CS255357B1

CS255357B1 - A method for preparing an abrasion resistant titanium nitride layer on an electrically 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 for preparing a wear-resistant layer of titanium nitride TiNx, where x is from the interval 0 to 0.95, on an electrically conductive substrate in an ion plating device with an electron beam evaporator, where the substrate forms a cathode opposite a grounded vacuum chamber, is that the substrate heated to a temperature higher than 350 °C is treated with a plasma formed by an inert gas, most often argon, titanium vapor and nitrogen vapor admitted into the plasma space, in which the nitrogen concentration and pressure continuously increase from the interval 10“3 Pa to 1 Pa during the preparation of the layer.

Description

I 3 4 255357I 3 4 255357

Vynález sa týká sposobu vytvárania tvr-dej oteruvzdórnej vrstvy nitridu titánu napevnom elektricky vodivom substráte vplazme v podmienkacb vákua. V súčasnosti je známých viac metod atechnologií vytvárania tvrdých oteruvzdor-ných vrstidv ulá pevných substrátoch, akosú me.tódy galvanické, metódy chemickéhopovlakovania (CVD), ďalej metódy PVD, a-ko je magnetrónové naprašovanie a iónovéplátovanie, ktoré umožňujú tvorbu vrstievtitán nitridu.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process for forming a hardening layer of a titanium nitride layer in a rigid electrically conductive substrate in a vacuum condition. Nowadays, more methods and technologies are known for forming hard abrasion-resistant layers with solid substrates, such as galvanic methods, chemical coating methods (CVD), PVD methods, such as magnetron sputtering and ion plating, which allow nitride layer formation.

Nevýhodou galvanických disperzně spev-nených povlakov, například na báze Ni a-lebo Cr s disperznými časticami TiN sú níz-ké mechanické vlastnosti matrice a nedo-konalé zakotvenie častíc TiN v matrici po-vlaku. Značnou nevýhodou CVD metod jonutnost ohřevu substrátu na teploty 900 až1100 °C, čo obmedzuje ich použitíe narýchlorezné, nástrojové alebo konstrukčněocele, ktoré je nutné potom dodatočne te-pelne spracovávať, pretože pri tak vyso-kých teplotách dochádza k ich vyžíhaniu,pričom takto vytvárané povlaky sú pre nie-ktoré aplikácie nedostatočne přilnavé a ichpovrch vykazuje zvýšenu drsnost. Známýmimetodami magnetrónového naprašovania aplátovania je možné v súčasnosti vytváraťvrstvy nitridu titánu aj na uvedených dru-hoch substrátu, tiež na AI a jeho zliatinách,no v niektorých prípadoch nevyhovuje přil-navost povlakov TiN k základnému materiá-lu.A disadvantage of galvanic dispersion coatings, for example Ni or Cr based on TiN dispersing particles, are the low mechanical properties of the matrix and the imperfect anchoring of TiN particles in the matrix of the train. The considerable disadvantage of CVD methods is the heating of the substrate to temperatures of 900 to 1100 ° C, which limits their use to high-speed, tool or structural components, which must then be post-heat treated, because they are annealed at such high temperatures, and the coatings thus formed they are poorly adhering to some applications and exhibit increased roughness. Known methods of magnetron sputtering and coating are currently available to form titanium nitride layers also on said substrate types, 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 odstraňujesposob vytvárania oteruvzdornej prilnavejvrstvy nitridu titánu na pevnom elektric-ky vodivom substráte podlá vynálezu, ktorého podstatou je, že na pevný elektrickyvodivý substrát, ktorý je na zápornom po-tenciál! oproti uzemnenej vákuovej komořev iónovoplátovacom zariadení sa vo vákuuposobí plazmou, ktorá obsahuje inertnýplyn, najčastejšie Ar a páry Ti, ktoré sa dopriestoru plazmy dostávajú odpařovánímTi elektronovým odparovacím zdrojom, čímna povrchu pevného substrátu vzniká ten-ká vrstva TiNx, kde x je z intervalu 0 až 0.2a na ktorú sa nepřetržíte posobí plazmou,do ktorej je pripúšťaný dusík so zvyšujň-cou sa koncentráciou, čím sa následné vy-tvára vrstva TiNx, kde x je z intervalu 0,6až 0,95. Ďalej je účelné, aby sa sposob po-dlá vynálezu realizoval pri tlaku vo váku-ovej komoře, ktorý je z intervalu 10“4 až 1Pa. Tiež je podlá vynálezu účelné, aby sapřed odpařováním Ti posobilo plazmou, kto-rá je tvořená iónmi inertného plynu na sub-strát, ktorý je katodou a ktorý je na po-tenciáli 0 až 10 KV, čo sposobuje bombar-dovanie substrátu a odprašovanie adsorbo-vaných vrstiev oxidov a případných nečis-tot, ktoré na povrchu ostali po predchádza-júcom očistění substrátu na vzduchu, na-příklad odmaštěním ponorom do odmasťo-vadla alebo dokonalejším odmaštěním v ul-trazvukovej odmasťovačke a v dósledku bombardovania aj ohřev substrátu na poža-dovaná teplotu, ktorá závisí na vlastnos-tiach základného materiálu substrátu a kto-rá je vyššia ako 350 °C. Příklady prevedeniaThe aforementioned drawbacks are eliminated by the process of forming a wear-resistant titanium nitride coating on a solid electrically conductive substrate according to the invention, the essence of which is that on a solid electrically conductive substrate which is on the negative potential! in contrast to the grounded vacuum chamber, the ion-plated device is vacuum-pumped, which contains inert gas, most commonly Ar, and pairs of Ti, which pass through the electron evaporation source through the electron evaporator, whereby a thin TiNx layer is formed at the surface of the solid substrate, where x is from 0 to 0.2 and to which it is continuously plowed into which nitrogen is admitted with increasing concentration, thereby forming a TiNx layer where x is between 0.6 and 0.95. Furthermore, it is expedient to carry out the process according to the invention at a pressure in the vacuum chamber which is from 10 to 4 Pa. It is also advantageous according to the invention that, prior to the evaporation of Ti, it can be transported by plasma formed by inert gas ions to a substrate which is a cathode and which is at a potential of 0 to 10 KV which causes the substrate to be bombed and adsorbed. of the oxide layers and any impurities left on the surface after the substrate has been cleaned in the air, for example by degreasing the degreaser or by more thorough degreasing in the ultrasonic degreaser, and by heating the substrate upon bombardment. the temperature which depends on the properties of the base material of the substrate and which is higher than 350 ° C. Examples of implementation

Proces vytvárania TiNx vrstvy podlá vy-nálezu je možné popísať například z hla-diska povlakovaného substrátu, pričom po-čas procesu je potřebné prihliadať na vlast-nosti základného materiálu a tomu prispo-sobiť aj technologické parametre přípravyvrstvy. Svojimi vlastnosťami a spQsobom po-užitia je vrstva TiNx předurčená na apliká-ciu na súčiastky a nástroje z materiálu du-ralového, spekaného karbidu, rýchlorez-ných ocelí a tiež nástrojových ocelí. Příklad 1The process of forming the TiNx layer according to the invention can be described, for example, from the layer of the substrate to be coated, while the process properties need to take into account the properties of the base material and the technological parameters of the coating. With its properties and use, the TiNx layer is destined for application to components and tools made of du- ral, sintered carbide, high-speed steels and also tool steels. Example 1

Substrát z AI alebo jeho zliatiny napří-klad ČSN 42 4254.60 sa vloží do vákuovejkomory iónovoplátovacielio zariadenia, dodržiaka, ktorý je připojený na záporný po-tenciál 2,1 KV oproti uzemnenej vákuovejkomoře. Po odčerpaní vákuovej komory natlak řádové 10-3 Pa sa začne ihlovým ven-tilom pripúšťať Ar, čím sa vytvoří tlejivývýboj a ionizované částice Ar bombardujúpovrch substrátu. Tým sa povrch substrátutakzvané čistí od adsorbovaných vrstiev ply-nov a zároveň aj ohrieva. Doba čistenia jeod 5 do 30 minút, v závislosti od plochysubstrátu. Přitom dbáme na to, aby sa sub-strát neohrial na teplotu vyššiu než 350 °C.V ďalšom kroku je pomocou elektronovéholúča odpařený Ti, a to pri tlaku 1 . 10“3 Paa jeho výkone 1,8 kW. Súčasne sa do váku-ovej komory pripúšťa dusík, ktorý sa vplazme štiecí za zníženého tlaku 2 . 10_1Pa, pričom sa jeho koncentrácia plynulezvyšuje. Týmto sposobom v prvej fáze pří-pravy TiNx vrstvy sa vytvoří vrstva TiNx,kde x je z intervalu 0 až 0,2 a v druhej fá-ze přípravy vrstvy je x z intervalu 0,6 až0,95. Keclže sa jedná o povliekaný substrátz duralu, je účelné z hladiska neprekroče-nia teploty 400 °C, kedy dochádza v ňom kštrukturálnym změnám, aby počas vytvára-nia TíNx vrstvy bola prúdová hustota nasubstráte 0,6 mA . cm“2 a záporné napátiena substráte 2,1 kV. Užitočná hrúbka taktovytvorenej vrstvy je od 2 do 10 fim.Příklad 2 V druhom příklade vytvárania TiNx vrst-vy podl'a vynálezu je volený substrát z rých-loreznej ocele ČSN 19 830. Proces čisteniapovrchu substrátu v Ar výboji je zhodný spodmienkami uvedenými v prvom příkla-de, avšak s tým rozdielom, že ohřev sub-strátu nie je limitovaný teplotou pri čistě-ní v tlejivom výboj Ar 350 °C a pri iónovomplátovaní 400 °C. Substrát sa může pri pro-The substrate of Al or its alloy, for example, ČSN 42 4254.60, is placed in a vacuum chamber of an ion-plated device, which is connected to a negative potential of 2.1 KV against a grounded vacuum chamber. After evacuation of the vacuum chamber at a pressure of 10 -3 Pa, Ar begins to adhere to the needle valve to form a lignite and the ionized Ar particles bombard the surface of the substrate. In this way, the substrate surface is cleaned from the adsorbed layers of gas and also heated. The purification time is from 5 to 30 minutes, depending on the substrate area. In doing so, make sure that the substrate is not heated to above 350 ° C. In the next step, Ti is vaporized by electron beam at a pressure of 1 ° C. 10 "3 Paa its power of 1.8 kW. At the same time, nitrogen is admitted to the vacuum chamber, which is pumped by vacuum under reduced pressure. 10_1Pa, while its concentration increases. In this way, in the first phase of the preparation of the TiNx layer, a TiNx layer is formed, where x is from 0 to 0.2, and in the second phase of preparation of the layer x is from 0.6 to 0.95. Since it is a coated substrate of duralumin, it is expedient from the point of view of not exceeding a temperature of 400 ° C, when there is structural change in it, so that during formation of the TiNx layer the current density is 0.6 mA. cm 2 and negative tension 2.1 kV. The useful thickness of the formed layer is from 2 to 10 µm. Example 2 In the second embodiment of the TiNx layer according to the invention, the substrate is made of high-speed steel CSN 19 830. The process of cleaning the substrate surface in Ar discharge is identical to the conditions given in the first example -de, but with the difference that heating the substrate is not limited by the purification temperature in the iv 350 ° C glow discharge and 400 ° C in the ion-plated process. The substrate may

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.