CS255357B1

CS255357B1 - Method of titanium nitride's rub-proof layer preparation on conductive substrate

Info

Publication number: CS255357B1
Application number: CS848179A
Authority: CS
Inventors: Dusan Liska; Milan Ferdinandy; Jozef Kral; Viktor Kavecansky
Original assignee: Dusan Liska; Milan Ferdinandy; Jozef Kral; Viktor Kavecansky
Priority date: 1984-10-29
Filing date: 1984-10-29
Publication date: 1988-03-15
Also published as: CS817984A1

Abstract

Podstata sposobu přípravy oteruvzdornej vrstvy nitridu titánu TiNx, kde x je z intervalu 0 až 0,95, na elektricky vodivý substrát v ionovoplátovacom zariadení s elektrónovolúčovým odparovačom, kde substrát tvoří katódu oproti uzemnenej vákuovej komoře, je, že na substrát ohriaty na teplotu vyššlu ako 350 °C sa působí plazmou tvořenou inertným plynom, najčastejšie argónom, parami titánu a parami dusíka pripúšťaného do priestoru plazmy, v ktorej sa plynule zvyšuje koncentrácia dusíka a tlak z intervalu 10“3 Pa až 1 Pa po dobu přípravy vrstvy.The essence of the method of preparing abrasion resistant titanium nitride layer TiNx, where x is from the interval 0 to 0.95, per electrically conductive substrate in an electroplated ion-extinguishing device vaporizer where the substrate forms a cathode against a grounded vacuum chamber, is that the substrate is heated to temperature higher than 350 ° C is applied by plasma formed inert gas, most commonly argon, titanium vapor and nitrogen vapor permeated into the plasma space in which it is smooth increases nitrogen concentration and interval pressure 10 Pa 3 Pa to 1 Pa for preparation layers.

Description

(54) Spdsob přípravy otěru vzdorné) vrstvy nitridu titánu na elektricky vodivom substráte(54) A method for preparing an abrasion resistance of a titanium nitride layer on an electrically conductive substrate

Podstata sposobu přípravy oteruvzdornej vrstvy nitridu titánu TiNx, kde x je z intervalu 0 až 0,95, na elektricky vodivý substrát v ionovoplátovacom zariadení s elektrónovolúčovým odparovačom, kde substrát tvoří katódu oproti uzemnenej vákuovej komoře, je, že na substrát ohriaty na teplotu vyššlu ako 350 °C sa působí plazmou tvořenou inertným plynom, najčastejšie argónom, parami titánu a parami dusíka pripúšťaného do priestoru plazmy, v ktorej sa plynule zvyšuje koncentrácia dusíka a tlak z intervalu 10“³ Pa až 1 Pa po dobu přípravy vrstvy.The principle of preparing a wear-resistant titanium nitride layer of TiNx, where x is from 0 to 0.95, on an electrically conductive substrate in an ion-plating apparatus with an electron beam evaporator, where the substrate forms a cathode against a grounded vacuum chamber, is 350 DEG C. is treated with plasma, the inert gas, usually argon, titanium vapor and nitrogen vapor to the mating area of the plasma, which is continuously increasing the concentration of nitrogen and a pressure in the range 10 ^'3 Pa and 1 Pa for the preparation of the layer.

II

Vynález sa týká sposobu vytvárania tvrdej oteruvzdórnej vrstvy nitridu titánu na pevnom elektricky vodivom substráte v plazme v podmienkacb vákua.The invention relates to a method of forming a hard abrasion-resistant titanium nitride layer on a solid electrically conductive substrate in plasma under vacuum conditions.

V súčasnosti je známých viac metod a technologií vytvárania tvrdých oteruvzdorných vrstiév Tlá pevných substrátoch, ako sú me.tódy galvanické, metódy chemického povlakovania (CVD), ďalej metódy PVD, ako je magnetrónové naprašovanie a iónové plátovanie, ktoré umožňujú tvorbu vrstiev titán nitridu.More methods and technologies are now known for forming hard wear layers. The solid substrate pressures, such as galvanic methods, chemical coating methods (CVD), PVD methods such as magnetron sputtering and ion cladding, which allow titanium nitride layers to be formed.

Nevýhodou galvanických disperzně spevnených povlakov, například na báze Ni alebo Cr s disperznými časticami TiN sú nízké mechanické vlastnosti matrice a nedokonalé zakotvenie častíc TIN v matrici povlaku. Značnou nevýhodou CVD metod jo nutnost ohřevu substrátu na teploty 900 až 1100 °C, čo obmedzuje ich použitíe na rýchlorezné, nástrojové alebo konstrukčně ocele, ktoré je nutné potom dodatečné tepelne spracovávať, pretože pri tak vysokých teplotách dochádza k ich vyžíhaniu, pričom takto vytvárané povlaky sú pre niektoré aplikácie nedostatočne přilnavé a ich povrch vykazuje zvýšenú drsnost. Známými metodami magnetrónového naprašovania a plátovania je možné v súčasnosti vytvárať vrstvy nitridu titánu aj na uvedených druhoch substrátu, tiež na AI a jeho zliatinách, no v niektorých prípadoch nevyhovuje přilnavost povlakov TiN k základnému materiálu.Disadvantages of galvanic dispersion-reinforced coatings, for example based on Ni or Cr with TiN dispersive particles, are the low mechanical properties of the matrix and the imperfect anchoring of the TIN particles in the coating matrix. A considerable disadvantage of CVD methods is the necessity of heating the substrate to temperatures of 900 to 1100 ° C, which limits their use to high speed, tool or structural steels, which then have to be subsequently heat treated, because they are annealed at such high temperatures. they are not sufficiently adhering for some applications and their surface has increased roughness. With known magnetron sputtering and cladding methods it is currently possible to form titanium nitride layers also on the above-mentioned types of substrate, also on Al and its alloys, but in some cases the adhesion of TiN coatings to the base material is not satisfactory.

Vyššie uvedené nedostatky odstraňuje sposob vytvárania oteruvzdornej prilnavej vrstvy nitridu titánu na pevnom elektricky vodivom substráte podlá vynálezu, kto rého podstatou je, že na pevný elektricky vodivý substrát, ktorý je na zápornom potenciál! oproti uzemnenej vákuovej komoře v iónovoplátovacom zariadení sa vo vakuu posobí plazmou, ktorá obsahuje inertný plyn, najčastejšie Ar a páry Ti, ktoré sa do priestoru plazmy dostávajú odpařováním Ti elektronovým odparovacím zdrojom, čím na povrchu pevného substrátu vzniká tenká vrstva TiN_x, kde x je z intervalu 0 až 0,2 a na ktorú sa nepřetržíte posobí plazmou, do ktorej je pripúšťaný dusík so zvyšujúcou sa koncentráciou, čím sa následné vytvára vrstva TiN_x, kde x je z intervalu 0,6 až 0,95. Ďalej je účelné, aby sa sposob podlá vynálezu realizoval pri tlaku vo vákuovej komoře, ktorý je z intervalu 10“⁴ až 1 Pa. Tiež je podlá vynálezu účelné, aby sa před odpařováním Ti působilo plazmou, ktorá je tvořená iónmi inertného plynu na substrát, ktorý je katodou a ktorý je na potenciáli 0 až 10 KV, čo sposobuje bombardovanie substrátu a odprašovanie adsorbovaných vrstiev oxidov a případných nečistot, ktoré na povrchu ostali po predchádzajúcom očistění substrátu na vzduchu, například odmaštěním ponorom do odmasťovadla alebo dokonalejším odmaštěním v ultrazvukovej odmasťovačke a v dósledkú bombardovania aj ohřev substrátu na požadovanú teplotu, ktorá závisí na vlastnostiach základného materiálu substrátu a ktorá je vyššia ako 350 °C.The above drawbacks eliminate the method of forming a wear-resistant adhesive layer of titanium nitride on a solid electrically conductive substrate according to the invention, which is essentially based on a solid electrically conductive substrate that has a negative potential! In contrast to a grounded vacuum chamber in an ion-plating device, it is vacuum-treated with a plasma containing inert gas, most commonly Ar and Ti vapors, which enter the plasma space by evaporation of the Ti by an electron evaporation source, creating a thin layer of TiN _x . from an interval of 0 to 0.2, and to which you will not break, the plasma is treated with a nitrogen concentration of increasing concentration, which in turn creates a TiN _x layer, where x is from an interval of 0.6 to 0.95. Furthermore, it is expedient for the process according to the invention to be carried out at a pressure in a vacuum chamber which is in the range of 10 ^-4 to 1 Pa. It is also expedient according to the invention that prior to Ti evaporation, plasma is formed by an inert gas ion on a cathode substrate having a potential of 0-10 KV, causing bombardment of the substrate and dedusting of adsorbed oxide layers and any impurities which they remain on the surface after prior cleaning of the substrate in air, for example by immersion degreasing in a degreaser or improved degreasing in an ultrasonic degreaser and, as a result of the bombardment, heating the substrate to a desired temperature which depends on the substrate material.

Příklady prevedeniaExamples of design

Proces vytvárania TiN_x vrstvy podlá vynálezu je možné popísať například z hladiska povlakovaného substrátu, pričom počas procesu je potřebné prihliadať na vlastnosti základného materiálu a tomu prispósobiť aj technologické parametre přípravy vrstvy. Svojimi vlastnosťami a spQsobom použitia je vrstva TiN_x předurčená na aplikáciu na súčlastky a nástroje z materiálu duralového, spekaného karbidu, rychlořezných ocelí a tiež nástrojových ocelí.The process of forming the TiN _x layer according to the invention can be described, for example, in terms of the coated substrate, taking into account the properties of the base material and adjusting the technological parameters of the layer preparation during the process. By virtue of its properties and application, the TiN _x layer is intended for application to components and tools made of duralumin, sintered carbide, high speed steels and tool steels.

Příklad 1Example 1

Substrát z AI alebo jeho zliatiny například ČSN 42 4254.60 sa vloží do vákuovej komory iónovoplátovacieho zariadenia, do držiaka, ktorý je připojený na záporný potenciál 2,1 KV oproti uzemnenej vákuovej komoře. Po odčerpaní vákuovej komory na tlak řádové 10^-3 Pa sa začne ihlovým ventilom pripúšťať Ar, čím sa vytvoří tlejivý výboj a ionizované častíce Ar bombardujú povrch substrátu. Tým sa povrch substrátu takzvané čistí od adsorbovaných vrstiev plynov a zároveň aj ohrieva. Doba člstenia je od 5 do 30 minút, v závislosti od plochy substrátu. Přitom dbáme na to, aby sa substrát neohrial na teplotu vyššiu než 350 °C. V ďalšom kroku je pomocou elektronového lúča odpařený Ti, a to pri tlaku 1 . 10“³ Pa a jeho výkone 1,8 kW. Súčasne sa do vákuovej komory pripúšťa dusík, ktorý sa v plazme štiecí za zníženého tlaku 2 . 10^_1Pa, pričom sa jeho koncentrácla plynule zvyšuje. Týmto sposobom v prvej fáze přípravy TiN_x vrstvy sa vytvoří vrstva TiN_x, kde x je z intervalu 0 až 0,2 a v druhej fáze přípravy vrstvy je x z intervalu 0,6 až 0,95. Kedže sa jedná o povliekaný substrát z duralu, je účelné z, hladiska neprakročenia teploty 400 °C, kedy dochádza v ňom k štrukturálnym změnám, aby počas vytvárania TíN_x vrstvy bola prúdová hustota na substráte 0,6 inA . cm“² a záporné napátie na substráte 2,1 kV. Užitočná hrúbka takto vytvorenej vrstvy je od 2 do 10 fim. Příklad 2The substrate of Al or its alloy, for example CSN 42 4254.60, is inserted into the vacuum chamber of the ion-plating device, into a holder which is connected to a negative potential of 2.1 KV relative to a grounded vacuum chamber. After the vacuum chamber has been pumped to a pressure of the order of 10 ^-3 Pa, the Ar valve is started to be admitted by the needle valve, creating a glowing discharge and the ionized particles Ar bombard the substrate surface. In this way, the surface of the substrate is so-called cleaned of adsorbed gas layers and at the same time heated. The casting time is from 5 to 30 minutes, depending on the substrate area. Take care not to heat the substrate to a temperature higher than 350 ° C. In the next step, Ti is evaporated by electron beam at a pressure of 1. 10 “ ³ Pa and its output 1,8 kW. At the same time, nitrogen is admitted to the vacuum chamber and is reduced in the plasma under reduced pressure 2. ^10-1 Pa, with its concentrate continuously increasing. Such in the first phase of preparation of the TiN _x layer is a layer of TiN _x, where x is in the range 0 and 0.2, and in a second stage the preparation of layer x of the interval of 0.6 to 0.95. Since it is a coated duralumin substrate, it is expedient to not exceed 400 ° C, where structural changes occur therein so that the current density on the substrate is 0.6 inA during the formation of the Ti _x layer. cm ² and a negative voltage on the substrate of 2.1 kV. The useful thickness of the thus formed layer is from 2 to 10 µm. Example 2

V druhom příklade vytvárania TiN_x vrstvy podlá vynálezu je volený substrát z rýchloreznej ocele ČSN 19 830. Proces čistenia povrchu substrátu v Ar výboji je zhodný s podmienkami uvedenými v prvom příklade, avšak s tým rozdielom, že ohřev substrátu nie je limitovaný teplotou pri čistění v tlejivom výboj Ar 350 °C a pri iónovom plátovaní 400 °C. Substrát sa může pri pro255357 cese ohriať až do teploty popúšťania ocele 19 830, to znamená do 560 °C. Preto prúdová hustota na substráte počas vytváranía TiN_x vrstvy je viac než 1 mA . cm^-2 a záporné napátie na substráte 2,5 kV. Výkon elektronového lúča je 2 kW.In the second example of the formation of TiN _x layer according to the invention, the high-speed steel substrate CSN 19 830 is selected. The process of cleaning the surface of the substrate in the Ar discharge is identical to the conditions given in the first example. glow discharge Ar 350 ° C and ion plating 400 ° C. The substrate may be heated up to a tempering temperature of 19,830, i.e. 560 ° C, for the process. Therefore, the current density on the substrate during the formation of the TiN _x layer is more than 1 mA. cm ^-2 and negative voltage on the substrate 2.5 kV. The power of the electron beam is 2 kW.

Pri použití spekaného karbidu k povlakovaníu vrstvou TiN_x podta vynálezu volíme maximálnu prúdovú hustotu a záporné napátie na substráte, ktoré je schopné dané technologické zariadenie poskytnut. Je to dané tým, že substráty zo spekaných karbidov nie sú citlivé na prehriatie, čo by mohlo vyvolat změnu ich užitkových vlastností.When using the sintered carbide to be coated with a TiN _x layer according to the invention, we select the maximum current density and negative voltage on the substrate that the process equipment is capable of providing. This is because the sintered carbide substrates are not sensitive to overheating, which could cause a change in their performance.

Hlavně využitie vrstiev TiN_x je na řezné nástroje z rýchloreznej ocele a spekaných karbidov a tiež na 1'ahké zliatiny, ktoré sú vystavené účinkom opotrebenia. Oblast využitia TiN_x vrstiev je určená vysokou tvrdosťou (od 10 000 do 40 000 N . mm^-2), nízkým koeficientom trenia a velkou odolnosťou voči opotrebeniu a tiež koróznou odolnosťou.Mainly the use of TiN _x layers is for cutting tools made of high-speed steel and sintered carbides and also for light alloys which are subject to wear. The area of application of TiN _x layers is determined by high hardness (from 10 000 to 40 000 N. Mm ^-2 ), low coefficient of friction and high wear resistance as well as corrosion resistance.

Claims

SUBJECT

Method for preparing a wear-resistant titanium nitride layer TiN _x , where x is from 0 to 0.95, on an electrically conductive substrate in an ion-plating apparatus with an electron beam evaporator, where the substrate forms a cathode opposite to a grounded vacuum chamber. 350 ° C is treated with an inert gas plasma, usually argon, titanium vapors and nitrogen vapors admitted to the plasma space, in which the nitrogen concentration and pressure are continuously increased from 10 ³ Pa to 1 Pa during the layer preparation.