DE19826160A1

DE19826160A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung metallischer Körper in einem Plasma

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Publication number: DE19826160A1
Application number: DE1998126160
Authority: DE
Inventors: Thomas Hoeing; Thorsten Matthee; Claus-Peter Klages
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 1999-12-23

Abstract

Bei einem Verfahren zur Reinigung metallischer Körper in einem Plasma werden die zu reinigenden metallischen Körper in einer Vakuumkammer gebracht. In der Vakuumkammer wird eine Inertgasatmosphäre mit einem Inertgasdruck von weniger als 10 Pa erzeugt. In der Vakuumkammer wird ein die zu reinigenden Körper ganz oder weitgehend umschließendes Plasma gezündet. Ein negatives elektrisches Potential wird an den zu reinigenden Körpern gegenüber dem Plasmapotential angelegt. Die durch das Potential zum zu reinigenden Körper hin beschleunigten Inertgasionen entfernen die Verunreinigungen durch Abtragen der Oberfläche des Körpers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung me tallischer Körper in einem Plasma.

Zur Reinigung metallischer Körper werden heute überwiegend naßchemische Verfahren eingesetzt. Als Reinigungsmedien werden hierbei organische, oft halogenierte Lösemittel, seit einiger Zeit auch verstärkt wässrige Bäder mit Ten siden, Beizstoffen usw. eingesetzt. Diese naßchemischen Verfahren haben allein schon unter Umweltaspekten erhebliche Nachteile, vgl. H. Schmid, in: "Metalloberfläche 47 (1993), 8, S. 367 ff". Um diese Nachteile zu vermeiden, wird in dieser Veröffentlichung ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine naß- chemische Vorreinigung und eine nachgeschaltete Plasmareinigung kombiniert werden. Dieses Verfahren ist lediglich zur Entfernung von sehr speziellen Ver unreinigungen vorgesehen und vermindert, vermeidet aber nicht die Nachteile einer naßchemischen Verunreinigung.

Bei naßchemischen Naßreinigungsverfahren fallen große Mengen umweltbe lastender Flüssigkeiten an. Diese dürfen heute kaum noch direkt entsorgt werden. Dementsprechend müssen sie wiederaufbereitet und von den einge brachten Verunreinigungen und Verschleppungen getrennt werden, was ledig lich unter hohem Energieaufwand und entsprechenden Apparaturen möglich ist. Die naßchemische Reinigung erfolgt im allgemeinen in mehreren Stufen, wofür diverse Reinigungsbäder erforderlich sind. Der Platzbedarf hierfür in der Ferti gung ist in der Regel enorm. Ein relativ hoher Energieaufwand ist auch für die Heizung der Bäder erforderlich, die meist bei Temperaturen zwischen 40° und 60°C betrieben werden.

Soll gleichzeitig eine Vielzahl von metallischen Körpern gereinigt werden, so bleibt aufgrund von Adhäsivkräften Flüssigkeit zwischen den Körpern haften, die durch starke Gebläse, Trocknungs- oder Heizprozeduren entfernt werden muß.

Insbesondere bildet sich auf der Oberfläche von unedlen Metallen nach dem Herausnehmen aus den Reinigungsbädern auch sofort wieder eine Oxidhaut.

Bei Verschmutzungen metallischer Werkstücke mit organischen Ölen sind außerdem Plasmaätzverfahren bekannt. Dabei werden im Plasma Reaktivgase angeregt, zum Beispiel Sauerstoff. Diese angeregten Reaktivgase reagieren mit den Verunreinigungen dann zu flüchtigen Reaktionsprodukten, beispielsweise Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O. Die dabei eingesetzten Anlagen werden in ähnlicher Form auch für die Beschichtung von zum Beispiel Plasmapolymeren verwendet, vgl. H. Grünwald, in: "Metalloberfläche 48 (1994)10, S. 718 ff".

Mit derartigen herkömmlichen Plasmareinigungsverfahren können allerdings nur solche Verunreinigungen beseitigt werden, die nach der Reaktion mit den ange regten Reaktivgas auch flüchtige Reaktionsprodukte bilden. Salze, beispiels weise von Fingerabdrücken und Oxide können kaum beseitigt werden. Bei par tiell dicken Schmutzschichten, etwa organischen Ölen und Fetten, kann es zur Bildung schwer entfernbarer Plasmapolymere kommen, die beim Reinigen na türlich gerade nicht erwünscht sind, vgl. H. Grünwald, in: "Metalloberfläche 48 (1994) 9, S. 615 ff".

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vor richtung zur Reinigung metallischer Körper vorzuschlagen, die auch solche Ver unreinigungen beseitigen können, die mit den herkömmlichen Plasma reinigungsverfahren nicht entfernbar sind, andererseits aber auch nicht die Um weltprobleme naßchemischer Reinigungsverfahren aufweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung metallischer Kör per in einem Plasma, bei dem die zu reinigenden metallischen Körper in eine Vakuumkammer gebracht werden, in der Vakuumkammer eine Inertgas atmosphäre mit einem Inertgasdruck von weniger als 10 Pa erzeugt wird, in der Vakuumkammer ein die zu reinigenden Körper ganz oder weitgehend um schließendes Plasma gezündet wird, ein negatives elektrisches Potential an den zu reinigenden Körpern gegenüber dem Plasmapotential angelegt wird, und die durch das Potential zu dem zu reinigenden Körper hin beschleunigten Inert gasionen die Verunreinigungen durch Abtragen der Oberfläche des Körpers entfernen.

Es entsteht dadurch ein Verfahren zur trockenen Reinigung metallischer Körper in einem Plasma unter Vakuumbedingungen, das sich von den nach dem Stand der Technik bekannten Plasmareinigungsverfahren dadurch unterscheidet, daß die Reinigung nicht durch einen chemischen Angriff eines angeregten Reaktiv gases auf die Verunreinigungen erfolgt, sondern durch das Abtragen der Ober fläche des zu reinigenden Werkstückes mittels Inertgasionen, die zum Werk stück hin beschleunigt werden. Bei diesem Abtragen werden die Verunreini gungen beseitigt, gleichzeitig natürlich auch ein Teil der metallischen Oberfläche selbst abgetragen. Dieser Effekt kann aber ohne weiteres in Kauf genommen werden, da einerseits das Verfahren nur kurze Zeit durchgeführt werden muß, bis die Verunreinigungen entfernt sind, und andererseits bei der Fertigung der Teile der Effekt bereits eingerechnet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, auch anorganische Verunreinigungen von Metallkörpern zu entfernen, die, wie beispielsweise Salze von Fingerabdrücken, sonst sehr problematisch zu behandeln sind.

Bevorzugt werden also die verunreinigten Metallkörper in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Inertgasdruck zwischen 0,1 Pa und 10 Pa, entsprechend 10^-3 mbar bis 10^-1 mbar aufrechterhalten wird. Besonders bevorzugt ist ein Inert gasdruck von 5 Pa entsprechend 5 × 10^-2 mbar.

Als Inertgas wird ein Edelgas, vorzugsweise Argon eingesetzt. In der Vakuum kammer wird ein Plasma, beispielsweise ein Gleichstromplasma, ein induktiv oder kapazitiv gekoppeltes Mittelfrequenz- oder Hochfrequenzplasma oder ein Mikrowellenplasma gezündet. Das Plasma umschließt die zu reinigenden Körper.

Das elektrische Potential an den zu reinigenden metallischen Körpern wird auf einen negativen Wert gegenüber dem Plasmapotential gesetzt, insbesondere auf einen Wert von -100 bis -1000 V, vorzugsweise -500 V. Das Potential kann durch Anlegen einer äußeren Spannung zwischen den Metallkörpern und einer das Plasma berührenden Gegenelektrode oder den das Plasma berührenden metallisch leitenden Rezipienten erzeugt werden.

Im Falle einer Wechselstromentladung bildet sich eine sogenannte Selfbias- Spannung aufgrund physikalischer Gegebenheiten der Plasmaentladung aus. Das aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen dem oder den Metallkörpern und dem Plasma bestehende elektrische Feld beschleunigt die im Plasma erzeugten Inertgasionen zum Metallkörper hin. Die auftreffenden Ionen tragen die Verunreinigungen von der Oberfläche des metallischen Körpers, bzw. dort, wo keine Verunreinigungen vorhanden sind, die Metalloberfläche selbst ab.

Dabei hat sich in Versuchen herausgestellt, daß die Wirkung umso stärker ist, je gekrümmter die Oberfläche ist. Grund hierfür ist, daß die elektrische Feldstärke mit dem reziproken Krümmungsradius der Kathode ansteigt. Für das Reini gungsverfahren eigenen sich daher bevorzugt Körper mit einer gleichmäßigen Krümmung, insbesondere mit Krümmungsradien von wenigen Millimetern, so daß insbesondere Stifte, Nadeln, Draht oder Kugeln gereinigt werden können.

Wie bereits erwähnt, liegt die bei der Reinigung angelegte Spannung vorzugs weise etwa im Bereich von 500 V. Die Ionen werden nur im sogenannten "Dunkelraum" vor der Kathode beschleunigt, der bei den oben genannten Be dingungen etwa eine Tiefe von 0,01 m aufweist. Auf beispielsweise Stifte, die auf der Kathode aufgereiht sind und ins Plasma hineinragen, wirkt dadurch ein Ionenstrom, der vermutlich aufgrund der sich ausbildenden Feldstärke deutlich höhere Intensitäten annimmt, als dies bei ebenen Geometrien der Fall ist. Die Versuche haben aus vermutlich diesem Grund erheblich höhere Abtragsraten als bei ebenen Kathoden ergeben.

Als Sputtergas wird bevorzugt Argon verwendet, aber auch andere Inertgase, wie beispielsweise Helium oder Neon können eingesetzt werden. Sauerstoff ist weniger bevorzugt, da es bei Sauerstoffeinsatz wiederum zu Oxidbildung kommen kann. Der Einsatz von Stickstoff als Sputtergas könnte zu einer Nitrie rung der metallischen Körper führen.

Die Vorteile des Verfahrens sind erheblich. Das Verfahren ist sehr schnell durchführbar, bei Versuchen wurden zylindrische metallische oxidierte Körper innerhalb von 5 Minuten von dem Oxyd befreit. Das Verfahren ist auch umwelt freundlich. Es fallen vor allem keine belastenden Abwässer an. Es ist auch keine zeitaufwendige Trocknung mehr erforderlich, wodurch zum einen der apparative Aufwand und zum anderen der Zeitverlust entfallen und auch keine Probleme mehr mit der Behandlung der Abluft entstehen.

Darüberhinaus enthält man durch die Durchführung des Verfahrens eine rein metallische Oberfläche, so daß die Teile bereits im Vakuum, beispielsweise innerhalb der gleichen Apparatur sofort weiterverarbeitet werden können, etwa beschichtet werden können.

Im Gegensatz insbesondere zur naßchemischen Reinigung ist der Platzbedarf erheblich reduziert und auch der Energiebedarf ist geringer als im Stand der Technik.

Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für einzeln aufgereihte zylinderförmige metallische Körper, sondern auch für gleiche Bau teile, die als Schüttgut gereinigt werden sollen. In diesem Falle ist es von be sonderem Vorteil, wenn eine gute Durchmischung des Schüttgutes erfolgt, so daß alle eingebrachten metallischen zu reinigenden Körper gleichmäßig und gut gereinigt werden. Dabei haben sich zwei unterschiedliche Vorgehensweisen jeweils als vorteilhaft erwiesen.

Zum einen kann eine starre Elektrode zur Reinigung der metallischen Körper in Form einer Schüttgutreinigung eingesetzt werden. Das Schüttgut wird dabei in ein nichtleitendes rotierendes Behältnis gegeben, daß nicht auf Potential liegt. Die Elektrode ist in ihrer Form dem nichtleitenden rotierenden Behältnis ange paßt. Die Anpassung erfolgt derart, daß das Plasma mit seiner größeren Feld stärke am Schüttgut angreift. Dabei sollte die Füllhöhe des Schüttgutes in dem Behältnis auf eine höchste Abtragsrate hin optimiert werden. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Schüttgut bei der Rotation sich wirr aufstellt, so daß das Plasma effektiv angreifen kann.

Um das elektrische Feld bei diesem Vorgehen gut durch das Behältnis greifen zu lassen, sollte dieses perforiert sein und bevorzugt einen Rand besitzen, damit das Schüttgut nicht herausfällt. Die Seitenbereiche sollten offen sein. Be vorzugt ist das Behältnis aus elektrisch angepaßtem Material, welches insbe sondere der Temperaturbelastung während des Reinigungsvorganges ge wachsen ist.

Bei einer zweiten Variante der Schüttgutreinigung wird eine bewegliche Elek trode eingesetzt. Diese Elektrode ist dabei beispielsweise als Halbschale aus gebildet und schwingt oder rüttelt zur Durchmischung des Schüttgutes während des Reinigungsvorganges hin und zurück. Die Halbschale ist leitend und auf Kathodenpotential. Hier sollte bevorzugt ein optimaler Füllgrad beachtet werden, um ein optimales und schnelles Reinigen zu ermöglichen. Auch hier sollte die Bewegung dazu führen, daß die einzelnen Bauteile ins Plasma weisen und sich nicht parallel zueinander anordnen. Hierfür kann bevorzugt eine geeignete Halb schaleninnenform gewählt werden.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele von durchgeführten Versuchen anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Versuchsaufbau einer ersten Ausführungs form der Erfindung; und

Fig. 2 einen schematischen Versuchsaufbau einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung.

In beiden Fällen weist eine Vakuumkammer 10 einen Inertgaseinlaß 11 und einen Ausgang 12 zu den Vakuumpumpen (nicht dargestellt) auf. In der Vaku umkammer 10 ist eine erste Elektrode 20 sowie eine Gegenelektrode 25 ange ordnet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Elektrode 20 jeweils eine Hochfrequenzelektrode, die über einen Anschluß 21 an einen Hochfre quenzgenerator (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Die Gegenelektrode 25 ist über den Anschluß 26 geerdet.

Zwischen der Elektrode 20 und der Gegenelektrode 25 bildet sich ein Plasma 30 aus. Innerhalb des Plasmas 30 befindet sich das Reinigungsgut 40, das natürlich vorab in diesen Bereich verbracht werden muß.

Bei einem ersten Versuch wurden Metallstifte 41 mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge von 25 mm mit oxydischen Verunreinigungen auf der Oberfläche gereinigt. Diese wurden elektrisch leitend verbunden, senkrecht stehend auf der Elektrode 20 eines Parallelplattenreaktors angeordnet. In der Vakuumkammer 10 wurde ein Argondruck von 5 Pa aufrechterhalten und ein Hochfrequenzplasma 30 (13,6 MHz) gezündet. Der Abstand der einzelnen Metallstifte 41 konnte druckabhängig optimiert werden. In dem o.g. Druck bereich konnten bei 5 mm Abstand gute Reinigungsergebnisse erzielt werden. Der Abstand sollte bei höheren Drücken verringert und bei niedrigeren Drücken vergrößert eingestellt werden. An der Elektrode 20 und somit auch an den zu reinigenden Stiften 41 wurde eine Selfbias-Spannung von 450 V gemessen.

Die Plasmaleistung betrug 500 W. Nach 5 Minuten Reinigungszeit waren die Stifte 41 von den Oxyden befreit. Mittels Messung der Masseabnahme eines der zu reinigenden Stifte 41 wurde eine Abtragsrate von 1 Mikrometer pro Minute rückgerechnet.

Bei einem zweiten Versuch wurden teilweise ankorrodierte Stahlkugeln 42 aus Stahl St 37 mit einem Durchmesser von 3 mm gereinigt. Die Stahlkugeln 42 wurden als Schüttgut in einem Behälter 50, nämlich einer sich drehenden Quarzglastrommel mit einem Durchmesser von 100 mm, ca. 5 mm über der Elektrodenfläche eines Parallelplattenreaktors in Bewegung gehalten. Es wurde eine Argonatmosphäre von 1 Pa aufrechterhalten. Ein Hochfrequenzplasma 30 wurde gezündet und an der Elektrode 20 einer Selfbias-Spannung von -600 V gemessen. Das durch das Quarzglasdielektrium durchgreifende hochfrequente Wechselfeld hat auch an den Metallkugeln 42 eine Selfbias-Spannung ent stehen lassen. Nach 5 Minuten Reinigungszeit waren keine Korrosionsspuren mehr sichtbar.

Bezugszeichenliste

10

Vakuumkammer

11

Inertgaseinlaß

12

Ausgang

20

Elektrode

21

Anschluß von

20

25

Gegenelektrode

26

Anschluß von

25

30

Plasma

40

Reinigungsgut bzw. Körper

41

Stifte

42

Stahlkugeln

50

Behälter

Claims

1. Verfahren zur Reinigung metallischer Körper (40) in einem Plasma (30), bei dem

- die zu reinigenden metallischen Körper (40) in eine Vakuum kammer (10) gebracht werden,
- in der Vakuumkammer (10) eine Inertgasatmosphäre mit einem Inertgasdruck von weniger als 10 Pa erzeugt wird,
- in der Vakuumkammer (10) ein die zu reinigenden Körper (40) ganz oder weitgehend umschließendes Plasma (30) gezündet wird,
- ein negatives elektrisches Potential an den zu reinigenden Körpern (40) gegenüber dem Plasmapotential angelegt wird,
- die durch das Potential zu den zu reinigenden Körpern (40) hin be schleunigten Inertgasionen die Verunreinigungen durch Abtragen der Oberfläche des Körpers (40) entfernen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inertgasdruck in der Vakuumkammer (10) auf mehr als 0,1 Pa und weniger als 10 Pa, insbesondere auf 5 Pa gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Argon eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das negative elektrische Potential an den zu reinigenden Körpern (40) gegenüber dem Plasmapotential auf einen Wert von -100 bis -1000 Volt, insbesondere von -500 Volt eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sputtergas Argon eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigenden Körper (40) Krümmungen, insbesondere gleich mäßige Krümmungsradien von wenigen Millimetern oder weniger be sitzen.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reinigung einer Vielzahl von metallischen Körpern (40) eine Schüttgutreinigung erfolgt, wobei die zu reinigenden Körper (40) als Schüttgut in ein nichtleitendes rotierendes Behältnis (50) in der Vakuum kammer (10) gegeben werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vor stehenden Ansprüche, mit einer Vakuumkammer (10), eine Inertgas quelle (bei 11), Anschlüssen (21, 26) zur Erzielung elektrischer Poten tiale und einer Haltevorrichtung für die zu reinigenden Körper (10), gekennzeichnet durch eine Anordnung der Haltevorrichtung derart, daß die zu reinigenden Körper ganz oder teilweise vom sich ausbildenden Plasma umschlossen sind und das Potential die Inertgasionen auf den zu reinigenden Kör per (10) hin beschleunigt und die Verunreinigungen durch Abtragen der Oberfläche des Körpers entfernen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (50) vorgesehen ist, in den mehrere zu reinigende Körper (40) als Schüttgut hineingegeben werden können, und der rotier bar aufgehängt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierbare Behältnis (50) nichtleitend ist und nicht auf Potential liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierbare Behältnis (50) perforiert und weitgehend zum Durch greifen des elektrischen Feldes offen gestaltet ist, so daß unter Berück sichtigung der Rotation ein Herausfallen des Schüttgutes noch ver mieden wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierbare Behältnis (50) selbst als Elektrode ausgebildet und leitend ist und auf Kathodenpotential liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierbare Behältnis (50) insbesondere Schwing- und Rüttelbe wegungen ausführen kann.