DIN 4855-2015 Carbon films - DLC layers - Description of layer architecture《碳膜 DLC层 层体系结构的描述》.pdf

1、September 2015DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Materialprfung (NMP)Preisgruppe 11DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 25.220.99!%Di“2337059www.din.deDDIN 4855Ko

2、hlenstoffschichten DLC-Schichten Beschreibung der SchichtarchitekturCarbon films DLC layers Description of layer architectureCouches de carbone Couches DLC Description de larchitecture en couchesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 17 SeitenDIN 4855

3、2015-09 2 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich .4 2 Normative Verweisungen 4 3 Begriffe .4 4 Mindestangaben zur Beschreibung von einzelnen Schichtlagen eines Schichtsystems 7 5 Grundlegende Elemente eines Schichtsystems .8 5.1 Schichtlagen .8 5.1.1 Allgemeines 8 5.1.2 Haftschicht .8 5.1.3 Zwi

4、schenschicht 8 5.1.4 Funktionsschicht .9 5.1.5 Deckschicht 9 5.2 Schichtstrukturen 9 5.2.1 Allgemeines 9 5.2.2 Einlagiger Aufbau . 10 5.2.3 Multilagiger Aufbau 10 5.2.4 Gradierter Aufbau . 10 5.2.5 Aufbau der Schichtlagen . 10 6 Grundlegende Varianten einer Schichtarchitektur 11 6.1 Ausschlieliche V

5、erwendung von amorphen Kohlenstoffschichten 11 6.2 Kombination von amorphen Kohlenstoffschichten mit einer nichtkohlenstoffbasierten Schicht . 11 6.3 Kombination von amorphen Kohlenstoffschichten mit mehreren nichtkohlenstoffbasierten Schichten 11 6.3.1 Allgemeines . 11 6.3.2 Kombination mit einlagi

6、gen Schichten 12 6.3.3 Kombination mit multilagigen Schichten . 12 6.3.4 Kombination mit gradierten Schichten 13 6.3.5 Kombination mit homogen mehrphasigen Schichten 13 Anhang A (informativ) Tribologie amorpher Kohlenstoffschichten 15 Literaturhinweise . 17 DIN 4855:2015-09 3 Vorwort Diese Norm wurd

7、e vom Arbeitsausschuss NA 062-01-64 AA Kohlenstoffschichten“ des DIN-Normenausschuss Materialprfung (NMP) erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle di

8、esbezglichen Patentrechte zu identifizieren. DIN 4855:2015-09 4 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt fest, wie die Schichtarchitektur von Schichtsystemen beschrieben wird, die aus wenigstens zwei unterscheidbaren Schichtlagen bestehen, wobei wenigstens eine der Funktionsschichten eine amorphe Kohlens

9、toffschicht in Anlehnung an VDI 2840 ist. Die Mindestangaben zur Beschreibung von Elementen eines Schichtsystems werden festgelegt. Es wird nur die Beschreibung des Aufbaus eines Schichtsystems, d. h. die Schichtarchitektur festgelegt und damit der Zweck der einzelnen Schichtlagen angedeutet. Konkre

10、te, insbesondere tribologische Eigenschaften werden nicht betrachtet oder gefordert, sind aber im Anhang A allgemein beschrieben. Die in dieser Norm behandelten amorphen kohlenstoffbasierten Schichtsysteme (DLC-Schichten) (DLC, en: diamond-like carbon) sind jeweils auf ein Substrat aufgebracht. Die

11、Schnittstelle ist die Substratoberflche, wie sie in einem Vorprozess mittels unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren hergestellt wurde. Dazu gehren insbesondere mechanische Bearbeitungsverfahren, die durch Diffusionsverfahren ergnzt werden knnen. Zustzlich kann die Substratoberflche vor dem Aufbring

12、en des kohlenstoffbasierten Schichtsystems noch durch Beschichtungen, z. B. mit galvanischen oder nasschemischen Abscheidungsverfahren, modifiziert sein. Darber hinausgehende kohlenstoffbasierte Beschichtungen, die keine Hartstoffschichten darstellen und nicht mit PVD- oder CVD-Verfahren hergestellt

13、 werden, sind nicht erfasst. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt d

14、ie letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). VDI 2840:2012-06, Kohlenstoffschichten Grundlagen, Schichttypen und Eigenschaften 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 amorph Festkrperzustand mit regelloser Anordnung der

15、Atome bzw. Molekle QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff amorph, modifiziert Formulierung angepasst; Anmerkung gestrichen 3.2 chemische Gasphasenabscheidung CVD (en: Chemical Vapour Deposition) Beschichtungsverfahren, bei dem das Beschichtungsmaterial dem Beschichtungsprozess als gasfrmiges Ausgangsmate

16、rial zugefhrt wird und auf der Substratoberflche durch Temperatur oder Plasma als fest anhaftende Schicht kondensiert 3.3 Deckschicht oberste Schichtlage eines Schichtsystems, die in Ergnzung zur eigentlichen Funktionsschicht zustzliche Funktionen zu realisieren hat Anmerkung 1 zum Begriff: Zustzlic

17、he Funktionen knnen z. B. Beeinflussung des Reibwertes, Farbe oder chemische Bestndigkeit sein. DIN 4855:2015-09 5 Anmerkung 2 zum Begriff: Siehe auch DIN EN ISO 1891-2:2015-01, Begriff Deckschicht. Die Begriffe aus DIN EN ISO 1891-2 werden vorrangig im Zusammenhang mit DIN EN ISO 4042, DIN EN ISO 1

18、0683 und DIN EN ISO 10684 verwendet. 3.4 Diamant kristalline Form des Kohlenstoffs, bei der die Atome ausschlielich sp3-hybridisiert sind QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff Diamant, modifiziert Formulierung angepasst 3.5 DLC-Schicht diamanthnliche Kohlenstoffschicht (en: diamond-like carbon coating)

19、amorphe Kohlenstoffschicht mit vernderlichen Anteilen von sp2-und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff 3.6 Diffusionsverfahren Verfahren zur umwandelnden Oberflchenmodifizierung, d. h. Randschichtbildung im oberflchennahen Bereich des Substrats, bei dem i. d. R. ein in den Plasmazustand berfhrtes Reaktivg

20、as unter erhhter Temperatur in das Substrat eindringt und dessen oberflchennahe Eigenschaften ndert Anmerkung 1 zum Begriff: Das Reaktivgas kann beispielsweise O2, N2oder C beinhalten. 3.7 Funktionsschicht Schichtlage, die fr die vorgesehene Anwendung des Schichtsystems die wichtigste Schichtfunktio

21、n realisiert 3.8 Gradientenschicht Schichtlage mit gradiertem Aufbau durch eine kontinuierliche Vernderung von wenigstens einer Schichteigenschaft ber die Schichtdicke Anmerkung 1 zum Begriff: Schichteigenschaften knnen z. B. die chemische Zusammensetzung oder die strukturelle Ausprgung sein. 3.9 Gr

22、aphit kristalline Form des Kohlenstoffs, bei der die Atome ausschlielich sp2-hybridisiert sind QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff Grafit, modifiziert Formulierung angepasst 3.10 Haftschicht unterste Schichtlage, die eigens zur Erhhung der Schichthaftung des Schichtsystems aufgebracht wird 3.11 Kohlen

23、stoffschicht Beschichtung, die zum berwiegenden Teil aus dem chemischen Element Kohlenstoff besteht Anmerkung 1 zum Begriff: Die Kohlenstoffschicht kann in verschiedenen Modifikationen nach VDI 2840 ausgefhrt werden. QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff Kohlenstoffschicht, modifiziert Anmerkung 1 zum B

24、egriff hinzugefgt DIN 4855:2015-09 6 3.12 kristallin Festkrperzustand mit regelmiger Anordnung der Atome bzw. Molekle in einem Kristallgitter QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff kristallin, modifiziert Formulierung angepasst 3.13 Mehrlagenschicht Abfolge mehrerer Schichtlagen, als Teil eines Schichtsy

25、stems oder synonym die Gesamtheit des Schichtsystems beschreibend 3.14 Multilagenschicht Abfolge von mindestens vier Schichtlagen bestehend aus einer alternierenden Abfolge mindestens zweier unterschiedlicher Schichtlagen, auch als Bestandteil einer Mehrlagenschicht 3.15 Physikalische Gasphasenabsch

26、eidung PVD (en: Physical Vapour Deposition) Beschichtungsverfahren, bei dem das Beschichtungsmaterial als Festkrper ber physikalische Prozesse wie Verdampfen oder Abtragen in die Gasphase berfhrt wird und daraufhin auf der Substratoberflche als fest haftende Schicht kondensiert Anmerkung 1 zum Begri

27、ff: Verdampfen z. B. thermisch, mit Elektronenstrahl, Lichtbogenverdampfen. Abtragen z. B. Zerstuben (en: sputtern), Laserablation. QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff PVD, modifiziert Formulierung angepasst; Anmerkung 1 zum Begriff hinzugefgt 3.16 Schichtarchitektur anwendungsabhngiger Aufbau eines S

28、chichtsystems durch Kombination verschiedener Schichtlagen mit ihrer jeweiligen Schichtstruktur und Schichtzusammensetzung 3.17 Schichtlage bezglich Schichtmaterial und/oder Schichtmorphologie abgrenzbarer Bereich definierter Schichtdicke, der in mehrlagigen Schichtsystemen unter funktionellen Gesic

29、htspunkten als Einheit betrachtet wird 3.18 Schichtstruktur struktureller Aufbau einer Schichtlage Anmerkung 1 zum Begriff: Dies knnen z. B. sp2- zu sp3-Verhltnis, Phasenzusammensetzung, Texturgrad, morphologische Beschaffenheit oder auftretende strukturelle Gradienten sein. 3.19 Schichtsystem Gesam

30、theit aller Schichtlagen 3.20 Schichtzusammensetzung chemische Zusammensetzung einer Schichtlage Anmerkung 1 zum Begriff: Dies knnen z. B. Stchiometrie und Elementverteilung oder auftretende chemische Gradienten sein. DIN 4855:2015-09 7 3.21 sp2-Hybridisierung Ausprgung der Elektronenzustnde von kov

31、alent gebundenen Festkrpern, bei denen jedes Atom mit drei weiteren angeordnet ist; die drei Atome liegen dabei in einer Ebene Anmerkung 1 zum Begriff: s und p bezeichnen Elektronenorbitale. QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff sp2-Hybridisierung, modifiziert Definition konkretisiert; Anmerkung 1 zum B

32、egriff angepasst 3.22 sp3-Hybridisierung Ausprgung der Elektronenzustnde von kovalent gebundenen Festkrpern, bei denen jedes Atom mit vier weiteren in rumlicher Form tetraedrisch angeordnet ist Anmerkung 1 zum Begriff: s und p bezeichnen Elektronenorbitale. QUELLE: VDI 2840:2012-06, Begriff sp3-Hybr

33、idisierung, modifiziert Anmerkung 1 zum Begriff angepasst 3.23 Substrat zu beschichtendes Werkstck, definiert durch einen Grundwerkstoff und dessen Topographie, begrenzt durch seine Randschicht, die durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt wurde Anmerkung 1 zum Begriff: Zu den Herste

34、llungsverfahren gehren insbesondere mechanische Bearbeitung oder Wrmebehandlung, Diffusionsverfahren oder Beschichtungen, z. B. mit galvanischen oder nasschemischen Abscheidungsverfahren. 3.24 Zwischenschicht Schichtlage, welche sich unterhalb der Deckschicht und oberhalb der Haftschicht befindet un

35、d nicht die Funktionsschicht ist 4 Mindestangaben zur Beschreibung von einzelnen Schichtlagen eines Schichtsystems Eine Schichtlage wird durch ihre chemische Zusammensetzung, Schichtstruktur und ihre Schichtdicke beschrieben. Die chemische Zusammensetzung wird durch die Angabe der relevanten Element

36、e und deren Stoffmengenanteile angegeben. Liegen diese Elemente in einer nachweisbaren Verbindung vor, ist bei der chemischen Zusammensetzung bevorzugt die Verbindung anzugeben. Die Angabe einer Schichtdicke erfolgt stets senkrecht zur Oberflche. Bei Messwerten sind die jeweiligen Messunsicherheiten

37、 sowie die Rauheit des Substrates, z. B. in Rz, anzugeben. Zwischenschichten, gradierte Schichten oder multilagige Schichten mit einer Gesamtschichtdicke von 0,3 m oder weniger knnen vereinfacht durch die Gesamtdicke und eine mittlere Zusammensetzung bzw. Eigenschaft beschrieben werden. Es muss dann

38、 explizit angegeben werden, dass es sich um mittlere Eigenschaften handelt. Werden detaillierte Angaben gemacht, muss das jeweils verwendete Messverfahren angegeben werden. DIN 4855:2015-09 8 5 Grundlegende Elemente eines Schichtsystems 5.1 Schichtlagen 5.1.1 Allgemeines Kohlenstoffschichtsysteme be

39、stehen in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Schichtlagen, die als Einheit betrachtet werden knnen. Diese bernehmen innerhalb des Schicht-Substrat-Systems jeweils eine oder mehrere spezifische Funktionen. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines typischen Kohlenstoffschichtsystems, wie es z.

40、B. auf Stahlsubstraten, einem typischen Grundwerkstoff in der industriellen Anwendung, abgeschieden wird, mit den Bezeichnungen der einzelnen Schichtlagen. Im Folgenden werden die einzelnen Schichtlagen ausgehend vom Substrat (Grundwerkstoff mit seiner Randschicht) nher erlutert. Bei der an die Rand

41、schicht des Substrats direkt folgende bergangszone handelt es sich um eine Zone, in der sowohl Elemente des Substrats als auch der als Erstes aufgebrachten Haftschicht in einem durchmischten Zustand, vorkommen. Legende 7 Deckschicht 3 bergangszone 6 Funktionsschicht 2 Randschicht 5 Zwischenschicht 1

42、 Grundwerkstoff 4 Haftschicht Bild 1 Schematischer Aufbau eines Schicht-Substrat-Systems 5.1.2 Haftschicht Da Kohlenstoffschichten auf vielen Grundwerkstoffen nicht oder schlecht haften, ist fr einen industriellen Einsatz meist eine zwischen wenigen 10 nm und etwa 500 nm dicke Haftschicht blich, die

43、 als Erstes auf das Substrat abgeschieden wird. Die Haftschicht muss demnach aus einem Material bestehen, welches sowohl gut am Substrat haftet als auch eine Kohlenstoffdiffusion unterbindet, beispielsweise durch die Bildung stabiler Carbide. Werkstoffe, die diese Anforderungen erfllen, sind beispie

44、lsweise Metalle wie Cr oder Ti oder Halbmetalle wie Si. Bei der Beschichtung von Kunststoffsubstraten oder keramischen Substraten kann ggf. auf die Haftschicht verzichtet werden. 5.1.3 Zwischenschicht Gelegentlich finden sich in einem Kohlenstoffschichtsystem zustzliche Zwischenschichten. Eine Zwisc

45、henschicht verbessert beispielsweise die mechanische Sttzwirkung des Schichtsystems, um dessen Verformung in Mikrokontakten zu verringern und um damit ein berschreiten der Bruchdehnung zu verhindern. BEISPIEL Zwischenschichten knnen aus CrN, TiN oder SiC bestehen. DIN 4855:2015-09 9 5.1.4 Funktionss

46、chicht Die Schichtlage, die ber die Lebensdauer des Kohlenstoffschichtsystems die Hauptfunktion erfllt, wird als Funktionsschicht bezeichnet. Kohlenstoffschichten werden hauptschlich als tribologische Schichten eingesetzt. Die Hauptfunktionen sind damit in erster Linie die Reduzierung der Adhsion, d

47、er Trockenreibung, der Reibung unter Haft-, Grenz- und Mischreibungsbedingungen sowie die Minimierung des Verschleies. Die Funktionsschicht ist blicherweise fr das Kohlenstoffschichtsystem namensgebend und hat im Vergleich zu den anderen Schichtlagen meist die grte Dicke. Die Dicke der Funktionsschi

48、cht liegt typischerweise zwischen 1 m und 5 m. Bezeichnungen und Materialzusammensetzungen von verschiedenen Kohlenstoffschichttypen knnen VDI 2840 entnommen werden. 5.1.5 Deckschicht Bei Kohlenstoffschichtsystemen wird das gewnschte Reibverhalten oftmals erst whrend einer Einlaufphase des tribologi

49、schen Systems ausgebildet. Daher wird auf die Funktionsschicht bisweilen eine typischerweise zwischen 100 nm und 3 m dicke Deckschicht aufgebracht, die das Einlaufverhalten verbessert. Eine Deckschicht kann aber auch eine rein dekorative Funktion auerhalb des Kontaktbereichs erfllen. Die Deckschicht kann auch eine Kohlenstoffschicht sein. 5.2 Schichtstrukturen 5.2.1 Allgemeines Die in 5.1 genannten Schichtlagen knnen jede fr sich ge