DE2857102C2 - Vorrichtung zum Eindiffundieren und Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, mit einer Evakuiereinrichtung und einem vorgelagerten lonenerzeuger.

Bislang wurden zu diesem Zweck die zu beschichtenden Werkstücke in einem galvanischen Bad mit Hilfe von Säuren oder Laugen unterschiedlichen Behandlungszeiten ausgesetzt

Diese Galvanisierungsverfahren haben den Nachteil, daß sie durch die benötigten Säuren oder Laugen zu einem immer stärker werdenden Umweltproblem

ίο werden. Zumindest sind sehr hohe Investitionen erforderlich, um die dabei entstehenden Abwässer zu neutralisieren, sofern nicht hier oder dort die zuständigen Behörden die Einrichtung solcher Anlagen im vorhinein untersagen.

Wegen der hohen Salzfracht der neutralisierten Abwässer entstehen hohe Abwasserabgaben. Allerdings sind auch schon Verfahren bekanntgeworden, bei denen das Auflagern einer Metallschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, während die andere Elektrode aus dem Beschichtungsmetall besteht. Diese Verfahren haben sich als nicht sehr geeignet erwiesen, da sie wegen des raschen Verbrauchs der metallabgebenden Elektrode nur die Beschichtung von Drähten oder kleineren Werkstücken, und das wegen der geringen Energie der auftretenden Metallionen nur mit äußerst dünnen und nicht sehr festhaftenden Schichten gestattet.

Aus der US-PS 39 62 988 ist das Verdampfen von auf ein Werkstück aufzutragendem Material durch Erwärmen und Ionisieren des Materials unter Anwesenheit eines inerten Gases in einer Vorkammer bekanntgeworden, das in eine Glimmentladungskammer eingeleitet wird (vgl. dort insbesondere Fig. 6). In der US-PS 34 91 015 ist ein Trägerplasmastrom beschrieben, der in einer Lichtbogenvorkammer erzeugt wurde und zur Herstellung von Ionen des Spendermediums im Glimmentladungsraum aus der US-PS 26 36 855 bekannt und aus dem IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 19, Nr.5, Okt. 1976, Seite 1518-1520, die Erzeugung von Plasma aus Trägergas und Beschichtungsmatcrial mit Hilfe eines Lichtbogens, wobei die Beschichtung nicht in einer Glimmentladungskammer vorgenommen wird.

Der Vollständigkeithalber sei auch das sogenannte Gasbeschichtungsverfahren erwähnt, bei dem das aufzulagernde Metall aus einem eine entsprechende Metallverbindung enthaltenden oder aus einer solchen bestehenden Gas auf das Werkstück abgeschieden wird, das aber dazu hocherhitzt werden muß. Derart hohe Temperaturen — es handelt sich dabei um solche von 1200⁰C und darüber — beeinträchtigen die physikalisehen Eigenschaften des Werkstückes, so daß man in der Verwendung des Gasbeschichtungsverfahrens sehr beschränkt ist.

Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die die oben genannten Nachteile der bekannten Verfahren dieser Art vermeidet, d. h. ein umweltfreundliches Verfahren anwenden läßt, das auch zur Erzeugung dicker Schichten auf größeren Werkstücken geeignet ist, wobei die Erhitzung des Werkstükkes auf für dieses schädliche Temperaturen nicht erforderlich ist.

Die Lösung wurde in überraschender Weise durch eine Weiterentwicklung der an zweiter Stelle genannten Verfahren gefunden, indem man eine Bogenentladung

zum Abstauben von Beschichtungsmetall unter Zuhilfenahme eines in Turbulenz versetzten Trägergases heranzieht und diese Bogenentladung einer Glimmentladung überlagert und unter Ausnutzung des Kathodenfalls den vor Eintritt in die Unterdruckkammer ionisierten Metallionen des als eine Elektrode geschalteten Spendermediums zusätzlich Energie zuführt, diese Metallionen mit hoher Geschwindigkeit in/auf das als die andere Elektrode geschaltete Werkstück ein- und/oder auflagerL

Mit der Parallelanmeldung P 28 30 134.0-45 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück ebenfalls mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode des elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist.

Dabei kann als die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen 'onisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, und zwar vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer, verwendet werden. Andererseits können aber auch als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetall selbst verwendet werden.

Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des Verfahrens so vorgegangen, daß das im lonenerzeuger vorionisierte und in Turbulenz versetzte Trägergas Metallpartikel aus dem mit dem Trägergas in Kontakt gebrachten Beschichtungsmetall abstäubt und vorionisiert.

Zum Aufbringen einer Legierungsschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, jeweils Trägergas und die Legierungskomponenten durch den Legierungskomponenten einzeln zugeordnete lonenerzeuger vorzuionisieren. Eine andere nicht minder zweckmäßige Möglichkeit zum Aufbringen einer Legierungsschicht besteht darin, zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungsmetallen einzusetzen.

Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung weist ein lonenerzeuger auf, der aus einem mit dem Trägergas beschickbaren Turbulenzraum, einer Einrichtung zur Bildung eines Lichtbogens im Turbulenzraum und Mitteln für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall besteht.

Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausführungsformen und Einzelheiten der betreffenden Vorrichtung sind den Patentansprüchen und der folgenden Einzelbeschreibung zu entnehmen.

Die Zeichnungen zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung in

F i g. 1 eine derartige Vorrichtung im Schnitt,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Ionenerzeugers in größerem Maßstab,

Fig.3 einen ebensolchen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des lonenerzeugers,

Fig.4 einen ebensolchen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des lonenerzeugers,

F i g. 5 und F i g. 6 weitere Ausführungsvarianten der Vorrichtung gemäß der Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist auf eine elektrisch leitfähige, isolierte Platte I eine Haube 2 zur Bildung der Unterdruckkammer 3 gasdicht aufgesetzt. Eine Rohrleitung 4. die isoliert durch die Platte 1 geführt ist. ist an dieser Unterdruckkammer 3 angeschlossen und dient in bekannter Weise zu deren Evakuierung. Auf der Platte 1 wird von Stützisolatoren 5 und 6 die Werkslückauflage 7 getragen. In ihrer Decke besitzt die Haube 2 eine Öffnung, in welche ein lonenerzeuger 8 eingesetzt ist.

Die Platte 1 und mit ihr die Haube 2 sowie das Gehäuse 9 des lonenerzeugers und dessen Deckel 10 sind durch die Leitung 11 an den positiven Pol einer nicht gezeichneten Stromquelle anschließbar. Die Werkstückauflage 7 ist durch eine Leitung 12, die durch den Stützisolator 6 geführt ist, an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossen. Die Platte 1 und die Haube 2, ebenso auch die Werkstückauflage 7 smd aus einem gegenüber einer lonenauslösung hochwiderstandsfähigen Legierung hergestellt.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines lonenerzeugers 8 ist im Gehäuse 9 eine zur Unterdruckkammer 3 weisende Öffnung 13 vorgesehen, in die beispielsweise ein Lochblech 14 aus dem Beschichtungsmaterial (Spendermedium) eingesetzt ist. Im Deckel 10 ist z. B. eine Zündkerze 15 eingeschraubt, deren Mittelelektrode 16 durch die Leitung 17 an den negativen Pol der erwähnten Stromquelle angeschlossen ist.

Die Gegenelektrode 18 ist über den Deckel 10, das Gehäuse 9, die Haube 2 und die Platte 1 an den positiven Pol der Stromquelle anschließbar. In dem vom Gehäuse 9 und Deckel 10 umschlossenen Turbulenzraum 19 mündet ein gegenüber dem Gehäuse isolierter Stutzen 20 für die Zuleitung des Trägergases. Es können auch mehrere Stutzen vorgesehen sein und die Einmündung kann radial oder auch tangential gerichtet sein.

Schließlich sind noch hier nicht eigens beschriebene und gezeichnete Mittel bekannter Art zur Regulierung der Spannung und zur Einstellung und Konstanthaltung des Druckes in der Unterdruckkammer je nach den günstigsten Arbeitsbedingungen vorgesehen.

Das mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtende Werkstück 21 (siehe Fig. 1) wird auf die Werkstückauflage 7 aufgelegt, die Haube 2 auf die Platte 1 aufgesetzt und die so geschlossene Unterdruckkammer 3 durch die Rohrleitung 4 evakuiert. Hernach wird durch den bzw. die Stutzen 20 das Trägergas (z. B. Argon) eingelassen und die Platte 1, die Haube 2 usw. z. B. an die Plusspannung gelegt. Es baut sich somit zwischen Platte 1 und Haube 2 als Anode einerseits und dem Werkstück 21 als Kathode andererseits ein elektrisches Feld auf. Ferner entsteht zwischen der Gegenelektrode 18 und der Mittelelektrode 16 der Zündkerze ein Lichtbogen.

Durch diesen Lichtbogen wird das in den Turbulenzraum 19 eingetretene Trägergas ionisiert und in eine Wirbelströmung versetzt. Die Gasionen dringen durch das Lochblech 14 aus Beschichtungsmetall und stäuben daraus Metallionen ab, welche als eine Art »lonenregen« in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer 3 gelangen. In diesem werden sie in Richtung des Werkstückes 21 umgelenkt und treffen dort im Zuge der Glimmentladung zwischen Anode 1, 2 und Kathode 21 mit sehr hoher Geschwindigkeit auf, derart, daß sie zum Teil in die Oberfläche des Werkstückes 21 eindringen und in der Folge eine äußerst festhaftende Metallschicht auf dem Werkstück 21 bilden. Dabei wird die Dicke der Schicht im wesentlichen durch die Zeitdauer des Beschichtungsvorganges bestimmt.

Bezüglich der elektrischen Schaltung könnte auch daran gedacht werden, den Plus-Pol der Stromquelle und die an der Platte 1 angeschlossene Leitung 11 an Erde zu legen, wogegen für den Beschichtungsvorgang die Verbindung zwischen Werkstückauflage 7 und Mittelelektrode 16 der Zündkerze 15 mit dem Minuspol der Stromquelle herzustellen wäre. Es wären dann Platte 1 und Haube 2 nicht spannungsführend und es könnte die Isolierung des Durchtritts der Rohrleitung 4

und des Stutzens 20 unterbleiben.

Die Ausführungsform des ionenerzeugers nach F i g. 3 unterscheidet sich von der nach F i g. 2 nur durch die Anordnung des Beschichtungsmetalls, das als Ringfutter 22 in das Gehäuse 9 eingelegt ist, und die ^ konturenmäßig etwas andere Ausbildung der zur Unterdruckkammer 3 führenden öffnung 23. Bei der Ausführungsform nach der F i g. 4 ist in die Übergangsöffnung 13 zur Unterdruckkammer 3 ein siebartig gelochter Napf 24 eingelassen, der das Beschichtungsmetall in Form eines Granulats 25 aufnimmt.

Die durch Fig.5 verdeutlichte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient sich zusätzlich zum lonenerzeuger 8 noch einer Anode aus Beschichtungsmetall, die hier beispielsweise als Hohlzylinder 26 innerhalb der Haube 2 auf die Platte 1 aufgesetzt ist und das Werkstück 21 umgibt. Bei der weiteren Variante nach Fig.6 wird eine zusätzliche Kathode aus Beschichtungsmetall in Gestalt eines Ringes 27, der das Werkstück 21 umgibt, auf die Werkstückauflage 7 aufgesetzt.

Die Verwendung zusätzlicher Elektroden kann den Zweck haben, den Beschichtungseffekt zu verstärken, besonders wenn es sich darum handelt, größere Schichtdicken zu erzielen. Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der lonenerzeuger 8 nur einleitend zur Erzeugung einer ersten festhaftenden Grundschicht verwendet wird, worauf die weitere Beschichtung in herkömmlicher Weise von den zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus erfolgt.

Schließlich können auch mehrere lonenerzeuger 8 vorgesehen sein, die mit unterschiedlichen Beschichtungsmetallen ausgestattet sind, um eine legierungsartige Beschichtung des Werkstückes 21 zu erzielen. Das gleiche kann auch erreicht werden, wenn die erwähnten zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus verschiedenen Beschichtungsmetallen bestehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Eindiffundieren und Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, wobei das Trägergas und das Beschichtungsmetall vorionisiert werden und im vorionisierten Zustand in das elektrische Feld der Unterdruckkammer überführt werden, und die Unterdruckkammer in zwei Räume unterschiedlicher Größe, die miteinander in gasleitender Verbindung stehen, unterteilt ist, wovon der kleinere vorgelagerte Raum mindestens einen Ionenerzeuger (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der der Unterdruckkammer (3) vorgelagerte Raum (19) ein mit Trägergas beschickbarer Turbulenzraum ist, der eine Zündkerze (15) zur Bildung eines Lichtbogens in diesem Turbulenzraum enthält und Mittel (14, 22, 24, 25) für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer Legierungsschicht jeder Legierungskomponente einzeln ein lonenerzeuger (8) zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer Legierungsschicht zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungsmetallen vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetall in der Unierdruckkammer (3) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer (3), ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchtrittsöffnung (13) vom Turbulenzraum (19) zur Unterdruckkammer (3) ein Lochblech (14) aus Beschichtungsmetall eingesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Turbulenzraumes (19) mit einem Futter (22) aus Beschichtungsmetall versehen und die Durchtrittsöffnung (23) zur Unterdruckkammer (3) rund ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchtrittsöffnung (13) zwischen Turbulenzraum (19) und Unterdruckkammer (3) ein siebartig gelochter Napf (24) eingelassen ist, in den das Beschichtungsmetall als Granulat (25) eingebracht ist.