DE102019206414A1

DE102019206414A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen und beschichtete Arbeits- und/oder Dressierwalze

Info

Publication number: DE102019206414A1
Application number: DE102019206414.0A
Authority: DE
Inventors: Janine Schauer-Paß; Stefan Peter Puls
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen, bei dem durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung (14) auf eine metallische Oberfläche (2) einer Walze (1) aufgebracht wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen und eine beschichtete Arbeits- und/oder Dressierwalze.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen und eine beschichtete Arbeits- und/oder Dressierwalze.
Arbeits- und/oder Dressierwalzen werden bei der Herstellung üblicherweise einer Oberflächenbehandlung unterzogen, bei der zunächst eine definierte Rauheit und/oder Texturierung der Walzenoberfläche erzeugt und anschließend eine Beschichtung aufgetragen wird, durch die die Oberflächenhärte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verbessert wird.
Ein gängiges, aus dem Stand der Technik bekanntes Herstellungsverfahren beruht auf einer galvanisch abgeschiedenen Hartverchromung. Als Rohling für die Walze dient dabei ein geschmiedeter Gusskörper, der auf das vorgegebene Maß gedreht und anschließend gehärtet wird. Für den Einsatz in Dressiergerüsten ist eine hohe Härte wünschenswert, da sich auf diese Weise eine bessere Rauheitsübertragung zwischen Walze und Walzgut erreichen lässt und sich eine härtere Walze zudem weniger schnell abnutzt. Der Walzenrohling kann weiterhin auf Maß und eine definierte Oberflächenrauheit geschliffen und anschließend je nach Einsatzart texturiert und hartverchromt werden. Die Hartverchromung erfolgt üblicherweise durch ein elektrolytisches Verfahren, bei der mittels eines Cr(VI)-Elektrolyten eine mehrere Mikrometer dicke Chromschicht gebildet wird, die genau der darunterliegenden Oberflächentopographie folgt.
Die elektrolytisch abgeschiedene Chromschicht verfügt über eine hohe Schmelztemperatur (1890 °C) und eine hohe Härte (800 bis 1000 HV). Auf der Oberfläche bilden sich Risse durch Chromhydrid aus, welches sich unter einer Kontraktion seines Volumens um über 15 % zu Chrom und Wasserstoff zersetzt. Diese Risse erfüllen beim Betrieb der Walzen die Funktion von Schmierstofftaschen, so dass sich während des Walzprozesses weniger Schmutz auf dem Walzgut bildet. Zusätzlich weisen Chromschichten eine fest auf der Oberfläche haftende Oxidschicht auf, die bei Beschädigung nachgebildet wird, so dass adhäsiver Verschleiß vermindert und die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird. Weiterhin verhindert eine verchromte Walze eine Metallaufschiebung im Walzprozess und trägt zu einer insgesamt längeren Standzeit der Walze bei.
Ein entscheidender Nachteil der elektrolytischen Hartverchromung besteht in der hohen Toxizität und Karzinogenität von Chrom(VI)-Verbindungen. Durch die Verordnung (EG) 1907/2006 (REACH-Verordnung) wird daher für mehrere Produkte eine Beschränkung des Chrom(VI)-Gehalts und eine Zulassungspflicht für verschiedene Chromverbindungen festgelegt.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin verschiedene Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung bekannt. Im Zusammenhang mit Walzenbeschichtungen ist beispielsweise aus der DE 40 06 550 C1 eine Kombination eines elektrolytischen Verfahrens mit physikalischer Gasphasenabscheidung zur Hartstoffbeschichtung von Walzen und Rollen bekannt.
Im allgemeinen Zusammenhang mit Beschichtungen ist weiterhin das reaktive Gasflusssputtern bekannt, das in erster Linie zur Herstellung von Hochtemperaturschutzschichten, insbesondere für Gasturbinenschaufeln und für optische und magnetische Schichten eingesetzt wird. Herstellungsverfahren für Hochtemperaturschutzschichten mittels Gasflusssputtern sind beispielsweise aus den Druckschriften US 6752911 B2 , US 6346301 B2 und US 6210744 B1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Gesundheits- und Umweltbelastung bei der Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen zu reduzieren. Insbesondere sollen die Oberflächeneigenschaften (Härte, Langzeitbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit etc.) der Walzen zumindest vergleichbar mit konventionell, hartverchromten Walzen sein.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen, bei dem durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung auf eine metallische Oberfläche einer Walze aufgebracht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche der Walze, insbesondere einer Stahlwalze durch Gasflusssputtern mit einer Hartstoffschicht versehen, mit der sich die für den Walzvorgang erforderliche Oberflächenhärte, Verschleiß- und/oder Korrosionsbeständigkeit erzielen lässt. Im Gegensatz zur Hartverchromung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Chrom(VI)-lonen freigesetzt und die Gesundheits- und Umweltverträglichkeit des Herstellungsprozesses damit erheblich verbessert. Aufgrund der geringen Erwärmung der Walzenoberfläche bei der Abscheidung lässt sich durch das Gasflusssputtern zudem effektiv verhindern, dass die relativ niedrige Anlasstemperatur des Walzenmaterials erreicht bzw. überschritten wird.
Beim reaktiven Gasflusssputtern handelt es sich um eine Variante der Hohlkathodenzerstäubung, bei der eine, in einer Hohlkathode gezündete Glimmentladung mit einem hohen, durch die Hohlkathode geführten Inertgasstrom kombiniert wird. Die Oberfläche der Hohlkathode ist mit dem zu zerstäubenden Material (Target) versehen, aus dem durch die, in der Glimmentladung freigesetzten hochenergetischen Ionen Atome herausgeschlagen werden. Das zerstäubte Targetmaterial wird durch das Inertgas zu der Walzenoberfläche getragen, wo es in Kombination mit einem ebenfalls auf die Oberfläche zuströmenden Reaktivgas die nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung bildet.
Bei der Hohlkathodenzerstäubung wird durch den sogenannten Hohlkathodeneffekt eine, gegenüber herkömmlicher Kathodenzerstäubung stark erhöhte Ladungsträgerdichte in der Entladungszone erzeugt, durch die sich eine entsprechend hohe Sputterausbeute, d.h. ein hohes Verhältnis von herausgelösten Target-Atomen pro einfallendem Ion, erzielen lässt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Hohlkathode vorzugsweise durch zwei parallel angeordnete, ebene Platten gebildet, im Folgenden auch als Linearquelle bezeichnet. Alternativ ist auch eine röhren- oder trichterförmige Hohlkathode denkbar. Die beim Hohlkathodeneffekt auftretende hohe Ladungsdichte ist eine Folge davon, dass die Entladung von der Kathodenoberfläche im Wesentlichen eingeschlossen wird und so Ladungsträgerverluste vermindert werden und die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, weitere Ladungsträger aus der Kathode herauszulösen. Ein wesentlicher Faktor ist dabei der sogenannte Pendeleffekt, bei dem niederenergetische Elektronen vom Kathodenfeld abprallen und ins Plasma zurückreflektiert werden, wo sie weitere Atome ionisieren können. Im Vergleich zur konventionellen Hohlkathodenzerstäubung dient das Inertgas beim Gasflusssputtern nicht nur dazu, ionisierbare Atome für die Gasentladung zur Verfügung zu stellen, sondern es transportiert zusätzlich die dadurch erzeugten Ionen von der Kathode zum Substrat, hier also zur Walzenoberfläche. Die beim Sputtern zerstäubten Target-Atome haben zunächst sehr hohe Geschwindigkeiten, die durch Kollisionen mit den Inertgas-Atomen abgebaut werden, so dass der die Walzenoberfläche erreichende Gasfluss aus Atomen mit relativ niedriger kinetischer Energie besteht, wodurch die Erwärmung der Walzenoberfläche beim Beschichten vorteilhafterweise niedrig gehalten werden kann.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Inertgas um ein Edelgas, besonders bevorzugt um Argon. Das Targetmaterial ist vorzugsweise auf zwei parallelen, ebenen Platten angeordnet, wobei auch eine parallele Anordnung von zwei oder mehr konkav geformten Flächen, oder eine röhrenförmige Hohlkathode mit kreisförmigem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt denkbar ist. Durch eine Trichterform mit einer zu- oder abnehmender Querschnittsfläche (auf die Richtung des Inertgasstroms bezogen), lässt sich eine relativ enge Fokussierung oder eine Aufweitung des Gasstroms erreichen. Der Plattenabstand bzw. der Durchmesser einer röhrenförmigen Kathode ist dadurch begrenzt, dass bei großen Abständen bzw. Durchmessern die Zerstäubungsrate absinkt. Im Falle der Linearquelle unterliegt zwar der Plattenabstand der vorgenannten Beschränkung, jedoch ist die Abmessung in der Richtung senkrecht zum Plattenabstand und zum Gasstrom (im Folgenden als Längsrichtung bezeichnet) über einen weiten Bereich skalierbar. Vorzugsweise sind Linearquelle und Walze derart angeordnet, dass die Längsrichtung mit der Axialrichtung der Walze zusammenfällt. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise ein entsprechend ausgedehnter Bereich der Walzenoberfläche beschichten. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die Ausdehnung der Linearquelle in Längsrichtung im Wesentlichen der Ausdehnung der Walze in Axialrichtung, so dass die Beschichtung über die gesamte Länge (axiale Ausdehnung) der Walze erfolgt. Alternativ ist auch eine Anordnung mehrerer Linearquellen oder röhrenförmiger Hohlkathoden denkbar, die so nebeneinander angeordnet sind, dass die Walze über die gesamte axiale Ausdehnung hinweg mit Beschichtungsmaterial angeströmt wird. Möglich ist auch, dass der, das Beschichtungsmaterial transportierende Gasstrom durch zusätzliche Führungsmittel aufgefächert oder gebündelt wird. Vorzugsweise wird die Hohlkathode gekühlt, besonders bevorzugt wird Kühlmittel, insbesondere Wasser durch die Hohlkathode geleitet oder an ihr entlang geleitet, um eine zu starke Erhitzung der Kathode zu vermeiden. Der Beschichtungsprozess wird vorzugsweise im Niedervakuum bei einem Druck von bis zu 0,8 mbar durchgeführt.
Vorzugsweise wird die Gasentladung mit Gleichspannung erzeugt, wobei jedoch auch eine Wechselspannung über einen großen Frequenzbereich zur Plasmaerzeugung eingesetzt werden kann. Weiterhin ist ein gepulster Betrieb möglich, bei dem mit jedem Spannungspuls stoßweise eine große Menge Targetmaterial aus der Kathode herausgelöst wird. Während des Transports zur Walze wird der gepulste Materialstrom durch Streuung am Inertgas homogenisiert, so dass die Beschichtung mit konstanter Rate auf der Walzenoberfläche abgeschieden wird.
Die durch die Hohlkathodenzerstäubung freigesetzten Targetatome bilden eine der beiden Komponenten der auf der Walzenoberfläche abgeschiedenen Beschichtung. Die andere Komponente wird durch das zusätzlich zugeführte stickstoff-, kohlenstoff- und/oder borhaltige Reaktivgas bereitgestellt. Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des Reaktivgases hinter der Hohlkathode (bezogen auf die Richtung des Gasstroms). Das aus der Hohlkathode ausströmende Inertgas verdrängt das Reaktivgas und verhindert auf diese Weise, dass Reaktivgas in die Hohlkathode eindringt und durch Reaktion mit dem Targetmaterial den Zerstäubungsprozess hemmt oder destabilisiert. Das Reaktivgas strömt zusammen mit dem das Sputtermaterial mit sich tragenden Inertgas auf die Walze zu und wird auf der Walzenoberfläche abgeschieden, wo das gesputterte Targetmaterial mit den Reaktivgasatomen zu Nitriden, Carbiden und/oder Boriden reagiert und so die erfindungsgemäße Hartstoffbeschichtung bildet.
Die Schichtdicke der nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung beträgt vorzugsweise 0,5 µm bis 15 µm und die Schichthärte beträgt mindestens 700 HV, insbesondere mindestens 750 HV, vorzugsweise mindestens 800 HV. Durch die geringe Schichtdicke bleibt eine gegebenenfalls vorhandene Texturierung der Oberfläche erhalten. Typische Werte der mittleren Rauheit liegen bei geschliffenen und beschichteten Walzenoberflächen bei R_A = 0,3 µm - 0,5 µm, bei texturierten Walzen bei R_A = 1,0 µm - 10,0 µm.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das beim reaktiven Gasflusssputtern zerstäubte Kathodenmaterial Titan, Bor, Chrom, Tantal, Zirconium und/oder Wolfram aufweist. Das Sputtertarget kann dabei vollständig aus Titan, Bor, Chrom, Tantal, Zirconium oder Wolfram bestehen oder aus Segmenten verschiedener Elemente zusammengesetzt sein. In letzterem Fall sorgt der Inertgasstrom für eine Durchmischung der gesputterten Atome aus verschiedenen Targetsegmenten. Eine solche Segmentierung erlaubt es, die Anteile der verschiedenen Targetmaterialien verhältnismäßig frei einzustellen. Alternativ lassen sich mehrere Gasstromsputterquellen mit verschiedenen Targetmaterialien simultan betreiben (Co-Deposition).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das beim reaktiven Gasflusssputtern zugeführtes Reaktivgas Stickstoff, Ammoniak (NH₄), Kohlenwasserstoffe und/oder Borwasserstoffe auf. Als Kohlenwasserstoffverbindung kann beispielsweise Methan (CH₄), Ethen (C₂H₄) oder Acetylen (C₂H₂) verwendet werden, während als mögliche Borwasserstoffverbindung Diboran (B₂H₆) in Frage kommt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Reaktivgas im Bereich der Walzenoberfläche zugeführt. Auf diese Weise wird das Reaktivgas in der Nähe der Walzenoberfläche zugeführt, so dass die reaktiven Elemente Stickstoff, Kohlenstoff und/oder Bor unmittelbar am Ort der Abscheidung in vorteilhaft hoher Konzentration zur Verfügung stehen.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das beim reaktiven Gasflusssputtern zugeführte Reaktivgas und/oder das zerstäubtes Kathodenmaterial mitführende Inertgas nur auf einen der Kathode zugewandten Teilbereich der Walzenoberfläche gerichtet wird. Auf diese Weise wird der Transportweg zwischen der Hohlkathode und Ort der Abscheidung vorteilhaft kurz gehalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Walze während des reaktiven Gasflusssputterns gedreht und/oder verschoben. Insbesondere für den Fall, dass das zugeführte Reaktivgas und/oder das zerstäubtes Kathodenmaterial mitführende Inertgas nur auf einen der Kathode zugewandten Teilbereich der Walzenoberfläche gerichtet wird, lässt sich auf diese Weise durch ein kontinuierliches Abtasten der Oberfläche eine vollständige Beschichtung der gesamten Walzenoberfläche durchführen. Beispielsweise kann der Strom aus Reaktiv- und Inertgas gleichzeitig über die gesamte Länge (d.h. Ausdehnung in Axialrichtung) der Walze zugeführt werden, während durch die Drehung der Walze ein gleichmäßiges Abtasten der Walzenoberfläche in Umfangrichtung erreicht wird. Denkbar ist auch eine Überlagerung aus Drehung in Umfangrichtung und Verschiebung in Axialrichtung der Walze, so dass die Oberfläche entlang einer Schraubenlinie abgetastet wird. Alternativ kann das Abtasten auch durch eine Drehung der Walze und eine gleichzeitige Verschiebung der Materialquelle erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Beschichtung Titannitrid, Bornitrid, Chromnitrid, Tantalnitrid, Zirconiumnitrid, Titancarbid, Chromcarbid, Borcarbid, Tantalcarbid, Zirconiumcarbid und/oder Titanborid aufweist. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Folgenden: Durch die Kombination von Titan oder einer Titanverbindung als Targetmaterial mit Stickstoff als Reaktivgas lässt sich eine Beschichtung aus Titannitrid herstellen. In ähnlicher Weise ergibt die Kombination von Chrom oder einer Chromverbindung als Targetmaterial mit Stickstoff eine Beschichtung aus Chromnitrid. Eine Kombination von Wolfram mit Methan, Ethen oder Acetylen ermöglicht die Erzeugung einer Wolframcarbid-Beschichtung.
Im Falle einer bornitridhaltigen oder borcarbidhaltigen Beschichtung wird der Boranteil vorzugsweise durch das Sputtermaterial bereitgestellt, während der Stickstoffanteil durch das Reaktivgas zur Verfügung gestellt wird. Dies kann beispielsweise mit einem Target aus reinem Bor oder einer Borverbindung erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vor dem Gasflusssputtern eine Haftvermittlungsschicht auf die Walzenoberfläche aufgebracht wird. Denkbar ist dabei eine Zwischenschicht, beispielsweise aus Nickel, die als Haftvermittler zwischen der eigentlichen Hartstoffschicht und der Walzenoberfläche wirkt und so die Haftung der aufgebrachten Beschichtung verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Erhöhung oder Verringerung einer Zuflussrate des Reaktivgases und/oder des Inertgases eine Gradientenschicht erzeugt. Durch eine zeitliche Veränderung der Zuflussrate des Inertgases wird die Sputterrate in der Hohlkathode beeinflusst und gleichzeitig die Geschwindigkeit des Abtransports des gesputterten Materials erhöht oder verringert. Durch eine zeitliche Variation der Zuflussrate des Reaktivgases lässt sich die Menge des an der Walzenoberfläche zur Verfügung stehenden Stickstoffs, Kohlenstoffs und/oder Bors beeinflussen. Durch Variation eines oder beider Zuflussraten lassen sich vorteilhafterweise Gradientenschichten erzeugen, bei denen die Schichthärte beispielsweise mit dem Abstand zur Oberfläche ab- oder zunimmt. Die lokale Zusammensetzung der Schicht kann symbolisch als MxAy beschrieben werden, wobei M das Sputtermaterial (insbesondere ein Metall oder Halbmetall), A den reaktiven Partner (Stickstoff, Kohlenstoff und/oder Bor) und x bzw. y den jeweiligen Anteil von M bzw. A kennzeichnet. Es gilt dabei mehrere Fälle zu unterscheiden:

a. eine stöchiometrische Verbindung ist gegeben für x=x' und y=y', wobei x' und y' den ideal besetzten Gitterstrukturen der jeweiligen Verbindung entsprechen, z. B. TiB₂ mit x'=1 und y'=2. Generell kann x ungleich y sein, obwohl Stöchiometrie vorliegt;
b. eine überstöchiometrische Verbindung ist gegeben für x > x' oder y < y';
c. eine unterstöchiometrische Verbindung ist gegeben für x < x' oder y > y'.

Durch Unter- oder Überstöchiometrie kann sich unter bestimmten Umständen die Härte der Schicht erhöhen, wobei die höhere Härte auf eine Zunahme von Gitterdefekten zurückzuführen ist. Im Falle einer Unterstöchiometrie sind dies typischerweise Punktdefekte, im Fall einer Überstöchiometrie die Besetzung von Zwischengitterplätzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an der Walzenoberfläche eine Substratvorspannung (Substrat-Biasspannung, Bias) angelegt. Die Substratvorspannung kann sowohl eine Gleichspannung, als auch eine mittel- oder hochfrequente Wechselspannung sein. Die Walzenoberfläche kann auf demselben oder einem anderen Potential liegen wie die Hohlkathode und durch dieselbe oder eine separate Spannungsquelle gespeist werden. Durch den Bias kommt es zu einem erhöhten Fluss von Inertgasionen zum Substrat hin, wodurch beispielsweise Verunreinigungen von der Oberfläche gelöst werden können oder durch Rücksputtern die Abscheidung verbessert werden kann.
Eine weitere Möglichkeit, eine Gradientenschicht zu erzeugen, besteht in einer zeitlichen Variation der Substratvorspannung. Durch die Veränderung der Substratvorspannung lässt sich der Ablagerungsprozess an der Walzenoberfläche so beeinflussen, dass die aufwachsende Schicht eine höhere Dichte und damit eine höhere Härte aufweisen kann. Generell ist zu erwarten, dass sich eine solche Verdichtung bei einer Erhöhung der Substratvorspannung ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Walzenoberfläche vor dem Aufbringen der Beschichtung durch Ionenbombardement behandelt, insbesondere gereinigt. Beispielsweise kann das Ionenbombardement dazu eingesetzt werden, die Desorption von Verunreinigungen, insbesondere von Wassermolekülen, anzuregen oder zu beschleunigen („ion scrubbing“). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch das Bombardement die Walzenoberfläche in einer Weise zu präparieren, die die Haftung der anschließend aufgebrachten Beschichtung oder deren Wachstum verbessert. Eine solche Oberflächenmodifikationen besteht beispielsweise in der gezielten Erzeugung von Oberflächendefekten, an die sich die abgeschiedenen Atome des Sputtermaterials und des Reaktivgases anlagern können, wodurch die Ausbildung der Beschichtung begünstigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem reaktiven Gasflusssputtern eine Walze bereitgestellt, welche, insbesondere zumindest bereichsweise, eine bestehende Beschichtung aufweist, wobei die bereitgestellte Walze vor dem reaktiven Gasflusssputtern an ihrer Oberfläche zumindest bereichsweise materialabtragend, zum Beispiel spanend, bearbeitet wird, um die Oberfläche der Walze zu begradigen und/oder die bestehende Beschichtung teilweise oder vollständig abzutragen. Mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich vorteilhafterweise eine Wiederbeschichtung einer Arbeits- und/oder Dressierwalze durchführen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen, insbesondere von beschichteten Arbeits- und/oder Dressierwalzen, wobei die Vorrichtung eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hohlkathode, eine Inertgaszuführung, eine Reaktivgaszuführung und eine Aufnahme für eine Walze aufweist, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung auf eine metallische Oberfläche der Walze aufbringbar ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Aufnahme für die Walze derart gestaltet ist, dass die Walze drehbar und/oder verschiebbar gelagert ist.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten vorteilhaften Ausgestaltungen können bei der Vorrichtung auch die im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschriebenen vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen allein oder in Kombination Anwendung finden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Arbeits- und/oder Dressierwalze, wobei eine metallische Oberfläche der Walze eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung aufweist, die mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht wurde. Die erfindungsgemäße Arbeits- und/oder Dressierwalze lässt sich für den Kaltwalzprozess von Stahl oder anderen Metallen bzw. Metalllegierungen einsetzen. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise 0,5 µm bis 15 µm und die Schichthärte beträgt mindestens 700 HV, insbesondere mindestens 750 HV, vorzugsweise mindestens 800 HV.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränkt.
Figurenliste

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 2a zeigt schematisch eine auf die Walzenoberfläche aufgebrachte Beschichtung.
Die 2b zeigt schematisch eine Walzenoberfläche mit Beschichtung und Haftvermittlungsschicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
1 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung. Die nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung 14 wird dabei mittels reaktivem Gasflusssputtern auf die metallische Walzenoberfläche 2 aufgebracht. Die Beschichtung 14 besteht aus einer Verbindung, die auf der Oberfläche 2 durch die Reaktion von stickstoff-, kohlenstoff- und/oder borhaltigem Reaktivgas mit einem gesputterten Material wie beispielsweise Titan, Bor, Chrom, Tantal, Zirconium und/oder Wolfram gebildet wird.
Das gesputterte Material wird durch hochenergetische Ionen aus dem Targetmaterial 3 herausgelöst. Die Ionen werden durch eine Glimmentladung im Innern einer Hohlkathode 3, 4 erzeugt, die im abgebildeten Fall durch eine Anordnung aus zwei parallelen Platten 4 gebildet wird, deren einander zugewandte Flächen mit dem zu zerstäubenden Targetmaterial 3 versehen sind. Aus einer Zuführung 8 strömt Inertgas wie beispielsweise Argon in die Hohlkathode 3, 4 ein, die durch die Spannungsquellen 9 auf einem negativen elektrischen Potential gehalten werden. Die Anode 10 ist hier lediglich schematisch angedeutet. Im einfachsten Fall wird die Anode 10 durch das (nicht dargestellten) Gehäuse der Inertgasquelle 8 gebildet und liegt auf Massepotential. Es ist jedoch auch denkbar, durch eine geeignet gewählte Form und gezielte Positionierung einer separaten Anode 10 einen spezifischen Feldverlauf zu erzeugen. In der Entladungszone 5 im Innern der Hohlkathode 3, 4 werden Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation weitere Elektronen-Ionen-Paare, so dass durch den damit einsetzenden Lawineneffekt ein Plasma, genauer gesagt eine Gasentladung, entsteht. Die in der Entladung erzeugten, positiv geladenen Ionen werden zum Target 3 hin beschleunigt, wo sie beim Auftreffen ihren Impuls in die Targetoberfläche einbringen und dort eine Stoßkaskade auslösen, die Atome oder Atomcluster aus der Oberfläche 2 herausreißt. Durch die Hohlkathode 3, 4 wird eine Geometrie geschaffen, in der sich vorteilhafterweise besonders hohe Ladungsträgerdichten ausbilden (Hohlkathodeneffekt), die zu einer entsprechend hohen Sputterrate führen.
Während sich das gesputterte Material bei herkömmlichen, auf Kathodenzerstäubung basierenden Beschichtungsverfahren im Wesentlichen ballistisch zum Substrat (hier die Walzenoberfläche 2) hin bewegt, wird der Transport beim Gasflusssputtern von dem Inertgasstrom geleistet, der mit relativ großer Durchflussrate durch die Hohlkathode 3, 4 strömt und dabei nicht nur das ionisierbare Gas für die Entladung bildet, sondern zusätzlich das abgesputterte Material aufnimmt und zur Walzenoberfläche 2 trägt. Damit das Sputtermaterial bei einer, auf ballistischem Transport beruhenden Methode das Substrat 13 erreicht, muss die Bedingung erfüllt sein, dass die mittlere freie Weglänge der vom Target 3 zerstäubten Atome mindestens so groß ist wie der Abstand zwischen Target 3 und Substrat 13. Die mittlere freie Weglänge wird im Wesentlichen durch den Gasdruck bestimmt, der daher bei dem herkömmlichen Verfahren entsprechend niedrig gehalten werden muss. Beim Gasflusssputtern wird der Transport des Sputtermaterials zwischen Target 3 und Substrat 13 dagegen durch den Gasstrom 6 geleistet, beruht also nicht auf dem freien Flug durch das verdünnte Arbeitsgas, sondern auf der intensiven Inertgasströmung. Der Beschichtungsprozess lässt sich daher typischerweise im Niedervakuum bei einem Druck von bis zu 0,8 mbar durchführen. Beim Transport zum Substrat 13 verlieren die gesputterten Atome durch Stöße mit den Inertgasatomen einen Großteil ihrer kinetischen Energie, so dass das Abscheiden zu keiner starken Erwärmung der Walzenoberfläche 2 führt.
Hinter der Hohlkathode 3, 4 sind Zuführungen 7 für das Reaktivgas angeordnet. Die Mischung aus Reaktivgas und dem das Sputtermaterial mitführenden Inertgasstrom 6 erreicht die Oberfläche 2 und bildet dort die nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung 14 aus.
In der Abbildung liegt die Walze 1 auf demselben elektrischen Potential wie die Hohlkathode 3, 4, wodurch eine Substratvorspannung erzeugt wird, die den Fluss von Inertgasionen zum Substrat hin erhöht, so dass beispielsweise Verunreinigungen von der Oberfläche gelöst werden können oder durch Rücksputtern die Abscheidung verbessert wird. Vorzugsweise entspricht die Längsausdehnung 16 der Hohlkathode 3, 4 im Wesentlichen mindestens der Länge der Lauffläche der Walze 1 (Ausdehnung in Axialrichtung, hier senkrecht zur Zeichenebene). Die Walzenachse ist dabei parallel zur Längsrichtung der Hohlkathode 3, 4 ausgerichtet, so dass der Strom aus Sputtermaterial und Reaktivgas über die gesamte Länge der Walze 1 auf die Oberfläche 2 einwirkt. In Richtung des Walzenumfangs wird, wie hier schematisch dargestellt, nur ein, der Hohlkathode 3, 4 zugewandter Teilbereich 11 der Walzenoberfläche 2 von dem Gasstrom getroffen. Durch eine kontinuierliche Drehung 12 der Walze 1 wird im Laufe der Zeit jedoch die gesamte Walzenoberfläche 2 überstrichen oder mehrfach überstrichen.
In der 2a ist schematisch das durch die Walzenoberfläche 2 gebildete Substrat 13 mit einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hartstoffschicht 14 abgebildet.
In der 2b ist schematisch eine, mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellte Walzenoberfläche 2 dargestellt, bei der vor der Abscheidung der Hartstoffschicht 14 eine Haftvermittlungsschicht 15, beispielsweise in Form einer Nickelschicht auf die Walzenoberfläche 2 aufgebracht wurde.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen wird durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung 14 auf eine metallische Oberfläche 2 einer Walze 1 aufgebracht. Das Verfahren kann mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen durchgeführt werden, wobei die Vorrichtung eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hohlkathode 3, 4, eine Inertgaszuführung 8, eine Reaktivgaszuführung 7 und eine Aufnahme für eine Walze 1 aufweist, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung 14 auf eine metallische Oberfläche der Walze 1 aufbringbar ist. Auf diese Weise lässt sich eine Arbeits- und/oder Dressierwalze herstellen, bei der eine metallische Oberfläche 2 der Walze 1 eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung 14 aufweist, die mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht wurde.
Bezugszeichenliste

1: Walze
2: Walzenoberfläche
3: Targetmaterial der Hohlkathode
4: Basisplatte der Hohlkathode
5: Entladungszone
6: Inertgasstrom mit gesputtertem Material
7: Reaktivgaszuführung
8: Inertgaszuführung
9: Spannungsquelle
10: Anode
11: kathodenzugewandter Teilbereich
12: Drehbewegung der Walze
13: Substrat
14: Beschichtung
15: Haftvermittlungsschicht
16: Längsausdehnung der Hohlkathode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4006550 C1 [0006]
US 6752911 B2 [0007]
US 6346301 B2 [0007]
US 6210744 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen, dadurch gekennzeichnet, dass durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung (14) auf eine metallische Oberfläche (2) einer Walze (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim reaktiven Gasflusssputtern zerstäubtes Kathodenmaterial Titan, Bor, Chrom, Tantal, Zirconium und/oder Wolfram aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim reaktiven Gasflusssputtern zugeführtes Reaktivgas Stickstoff, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe und/oder Borwasserstoffe aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim reaktiven Gasflusssputtern zugeführtes Reaktivgas im Bereich der Walzenoberfläche (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim reaktiven Gasflusssputtern zugeführtes Reaktivgas und/oder ein zerstäubtes Kathodenmaterial mitführendes Inertgas (6) nur auf einen einer Kathode (3, 4) zugewandten Teilbereich (11) der Walzenoberfläche (2) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (1) während des reaktiven Gasflusssputterns gedreht und/oder verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (14) Titannitrid, Bornitrid, Chromnitrid, Tantalnitrid, Zirconiumnitrid, Titancarbid, Chromcarbid, Borcarbid, Tantalcarbid, Zirconiumcarbid und/oder Titanborid aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gasflusssputtern eine Haftvermittlungsschicht (15) auf die Walzenoberfläche (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhöhung oder Verringerung einer Zuflussrate eines Reaktivgases und/oder eines Inertgases eine Gradientenschicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Walzenoberfläche (2) eine Substratvorspannung angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzenoberfläche (2) vor dem Aufbringen der Beschichtung (14) durch lonenbombardement behandelt, insbesondere gereinigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem reaktiven Gasflusssputtern eine Walze (1) bereitgestellt wird, welche, insbesondere zumindest bereichsweise, eine bestehende Beschichtung aufweist, wobei die bereitgestellte Walze (1) vor dem reaktiven Gasflusssputtern an ihrer Oberfläche (2) zumindest bereichsweise materialabtragend bearbeitet wird, um die Oberfläche (2) der Walze (1) zu begradigen und/oder die bestehende Beschichtung teilweise oder vollständig abzutragen.
Vorrichtung zur Herstellung von Arbeits- und/oder Dressierwalzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hohlkathode (3, 4), eine Inertgaszuführung (8), eine Reaktivgaszuführung (7) und eine Aufnahme für eine Walze (1) aufweist, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass durch reaktives Gasflusssputtern eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung (14) auf eine metallische Oberfläche (2) der Walze (1) aufbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für die Walze (1) derart gestaltet ist, dass die Walze (1) drehbar und/oder verschiebbar gelagert ist.
Arbeits- und/oder Dressierwalze, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Oberfläche (2) der Walze (1) eine nitrid-, carbid- und/oder boridhaltige Beschichtung (14) aufweist, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufgebracht wurde.