的涂層12的表面，根據(jù)DIN EN ISO4287得到的算術(shù)平均粗糙度系數(shù)Ra為0.951μm，而根據(jù)DIN EN ISO 4287得到的最大粗糙度曲線高度Rz為6.287μm或R3z為4.843μm。
由圖5可看出，涂層12結(jié)構(gòu)均勻并且在光顯微鏡下無法區(qū)分各獨(dú)立涂層。此外，從該圖中也可看出，盡管沒有涂覆粘結(jié)層，但是基材22與涂層12之間也沒有粘結(jié)缺陷。
圖5和圖6證明了涂層12表面的細(xì)粒度，其中如圖5所示的橫切面沒有被侵蝕并且表面的光柵電子顯微鏡照片顯示了500倍的放大效果。
從圖5能看出，總的層厚在90至91μm之間。
其中，AlSn20Cu層具有以下微硬度數(shù)值39.1/38.8/39.2/38.7/38.8 UMHV5p37.4/38.3/38.5/36.5/37.9 UMHV10p硬度值是維氏-微硬度測量值，利用0.0005或0.001千磅測試力并根據(jù)DINEN ISO 6507-1標(biāo)準(zhǔn)測得。
維氏硬度以HV＞50的條件測量。
而在其他試驗(yàn)中也以HV＞60條件制得涂層12。
涂層12的組成在10個區(qū)域上測量并具有以下結(jié)果
如各測量值所示，利用本發(fā)明的涂覆方法已經(jīng)可在并非優(yōu)化的前期試驗(yàn)中獲得很均勻的、單一的涂層12。
通?？梢钥隙?，利用本發(fā)明的方法可由氣相制得蒸發(fā)的涂層12，且該涂層與相同組成的濺射層相比具有30％、特別是35％、優(yōu)選40％的更小的維氏硬度值。本發(fā)明的涂層12由于與濺射層相比有著更高的韌性，因而具有更高的斷裂伸長率。
另外，還可制得與濺射層相比不具有來自于蒸發(fā)源7的痕量元素的涂層12。
另外還可成本低廉地制得不含鉛的涂層。
這些實(shí)施例顯示了涂覆裝置1以及預(yù)產(chǎn)品13的可能實(shí)施方案，而在這種情況下要看到，本發(fā)明并不局限于這些特殊的實(shí)施方案，而更確切地說也可以是各個實(shí)施方式彼此之間的多種結(jié)合方式，并且根據(jù)技術(shù)貿(mào)易上的教導(dǎo)并通過具體的
發(fā)明內(nèi)容
，這些變化方案都在本技術(shù)領(lǐng)域：
普通技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。因此，所有可想到的、通過所描繪和所述的變體實(shí)施方案的各個細(xì)節(jié)的組合而可以得到的實(shí)施方案，也包括在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
按規(guī)定，最后也要指出，為了更好地理解涂覆裝置1和預(yù)產(chǎn)品13以及軸承元件的結(jié)構(gòu)，它們或者它們的組件部分地是不按比例和/或以放大和/或縮小方式繪出的。
基于獨(dú)立的本發(fā)明解決方案的任務(wù)可以從說明書中獲悉。
首先，圖1；2；3；4、5、6中所示的各個實(shí)施方案都可以構(gòu)成獨(dú)立的、本發(fā)明解決方案的內(nèi)容。與此相關(guān)的本發(fā)明任務(wù)和解決方案都可從這些附圖的具體描述中獲悉。
附圖標(biāo)記1 涂覆裝置2 罩殼3 隔離室4 內(nèi)室5 能量源6 能量束7 蒸發(fā)源8 表面9 金屬10 容納器11 基材夾持器12 涂層13 預(yù)產(chǎn)品14 微粒流15 蒸發(fā)射束16 箭頭17 支撐裝置18 遮擋板19 離子化源20 電極21 獨(dú)立涂層22 基材23 磁控管24 預(yù)處理裝置25 冷卻系統(tǒng)26 入口27 出口28 旋轉(zhuǎn)軸29 表面30 滑動軸承半殼
權(quán)利要求
1.涂覆方法，該方法中，在基材夾持器(11)所夾持著的平整的金屬基材(22)上，在減壓條件下從氣相中沉積出由微粒構(gòu)成的金屬涂層(12)，其中利用至少一個能量源(5)將所述的微粒從構(gòu)成至少一個蒸發(fā)源(7)的容器中蒸發(fā)出來，其特征在于，金屬涂層(12)由多個獨(dú)立涂層(21)連續(xù)地構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求
1所述的涂覆方法，其特征在于，在基材(22)上沉積具有規(guī)定的層厚的獨(dú)立涂層(21)，所述厚度選自下限為10nm且上限為10μm的范圍。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的涂覆方法，其特征在于，所述金屬涂層(12)以層厚度大于100μm、特別是大于150μm、優(yōu)選大于200μm，例如300μm-400μm制造。
4.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，獨(dú)立涂層(21)的數(shù)量選自下限為50、特別是100、優(yōu)選250且上限為5000、特別是4000、優(yōu)選2500的范圍。
5.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，所述獨(dú)立涂層(21)以表面粗糙度小于基材(22)的表面粗糙度制造。
6.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，所使用的基材(22)其與平均基材厚度的偏差不大于200μm、特別是不大于150μm、優(yōu)選不大于100μm。
7.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，所述基材(22)多次地在特別是同一蒸發(fā)源(7)上做循環(huán)運(yùn)動、特別是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或直線運(yùn)動。
8.如權(quán)利要求
7所述的涂覆方法，其特征在于，將基材(22)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動結(jié)合起來。
9.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，在至少一個蒸發(fā)源(7)之外，并在金屬涂層(12)內(nèi)或獨(dú)立涂層(21)之間，通過涂層(12，21)的至少各個組分的擴(kuò)散而進(jìn)行均勻化處理。
10.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，使用多個蒸發(fā)源(7)，且它們每一個含有用于構(gòu)造涂層的化學(xué)純元素。
11.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，將一種雙成分或多成分體系用作金屬涂層(12)，且所述體系包含選自包括鋁、錫、銅、鉛的第一組的基本元素，且與至少一種選自下組的其他元素進(jìn)行合金化，該組包括鉛、錫、鉍、鋅、硅、鎂、錳、鐵、鈧、鋯、鉻、銅、鋁、鈹，前提是所述其他元素不同于基本元素。
12.如權(quán)利要求
11所述的涂覆方法，其特征在于，由這些成分形成合金。
13.如權(quán)利要求
11或12所述的涂覆方法，其特征在于，所述成分各自先后地沉積于獨(dú)立涂層(21)中。
14.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，在基材(22)的未經(jīng)涂覆的表面(29)上涂覆耐摩擦侵蝕的涂層。
15.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，在金屬涂層(12)和基材(22)之間涂覆粘結(jié)層。
16.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，制備具有規(guī)定孔隙度的獨(dú)立涂層(21)的至少最外層。
17.如權(quán)利要求
16所述的涂覆方法，其特征在于，所產(chǎn)生的孔隙具有選自下限為0.1μm且上限為10μm、特別是下限為0.5μm且上限為5μm的范圍內(nèi)的平均孔徑。
18.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，將金屬涂層(12)構(gòu)造為用于軸承元件、特別是滑動軸承的滑動層。
19.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，制備用于軸承元件、特別是滑動軸承的預(yù)產(chǎn)品(13)。
20.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，在涂覆了至少第一獨(dú)立涂層(21)之后，通過用高能量微粒轟擊而改善這些獨(dú)立涂層(21)的結(jié)構(gòu)。
21.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，將一部分蒸發(fā)的微粒離子化，并在沉積獨(dú)立涂層(21)時在生產(chǎn)于基材(22)與至少一個電極(20)之間的電場中沿著指向基材或已涂覆獨(dú)立涂層的表面的方向，和/或在位于電極之間、用于建立至少近似垂直于基材夾持器與至少一個蒸發(fā)源之間的微粒流的電場中對所述離子化的微粒進(jìn)行加速。
22.如權(quán)利要求
21所述的涂覆方法，其特征在于，建立電場的電壓選自下限為10V且上限為800V、優(yōu)選下限為50V且上限為600V、特別是下限為100V且上限為400V的范圍。
23.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，將金屬基材(22)調(diào)溫到比待蒸發(fā)元素的熔點(diǎn)的最低熔點(diǎn)至少低10℃的溫度值。
24.如權(quán)利要求
18至23之一所述的涂覆方法，其特征在于，沉積在成品軸承元件于緊急溫度之下工作時會發(fā)生相變的成分，用以構(gòu)造獨(dú)立涂層(21)的至少一層最外層。
25.如權(quán)利要求
24所述的涂覆方法，其特征在于，用以構(gòu)成亞穩(wěn)相的成分選自錫、銀、銅、鋁、錳、鎂、鉛、鈹以及它們混合物的元素形成的化合物。
26.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，硬化至少一層位于基材表面上的獨(dú)立涂層(21)。
27.如上述權(quán)利要求
之一所述的涂覆方法，其特征在于，對于至少一種成分，從基材表面上的最內(nèi)獨(dú)立涂層(21)起沿著最外獨(dú)立涂層(21)的方向形成濃度梯度。
28.如上述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，制備所蒸發(fā)的涂層(12)或至少一層獨(dú)立涂層(21)，且它們與具有相同組成的濺射層相比具有低30％、特別是低35％、優(yōu)選低40％的維氏硬度。
29.條帶形且特別是用于制備軸承元件的平整的預(yù)產(chǎn)品(13)，其具有金屬基材(22)且在其上設(shè)置有至少一層金屬涂層(12)，特別是根據(jù)上述權(quán)利要求
之一所制得的金屬涂層，其特征在于，是根據(jù)前述權(quán)利要求
1至6或11至19或24至28任一項(xiàng)中所述的相應(yīng)技術(shù)特征而構(gòu)造的。
30.如權(quán)利要求
29所述的預(yù)產(chǎn)品(13)，其特征在于，合金選自AlSnxCu、AlSnxSi、AlPbx、CuSnx、CuBix、CuSnBix、SnAlx、SnSbx，且其中x特別是指選自下限為6且上限為30的范圍的數(shù)值。
31.用于在氣相中且在減壓條件下用由微粒構(gòu)成的金屬涂層(12)涂覆平整的金屬基材(22)的裝置，其具有真空密封的罩殼(2)、筒形的基材夾持器(11)、至少一個用以產(chǎn)生微粒的電子束蒸發(fā)器以及至少一個形成微粒蒸發(fā)源(7)的容器，其特征在于，基材夾持器與加熱和冷卻系統(tǒng)(25)相連。
32.特別是如權(quán)利要求
31所述的，用于在氣相中且在減壓條件下用由微粒構(gòu)成的金屬涂層(12)涂覆平整的金屬基材(22)的裝置，其具有真空密封的罩殼(2)、筒形的基材夾持器(11)、至少一個用以產(chǎn)生微粒的電子束蒸發(fā)器以及至少一個構(gòu)成微粒蒸發(fā)源(7)的容器，其特征在于，在基材夾持器(11)的旋轉(zhuǎn)方向上，在至少一個蒸發(fā)源(7)之后設(shè)置磁控管(23)，特別是一種陰極霧化磁控管。
33.特別是如權(quán)利要求
31或32所述的，用于在氣相中且在減壓條件下用由微粒構(gòu)成的金屬涂層(12)涂覆平整的金屬基材(22)的裝置，其具有真空密封的罩殼(2)、筒形的基材夾持器(11)、至少一個用以產(chǎn)生微粒的電子束蒸發(fā)器以及至少一個構(gòu)成微粒蒸發(fā)源(7)的容器，其特征在于，基材夾持器(11)相對于所圍繞的金屬部件預(yù)先設(shè)置電負(fù)性的電壓，和/或在基材夾持器(11)和至少一個蒸發(fā)源(7)之間設(shè)置一個用于蒸發(fā)的金屬微粒的離子化裝置，例如電極(20)與電壓源導(dǎo)電連接，用以建立一個至少近似垂直于基材夾持器(11)與至少一個蒸發(fā)源(7)之間的微粒流(14)的電場。
專利摘要
本發(fā)明中描述了一種涂覆方法，該方法中，在基材夾持器(11)所夾持著的平整的金屬基材(22)上，在減壓條件下從氣相中沉積出由微粒構(gòu)成的金屬涂層(12)，其中利用至少一個能量源(5)將所述的微粒從構(gòu)成至少一個蒸發(fā)源(7)的容器中蒸發(fā)出來。金屬涂層(12)由多個獨(dú)立涂層(21)連續(xù)構(gòu)造。
文檔編號F16C33/12GK1990901SQ200610064183
公開日2007年7月4日 申請日期2006年7月12日
發(fā)明者G·艾岑格 申請人:米巴·格來特來格有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan