DE3144192A1

DE3144192A1 - Verfahren zum bedampfen einer oberflaeche

Info

Publication number: DE3144192A1
Application number: DE19813144192
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Doi; Mitsunori Itami Hyogo Kobayashi; Yoshihiki Maeda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB2086943A; US4507189A; DE3144192C2; FR2493348B1; FR2493348A1; GB2086943B; JPS5779169A

Description

Verfahren zum Bedampfen einer Oberflache
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum physikalischen Bedampfen, bei dem harte Verbindungen homogen und fest auf- die Oberfläche von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen sowie Ornamenten, wie einem Uhrengehäuse und dergleichen, aufgetragen werden, um die Verschleißfestigkeit, die Temperaturbeständigkeit, den Korrosionswiderstand, das Aussehen und dergleichen der Werkzeuge, Teile bzw. Ornamente zu verbessern.
Das Beschichten der Oberfläche von Werkzeugen, Teilen oder dergleichen im Vakuum mit harten Verbindungen, um die Verschleiß festigkeit und den Korrosionswiderstand dieser Werkzeuge und dergleichen zu verbessern, wird im großen.
Umfang angewendet. Diese harten Verbindungen umfassen im allgemeinen Carbide, Nitride und Oxide von Metallen, die eine große Härte und chemische Stabilität aufweisen und den Gruppen IVa (Titan, Zirkon, hafnium), Va (Vanadin, Niob, Tantal), VIa (Chrom, Molybdän, Wolfram) und dergleichen angehören, oder Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder feste Lösungen dieser Verbindungen. Die Auftragsschicht kann in Form einer einzigen Schicht oder in Form mehrerer Schichten vorliegen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem diese Verbindun-gen homogen und fest aufgetragen werden. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf spezielle Arten und Zusammensetzungen dieser harten Verbindungen beschränkt.
Es können verschiedene Auftragsarten zur Anwendung kommen, einschließlich dem chemischen Bedampfungsverfahren, den physikalischen Bedampfungsverfahren sowie dem Sprühbeschichtungsverfahren. In jüngerer Zeit wird auf zunehmend mehr Gebieten vor allem das physikalische Bedampfungsverfahren angewendet, weil diese harten Verbindungen schon bei niedrigen Temperaturen, von Raumtemperatur bis 5000 C, fest aufgetragen werden können, wodurch die Eigenschaften und die Präzision der Substrate, d. h. der Werkzeuge oder Teile nicht beeinträchtigt wird.
Bei dem physikalischen Bedampfungsverfahren verschlechterL sich jedoch die Haftung der Auftragsschicht an dem Substrat beträchtlich, wenn andere Schichten, wie eine OxidschiCht, Hydroxidschicht und dergleichen auf der Oberfläche des Substrats vorliegt, da die Wärmediffusion zwischen dieser Auftrags schicht und dem Substrat aufgrund der geringen Beschichtungstemperaturen kaum fortschreitet. Normalerweise wird deshalb die Oberfläche dieser Substrate vor dem Beschichten mittels des physikalischen Bedampfungsverfahrens mit positiven Argonionen gereinigt, die durch Glühentladung von einem Kathodensubstrat, an das eine hohe Spannung angelegt ist, gebildet werden, darauf sie mit dem Kathodensubstrat zusammenstoßen, um die anderen Schichten von der Oberfläche dieser Substrate durch Ionenbeschuß wegzuspritzen (Sputter), d. h. eine Sputter-Reinigung vorzunehmen. Eine Argonatmosphäre wird deshalb benutzt, weil Argon inert ist und deshalb mit diesen Substraten chemisch nicht reagiert, wobei die Sputter-Ausbeute des Argons groß ist aufgrund seines hohen Molekulargewichts, und weil es verhältnismäßig kostengünstig und leicht erhältlich ist. Aus ähnlichen Gründen kann auch Stickstoff verwendet werden.
Die Oberfläche dieser Substrate wird durch den Sputter-Vorgang beim Sputter-Reinigen jedoch nur gereinigt, wenn Argon oder Stickstoff verwendet werden, wodurch die Oberfläche konvexer Abschnitte, spitzer Endabschnitte sowie Eckabschnitte der Substrate, auf die die positiven Ionen des Gases mit größerer Energie auftreffen, leicht gereinigt werden, während die Oberfläche von konkaven Abschnitterl und nut t1ern Abschnitten der Substrate, auf die die positiven Ionen des Gases mit geringerer Energie auftreffen, schwierig zu reinigen sind, ja es ist sogar zu befürchten, daß die Oberfläche der konkaven Abschnitte und der mittleren Abschnitte dieser Substrate durch eine Ansammlung von Oxiden und dergleichen, die von den konvexen Abschnitten, spitzen Abschnitten und Eckabschnitten dieser Substrate, die dem Sputter-Vorgang leicht unterliegen, stammen, verunreinigt werden.
Aus diesem Grunde hat das bekannte Verfahren zum Sputter-Reinigen niemals zu einer Auftrags schicht mit homogener Haftung geführt. Es ist daher für physikalisch bedampfte Gegenstände, die eine verhältnismäßig verwickelte Form aufweisen und eine homogene Haftung erfordern, wie Schneidwerkzeuge, verschleißfeste Teile, Ornamente und dergleichen unzureichend.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen.: Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung; Figur 2 perspektivisch ein Beispiel von Spitzen, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden; Figur 3 perspektivisch einen Halter, der mit einer darauf angeordneten Spitze versehen ist; Figur 4 perspektivisch den Zustand, bei dem eine Spitze auf einem Halter angeordnet ist; Figur 5 die Stellen A bis I, an denen die Spitze durch Eindrücken getestet worden ist.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Verwendung von Wasserstoff oder einem gasförmigen Gemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas als atmosphärisches Gas gekennzeichnet, um das Problem des ungleichmäßigen Reinigens der Oberfläche dieser Substrate zu lösen, das bei dem bekannten Vakuumbeschichtungsverfahren auftritt, bei denen die Oberfläche der Substrate lediglich durch den Sputter-Vorgang des Inertgases, wie Argon, Stickstoff und dergleichen, gereinigt wird. Bisher -sind Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Gasgemische aufgrund der geringen Sputter-Ausbeute des Wasserstoffs nicht. verwendet worden.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine gleichmäßige Reinigung der Oberfläche dieser Substrate errreicht, weil durch die geringere Sputter-Ausbeute verhindert wird, daß konkave Abschnitte oder mittlere Abschnitte der Substrate verunreinigt werden, wobei die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs durch eine Glühentladung beschleunigt werden kann. Dadurch wird eine noch wirksamere Reinigung der Substrate erreicht, da die Substrate gleichzeitig erhitzt werden.
Der Sputter-Vorgang ist zu schwach, wenn lediglich Wasserstoff als atmosphärisches Gas verwendet wird. Deshalb kann ein Inertgas, wie Argon, Stickstoff und dergleichen, zu dem Wasserstoff gegeben werden. Der Wasserstoff wird mit einem Gehalt von 20 Volumen W oder mehr eingesetzt, vorzugsweise mit einem Gehalt von 50 Volumen % oder mehr, da die gleichmäßige Haftung der Auftragsschicht, die sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat, nicht erreicht wird, wenn der Wasserstoff mit einem Gehalt von weniger als 20 Volumen % zum Einsatz kommt.
Als physikalisches Bedampfungsverfahren hat sich nach der Erfindung die Ionenplatierungsmethode, bei der die auf zur tragenden Substanzen ionisiert werden, als optimal erwiesen, da die besagten harten Verbindungen auf diese SU])Stl~rlte fest ciuiyiitrrnclcn werden konnten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum physikalischen Bedampfen ist insbesondere bei solchen Substraten wie Zahnradfräsern und Profilfräsern wirksam, die eine komplizierte Gestalt besitzen und aus Hochgeschwindigkeitsstahl bestehen, beispielsweise Abwälzfräser, Stoßmesser und dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum physikalischen Bedampfen ist insbesondere bei Sintercarbidwerkzeugen sowie Cermet-Werkzeugen vor allem mit einem Wegwerfeinsatz brauchbar. Diese Werkzeuge haben selbst eine verhältnismäßig einfache Gestalt, jedoch ist es erforderlich, diese Substrate bei dem physikalischen Bedampfungsverfahren rotieren zu lassen, um eine homogene Haftung der Auftragsschicht auf den Substraten sicherzustellen. Es ist deshalb erforderlich den Halter auf diesen Substraten anzubringen so daß einer Anordnung eine verwickelte Gestalt verliehen wird, die aus den Substraten und dem Halter als Ganzes besteht.
Bevorzugt werden die Metalle, die der IVa-Gruppe, der Va-Gruppe und der VIa-Gruppe des Periodensystems der Elemente angehören, als Materialien zum Vakuumbedämpfen dieser Substrate verwendet. Vor allem Titan, das einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Danl fdruck bes;itzt, kann leicht verdampft werden, wobei seine Carbide, Nitride, Carbonnitride oder Verbindungen, die aus diesen Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden des Titans sowie Sauerstoff bestehen, eine große Härte, chemische Stabilität und Schweißwiderstand gegenüber Eisen- und Stahlmaterialien aufweisen. Die vorstehend angegebenen Titanverbindungen sind deshalb im industriellen Maßstab die am besten geeigneten Beschichtungsmaterialien.
Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Ziel der Erfindung ist es, der Auftragsschicht eine gleichmäßige und hohe Haftung zu verleihen, unabhängig von der Art der Auftragsschicht. Titancarbid wird deshalb als typisches Beispiel beschrieben.
Beispiel 1 Die IonenplatLierungsvorricbtuncj geniäß Figur 1 itit nlit eines umlaufenden Wel].e 1 versehen, die einen Halter 3 auSwolst, wobei an dem Halter 3 vier Spitzen 2 befestigt sind.,Diese Spitzen bestehen aus Hochgeschwindigkeitsstahl SKH4A (Japanische Industrienorm) und weisen eine Härte von HRC 64,5 auf. Eine Vakuumkammer 4 wird über eine Leitung 5 mittels einer Vakuumpumpe 6 evakuiert, bis ein Druck von 7 x 10 3 Pa erreicht ist. Die Welle 1 wird von einer Rotationseinrichtung 7 angetrieben, wobei die Spitzen 2 mittels einer Heizung 7, die an ein Stromnetz 8 angeschlossen ist, auf etwa 4000C erhitzt wird, wobei das Gas, das zum Sputter-Reinigen eingesetzt wird, in die kammer 4 über eine Leitung zur Gaszufuhr beim Sputterreinigen 10 zugeführt wird, bis der Druck 15 Pa beträgt.
Das Gas, das als Atmosphäre zum Sputter-Reinigen verwendet wird, umfaBt 100%gen Wasserstoff (Bedingung I), 80 % Wasserstoff und 20 % Argon (Bedingung II), 50 % Wasserstoff und 50 % Argon (Bedingung III), 30 % Wasserstoff und 70 % Argon (Bedingung IV), 20 % Wasserstoff und 80 % Argon (Bedingung V), 10 % Wasserstoff und 90 % Argon (Bedingung VI) und 100 °Õ Argon -(Bedingung VII). Das Sputter-Reinigen der Oberfläche dieser Spitzen wurde mittels Glühentladung durchgeführt, die durch Anliegen einer Spannung von - 1 kV an diese Spitzen mittels einer Stromversorgungseinrichtung für die Substrate 11 zwanzig Minuten lang durchgeführt wurde. Das atmosphärische Gas, das beim Sputter-Reinigen verwendet wurde, wurde dann entfernt, bis ein Druck von 7 x 10 3 Pa erreicht war, wobei Titan 15, das in einem wassergekühlten Schmelztiegel 14 enthalten ist, geschmolzen und mittels Elektronenstrahlen 13 von einer Elektonenkanone 12 verdampft wurde. Die Entladung aufgrund des Titandampfes erfolgte zwischen dem Titan 15 und einer Ionisierungselektrode 17 durch Anlegen einer Spannung von + 50 V an die Ionisierungselektrode 17 mittels einer Ionisierungsstromversorgungseinrichtung 16. Eine Blende 19 wurde geöffnet, nachdem Acetylen in die Vakuumkammer 4 über eine Reaktionsgasleitung 18 zugegeben worden war, bis der Druck 4,5 x 10 Pa betrug, wobei Titancarbid auf der Oberfläche der Spitzen 2 durch die Reaktion des Acetylen mit dem Titan innerhalb von 60 Minuten abge- schieden wurde. Die auf der Oberfläche der Spitzen 2-, gebildete Titancarbidschicht wies eine Dicke von 3 - 3,5 Mikron auf. Die unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen I - VII im Vakuum beschichteten Spitzen wurden mittels Eindrücken getestet. Auf die Spitzen für den Eindrücktest wurde, wie in Figur 4 dargestellt, ein Druck ausgeübt, um Eindrücke an 9 Stellen zwischen A bis I zu ergeben, wie in Figur 5 gezeigt, wobei eine Belastung von 90 kg mittels eines Rockwell-Härtetestgeräts zur Anwendung kam. Es wurde untersucht, ob sich die Titancarbidschicht an der Peripherie dieser Eindrücke löste oder nicht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 wiedergegeben. Ein Kreis 0 zeigt, daß sich die Schicht aus Titancarbid nicht abgelöst hat, während x zeigt, daß sich die Schicht aus Titancarbid abgelöst hat. Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Haftung der Titancarbidschicht, die ungleichmäßig war, wenn 100%iges Argon verwendet wurde, sich zu bessern begann, wenn 20 % Wasserstoff plus 80 % Argon eingesetzt wurden und vollständig gleichmäßig war, wenn 50 % Wasserstoff und 50 % Argon zum Einsatz kamen.
Diese Ergebnisse belegen den durch die Erfindung erzielten Effekt.

Tabelle 1

Zusammensetzung

Bedingung des Gasgemischs Teststellen

Wasserstoff Argon A B C D E D E F G H I

I 100 0 o o o o o o o o o

II 80 20 o o o o o o o o o

III 50 50 o o x o o o x o o

IV 30 70 0 o X o o x x x o

V 20 80 0 o X o 0 x x x x

VI 10 90 o x x x o x x x x

VII 0 100 o x x x x x x x x

Beispiel 2 Es wurden Spitzen 2 aus SintercarbidP30 (72 z WC - 8 g TiC - 11 % TaC - 9 % Co) oder Cermet (40 % TiC - 15 % TiN -10 % TaN - 10 % Mo2C - 10 % WC - 10 % Co - 5 % Ni) hergestellt. Es wurde eine Erwärmungstemperatur von etwa 6000 C, ein Druck des atmosphärischen Gases zum Sputter-Reinigen von 20 Pa sowie Zusammensetzungen des atmosphärischen Gases beim Sputter-Reinigen nach den Bedingungen I bis VII entsprechend dem Beispiel 1 gewählt.

Das Sputter-Reinigen der Oberfläche der Spitzen 2 erfolgte durch Glühentladung, die durch Anlegen einer Spannung von - 1,5 kV an die Substrate 2 innerhalb von 20 Minuten durchgeführt wurde.
Das atmosphärische Gas, das zum Sputter-Reinigen verwendet wurde, wurde dann entfernt, bis der Druck 7 x 10 3 Pa betrug, wobci das Titan 15, das in dem mit Wasser gekühlten Schmelztiegel 14 enthalten war, geschmolzen und mittels Elektronenstrahlen 13 von der Elektronenkanone 12 verdampft wurde. Die Entladung durch den Titandampf erfolgte zwischen dem Titan 15 und einer Ionisierungselektrode 17, indem eine Spannung von + 70 V an die Ionisierungselektrode 17 mittels einer Ionisierungsstromversorgung angelegt wurde.
Die Blende 19 wurde geöffnet, nachdem ein Gasgemisch, das aus Acetylen, Stickstoff und Sauerstoff im Verhältnis 3 : 6 : 1 bestand in die Vakuumkammer 4 über die Reaktionsgasleitung 18 zugegeben wurde, bis der Druck 4 x 10 2 Pa betrug, wobei Titanoxicarbonitrid, d. h. Ti (C0128N0,54O0,18), auf der Oberfläche der Spitzen 2 durch die Reaktion des AcetylensgStickstoffsund Sauerstoffs mit dem Titan innerhalb von 90 Minuten abgeschieden wurde. Es wurde eine Titanoxicarbonitridschicht mit einer Dicke von 4,8 bis 5,3 ßm auf der Oberfläche der Spitzen 2 gebildet.
Die Spitzen wurden zum Eindrücktest gemäß Figur 4 belastet, um Eindrückungnan 9 Stellen A bis I zu bilden, wie in Figur 5 dargestellt, und zwar mit einer Belastung von,60 kg mittels eines Rockwell-Härtetestgeräts. Es wurde untersucht, ob die Titanoxicarbonitridschicht sich an der Peripherie dieser Eindrücke löste oder nicht. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt, wobei ein Kreis 0 und x die gleicheBedeutung wie in Tabelle 1 besitzen.
Die Tabelle 2 gibt die Ergebnisse der Spitzen wieder, die aus Sintercarbidhergestellt sind, und Tabelle 3 die Ergebnisse der Spitzen, die aus Cermet bestehen.

Tabelle 2

Zusammensetzung

Bedingung des Gasgemischs Teststellen

Wasserstoff Argon A B C D E F G H I

I 100 0 o o o o o o o o o

II 80 20 o o o o o o o o o

III 50 50 o o o o o o o o o

IV 30 70 o o x o o o x o o

V 20 80 o o x o o x x x o

VI 10 90 o o x o o x x x x

VII 0 100 o o x o o x x x x

Tabelle 3

Zusammensetzung

yung Teststellen

des Gasgemischs

Wasserstoff Argon A B C D E F G H I

I 100 0 o o o o o o o o o

II 80 20 o o x o o o x o o

III 50 50 o o x o o o x o o

IV 30 70 o o x o o o x x o 0

V 1 20 80 o o x o o x x x o

VI 10 90 o x x x x x x x x

VII 10 100 o x x x x x x x x

Den Tabellen 2 und 3 ist zu entnehmen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Substraten wirksam ist, die aus Materialien, wie Sintercarbidund Cermet, bestehen.

In gleicher Weise wurden Schichten aus Aluminiumoxid und Schichten aus Zirkonoxid getestet. Es wurden fast die gleichen Ergebnisse erhalten, wie sie in den Tabellen 1 bis 3 dargestellt sind. Dadurch wird der durch die Erfindung erzielte Effekt für Schichten aus Aluminiumoxid und Schichten aus Zirkonoxid belegt.

Claims

Verfahren zum Bedampfen einer Oberfläche Patentansprüche ½ Verfahren zum physikalischen Bedampfen, bei dem eine feste Lösung, die aus einer oder zwei Verbindungen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, die aus den Carbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen der Gruppe IVa, Va und VIa des Periodensystems und/oder Aluminiumoxid und Zirkonoxid besteht, in Form einer einzigen oder mehrerer Schichten auf die Oberfläche von Schneidwerkzeugen, verschleißfesten Teilen oder Ornamenten aufgetragen wird, um die Verschleißfestigkeit, die Temperaturbeständigkeit, den Korrosionswiderstand, das Aussehen und dergleichen der Werkzeuge, Teile bzw. Ornamente zu verbessern, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche der Werkzeuge und dergleichen vorher einer Sputter-Reinigung in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem Gasgemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas, wobei der Gehalt des ersteren mindestens 20 Volumen %.beträgt, unterworfen wird, um die Haftung der Auftragsschicht, die aus den besagten Verbindungen besteht, an dem Werkzeug und dergl.

zu erhöhen und gleichmäßig zu machen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Substrate Zahnradfräswerkzeuge oder Profilfräser, wie Abwälzfräser, Stoßmesser und dergleichen für Hochgeschwindigkeitsstahl sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate Schneidwerkzeuge aus Siliciumcarbid oder Cermet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragsschicht aus Titancarbid, -nitrid und-crbonnitrid oder aus einer festen Lösung derselben vom B-1-Typ, die Sauerstoff enthält, oder aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedampfen durch reaktive Ionenplattierung erfolgt.