DE10223865A1

DE10223865A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Werkstücken

Info

Publication number: DE10223865A1
Application number: DE2002123865
Authority: DE
Inventors: Peter Foernsel; Uwe Hartmann; Christian Buske; Wolfram Herrmann
Original assignee: Plasmatreat GmbH; ContiTech AG
Current assignee: Plasmatreat GmbH; ContiTech AG
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: DE10223865B4

Abstract

Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken (44), bei dem mit Hilfe einer Plasmadüse (10) durch elektrische Hochfrequenzentladung ein Strahl (42) eines atmosphärischen Plasmas erzeugt wird, mit dem die zu beschichtende Werkstückoberfläche (46) überstrichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Komponente des Beschichtungsmaterials als Feststoff in einer Elektrode (26) der Plasmadüse (10) enthalten ist und durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, bei dem mit Hilfe einer Plasmadüse durch elektrische Hochfrequenzentladung ein Strahl eines atmosphärischen Plasmas erzeugt wird, mit dem die zu beschichtende Werkstückoberfläche überstrichen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind Plasmabeschichtungsverfahren bekannt, die unter Vakuum ausgeführt werden müssen. Bei einigen bekannten Beschichtungsverfahren wird das Beschichtungsmaterial unter Ultrahochvakuum von einer Sputter-Elektrode abgesputtert. Auf diese Weise lassen sich zwar sehr fein dosierte, dünne und gleichmäßige Beschichtungen erzielen, doch erfordern diese Verfahren einen hohen apparativen Aufwand, und sie sind außerdem sehr zeitraubend, da das Werkstück in die Vakuumkammer eingebracht werden muß.

Andererseits sind Plasmaspritzverfahren bekannt, bei denen das Beschichtungsmaterial, beispielsweise ein Metallpulver, mit Hilfe eines Plasmabrenners durch Gleichspannungsentladung unter hohem Energieeinsatz thermisch aufgeschmolzen und auf die Werkstückoberfläche gespritzt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe Energieverbrauch sowie die Tatsache, daß die Beschichtung oft nur schlecht auf dem Untergrund haftet und die Schichtdicke sich nur schwer dosieren läßt. Insbesondere lassen sich mit dem relativ grobkörnigen Pulver keine sehr dünnen Schichten herstellen.

Aus EP-0 761 415 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die in erster Linie zum vorbehandeln, speziell zum hydrophilisieren von Kunststoffoberflächen dienen, jedoch auch zur Plasmabeschichtung eingesetzt werden können. Die Plasmadüse weist ein elektrisch leitendes Düsenrohr auf, das von einem Arbeitsgas durchströmt wird. Diesem Arbeitsgas wird im Fall der Plasmabeschichtung das Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand zugesetzt. Mit Hilfe einer Drall-Einrichtung wird das Arbeitsgas verdrallt, so daß es wirbelförmig durch das Düsenrohr strömt und dieses an einer verengten Auslaßöffnung verläßt. In Abstand zu der Auslaßöffnung ist in dem Düsenrohr koaxial und elektrisch isoliert eine Elektrode angeordnet, an die mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz oder mehr angelegt wird. Dadurch kommt es zu einer Bogenentladung zwischen der Elektrode und dem geerdeten Düsenrohr. Die drallförmige Strömung des Arbeitsgases bewirkt jedoch, daß der Lichtbogen im Wirbelkern und damit im wesentlichen auf der Achse des Düsenrohres kanalisiert wird und erst im Bereich der Auslaßöffnung auf die Wand des Düsenrohres überschlägt. Durch innige Berührung des Arbeitsgases mit dem Lichtbogen entsteht ein Sekundärplasma, das als ein verhältnismäßig kühler Strahl eines atmosphärischen Plasmas aus der Auslaßöffnung austritt.

Dieses bekannte Verfahren hat den Vorteil, daß es aufgrund der geringen Abmessungen und der guten Handhabbarkeit der Plasmadüse äußerst flexibel bei verschiedenartigen Werkstücken eingesetzt werden kann und sich auch für Werkstücke mit einem starken Oberflächenrelief sowie für Werkstücke mit großen Abmessungen eignet. Aufgrund des vergleichsweise geringen Energieverbrauchs und einer geringen Ozonbildung ist das Verfahren außerdem sehr umweltfreundlich. Beim Einsatz als Beschichtungsverfahren besteht jedoch die Schwierigkeit, das Beschichtungsmaterial so aufzubereiten, daß es dem Arbeitsgas zugesetzt werden kann. Es kommt daher nur eine sehr begrenzte Auswahl von Beschichtungsmaterialien in Betracht, so daß auch die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens entsprechend beschränkt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Anwendungsbereich dieses bekannten Verfahrens als Beschichtungsverfahren zu erweitern.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß zumindest eine Komponente des Beschichtungsmaterials als Feststoff in der Elektrode in der Plasmadüse enthalten ist und durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird.

Bei diesem Verfahren ist es somit nicht notwendig, das Beschichtungsmaterial in die Dampfphase zu überführen oder zu einem Aerosol zu zerstäuben, um es vorab in das Arbeitsgas eindosieren zu können. So lassen sich insbesondere auch Beschichtungen aus Metallen oder Metallverbindungen auf sehr einfache Weise herstellen. Als besonderer Vorteil erweist es sich dabei, daß das durch den Lichtbogen von der Elektrode abgesputterte Material vorwiegend in der Form von sehr reaktionsfreudigen Ionen oder Radikalen vorliegt, die während des Beschichtungsvorgangs mit Luftsauerstoff oder anderen Komponenten des Arbeitsgases reagieren können. Die hohe Reaktionsfreudigkeit des als Plasma vorliegenden Materials trägt auch zu einer sehr guten Haftung der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche bei, so daß sich in vielen Fällen eine vorbereitende Behandlung des Werkstücks durch Sandstrahlen, Auftragen einer Haftvermittlungsschicht und dergleichen erübrigt.

Die feine und gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmaterials im Plasma ermöglicht zudem die Erzeugung sehr dünner Schichten, deren Dicke sich durch geeignete Wahl der Behandlungsdauer nach Bedarf dosieren läßt. Da der Plasmastrahl eine relativ niedrige Temperatur hat, kommt es auch bei längerer Behandlungsdauer und empfindlichen Werkstücken nicht zu einer thermischen Schädigung des Werkstücks. Die Abscheiderate des Beschichtungsmaterials läßt sich zudem durch Wahl der Elektrodenzusammensetzung und durch Regelung der Frequenz und Spannung der Entladung beeinflussen. Der Durchsatz und die Zusammensetzung des Arbeitsgases sowie der Abstand zwischen der Elektrode und der Düsenöffnung sind weitere Parameter, die eine Feinabstimmung des Prozesses sowie eine Steuerung der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung ermöglichen. Eine zusätzliche Begasung mit einem Schutzgas oder mit geeigneten Reagenzien ist möglich. Über den Gasdurchsatz und den Elektrodenabstand läßt sich auch die Geometrie des Plasmastrahls beeinflussen und an die Werkstückgeometrie anpassen.

Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, auf den Oberflächen von Formwerkzeugen eine metallhaltige Beschichtung anzubringen, die das Entformen der Formerzeugnisse erleichtert. Andererseits kann das Verfahren bei geeigneter Wahl des Beschichtungs- bzw. Elektrodenmaterials auch zum Aufbringen von Haftvermittlungsschichten, kratzfesten oder schmutzabweisenden Schutzschichten und dergleichen auf Kunststoffe oder andere Materialien benutzt werden. Weitere Anwendungen sind das Aufbringen von Barriereschichten auf Kunststoffen oder Elastomeren.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine auswechselbare, das Beschichtungsmaterial enthaltende Abbrandelektrode in einen Elektrodengrundkörper der Plasmadüse eingesetzt. Verbrauchte Abbrandelektroden können dann einfach und schnell ersetzt werden, und durch Auswechseln der Abbrandelektrode läßt sich die Plasmadüse ebenso einfach und schnell auf andere Anwendungsfälle umrüsten. In diesem Fall kann auch die Abbrandgeschwindigkeit und damit die Abscheiderate des Beschichtungsmaterials beeinflußt werden, indem die Geometrie der Abbrandelektrode variiert wird. Generell wird eine Abbrandelektrode in der Form eines dünnen Stiftes oder Drahtes schneller abbrennen als eine eher stumpfe Elektrode.

Es ist auch eine Beschichtung mit nichtleitenden Materialien, beispielsweise mit Polymeren wie PTFE möglich, indem das nichtleitende Beschichtungsmaterial in eine elektrisch leitende Matrix der Abbrandelektrode eingebettet wird oder indem eine vorwiegend aus Kunststoff bestehende Abbrandelektrode durch Beimischung von Carbonfasern oder -partikeln leitfähig gemacht wird.

In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens, insbesondere zum Beschichten von Formwerkzeugen, besteht die Abbrandelektrode oder die Elektrode als Ganzes aus Aluminium, und als Arbeitsgas wird Luft eingesetzt. Durch Reaktion des Aluminiums mit dem Luftsauerstoff entsteht Al₂O₃, das in äußerst dünnen Schichten auf der Werkstückoberfläche abgeschieden werden kann. Analog sind durch geeignete Wahl der Elektrode auch Beschichtungen mit anderen Metallen oder Metalllegierungen möglich, beispielsweise Beschichtungen mit Ni/Al in unterschiedlichen Mengenverhältnissen. Sofern eine Reaktion des Beschichtungsmaterials mit dem Luftsauerstoff unerwünscht ist, kann beispielsweise reiner Stickstoff oder ein anderes Inertgas als Arbeitsgas verwendet werden.

Während beim Beschichten von Formwerkzeugen generell eine möglichst geringe Haftung des Formwerkstoffs an der Werkzeugoberfläche angestrebt wird, kann das Verfahren andererseits auch zu einer Behandlung/Beschichtung von Werkstücken eingesetzt werden, durch die die Haftungseigenschaften der Oberfläche verbessert werden. In diesem Fall eignet sich besonders die Verwendung von Titan-Elektroden. Durch die Abscheidung von Spuren von Titan auf der Werkstückoberfläche kommt es dann in Verbindung mit der durch das Plasma bewirkten Hydrophilisierung zu einer Oberflächenstruktur, die die Haftung von Klebstoffen, Lacken und dergleichen verbessert (autokatalytische Reaktionen).

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Plasmadüse und ein zu beschichtendes Werkstück.
Die Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Auslaßöffnung 14 verjüngt. Am der Auslaßöffnung 14 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 12 eine Dralleinrichtung 16 mit einen Einlaß 18 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 20 der Dralleinrichtung 16 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 22 auf durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 24 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft.
An der Unterseite der Zwischenwand 20 ist mittig eine Elektrode 26 angeordnet, die koaxial in den verjüngten Abschnitt des Düsenrohres hineinragt. Die Elektrode 26 weist einen Elektrodengrundkörper 28 auf, beispielsweise aus Kupfer, der elektrisch gegenüber mit der Zwischenwand 20 und den übrigen Teilen des Dralleinrichtung 16 verbunden ist. Die Dralleinrichtung 16 ist durch ein Keramikrohr 30 elektrisch gegen das Düsenrohr 12 isoliert. Über die Dralleinrichtung 16 wird an die Elektrode 24 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 32 erzeugt wird. Die Primärspannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 300 bis 500 V. Die Sekundärspannung kann 1 bis 5 kV oder mehr betragen. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 50 kHz und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Die Dralleinrichtung 16 ist mit dem Hochfrequenztransformator 32 über ein flexibles Hochspannungskabel 34 verbunden. Der Einlaß 16 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 32 zu einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 läßt sich so mühelos mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen.
Das Düsenrohr 12 ist geerdet. In den Elektrodengrundkörper 28 ist eine Abbrandelektrode 36 eingesetzt, die beispielsweise in einem leichten Preßsitz in einer entsprechenden Ausnehmung des Elektrodengrundkörpers 28 gehalten ist.
Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 40 zwischen der Elektrode 26 und dem Düsenrohr 12 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert, so daß er sich erst im Bereich der Auslaßöffnung 14 zur Wand des Düsenrohres 12 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 40 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so daß ein Strahl 42 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas, etwa in der Gestalt einer Kerzenflamme, aus der Auslaßöffnung 14 der Plasmadüse 10 austritt. Mit Hilfe dieses Plasmastrahls 42 wird die Oberfläche eines Werkstücks 44, beispielsweise eines Formwerkzeugs überstrichen, um so auf der Innenfläche 46 des Formhohlraums durch Plasmabeschichtung eine dünne haftungsmindernde Schicht aufzubringen. Bei dem aufgetragenen Beschichtungsmaterial handelt es sich um Material, das durch den Lichtbogen 40 von der Abbrandelektrode 36 abgesputtert wird und ggf. mit Komponenten des Arbeitsgases reagiert.
Das Material der Abbrandelektrode 36 richtet sich somit nach der gewünschten Beschichtung auf dem Werkstück 44. Als Beispiel kann angenommen werden, daß die Abbrandelektrode 36 aus Aluminium besteht, das nach dem absputtern mit dem Luftsauerstoff im Arbeitsgas reagiert, so daß eine dünne Schicht Al₂O₃ auf der Werkstückoberfläche abgeschieden wird.
Im gezeigten Beispiel ist die Abbrandelektrode 36 an ihrem unteren, aus dem Elektrodengrundkörper 28 heraus ragenden Ende zu einem dünnen Stift verjüngt, so daß der Abbrand beschleunigt wird. Wenn die Abbrandelektrode 36 verbraucht ist, kann sie einfach aus dem Elektrodengrundkörper 28 herausgezogen und durch eine neue Abbrandelektrode ersetzt werden. Zu diesem Zweck ist das Düsenrohr 12 hier zweiteilig ausgebildet, so daß sich sein unterer, die Elektrode 26 aufnehmender Teil 48 abschrauben läßt.
Da der Plasmastrahl 42 gut in die Vertiefungen des Werkstücks 44 eindringen kann und sich zudem die Plasmadüse 10 insgesamt nach Bedarf schwenken läßt, kann eine durchgehende und gleichmäßige Beschichtung des Werkstücks 44 erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Abbrandelektrode 36 verschiebbar im Elektrodengrundkörper 28 gehalten und bei fortschreitendem Abbrand mit Hilfe einer Stelleinrichtung automatisch weiter aus dem Elektrodengrundkörper ausfahrbar sein. Außerdem ist es möglich, die Temperatur der Abbrandelektrode durch Beheizung des Elektrodengrundkörpers oder durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl oder dergleichen zu steuern und so die Sputtermenge zu beeinflussen.

Claims

1. Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken (44), bei dem mit Hilfe einer Plasmadüse (10) durch elektrische Hochfrequenzentladung ein Strahl (42) eines atmosphärischen Plasmas erzeugt wird, mit dem die zu beschichtende Werkstückoberfläche (46) überstrichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Komponente des Beschichtungsmaterials als Feststoff in einer Elektrode (26) der Plasmadüse (10) enthalten ist und durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzentladung eine Spannung von mindestens 300 V und eine Frequenz von 1 kHz oder mehr hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (44) ein Formwerkzeug ist, auf dessen Oberfläche (46), die den Formhohlraum begrenzt, durch den Plasmastrahl (42) eine metallhaltige Schicht abgeschieden wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Elektrodengrundkörper (28) der Elektrode (26) eine Abbrandelektrode (36) eingesetzt wird, die das Beschichtungsmaterial und ggf. die Leitfähigkeit fördernde Zusätze enthält.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Plasmadüse (10) ein Arbeitsgas hindurchgeleitet wird, das chemische Komponenten enthält, die mit dem von der Elektrode (26) abgesputterten Material reagieren.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsgas in der Plasmadüse (10) verdrallt wird, um die Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens (40) im Wirbelkern der drallförmigen Arbeitsgas-Strömung zu kanalisieren.

7. Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, mit einem Hochfrequenzgenerator (32) und einer Plasmadüse (10), die ein von einem Arbeitsgas durchströmtes Düsenrohr (12) und eine koaxial in dem Düsenrohr angeordnete Elektrode (26) aufweist, an welche die Spannung des Hochfrequenzgenerators (32) anlegbar ist, so daß durch eine Hochfrequenzentladung zwischen der Elektrode (26) und dem Düsenrohr (12) ein Plasmastrahl (42) erzeugt wird, der aus dem Düsenrohr austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) ganz oder teilweise aus einem Material besteht, das durch die Hochfrequenzentladung von der Elektrode abgesputtert wird und in den Plasmastrahl (42) eintritt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) ganz oder teilweise aus Aluminium besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) Titan enthält.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) eine Abbrandelektrode (36) aufweist, die auswechselbar in einen Elektrodengrundkörper (28) eingesetzt ist.