DE3513014A1 - Verfahren zur behandlung der oberflaeche eines werkstueckes - Google Patents

Description

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VERFAHREN ZUR BEHANDLUNG DER OBERFLAECHE VON WERKSTUECKEN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken, insbesondere auf eine Oberflächenbehandlung, bei welcher metallurgische Beschichtungen, Oberflächenlegierungen, eine Oberflächen-Wärmebehandlung oder eine Material-abtragende Behandlung der Oberfläche eines Werkstückes durch Strahlzerstäubung erzielt werden bzw. wird.

Ein bekanntes Verfahren zur Aufbringung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Werkstück wird mit Hilfe eines im Vakuum erzeugten Lichtbogens durchgeführt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine elektrische Entladung zwischen zwei sich in einem Vakuum befindenden, leitfähigen Elektroden eingeleitet. Die Leitung des elektrischen Stromes erfolgt dabei mit Hilfe eines Plasmas, welches in erster Linie aus ionisierten und neutralen Teilchen des Elektrodenmaterials besteht; diese Teilchen werden durch die Wirkung des Lichtbogens an der Oberfläche der Elektroden erzeugt. Die bisher bekannten Verfahren beruhen im allgemeinen auf der Anwendung von Gleichstrom mit relativ nied-

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riger Amplitude, normalerweise zwischen 1 und 300 A, wobei das Werkstück bzw. das Substrat relativ weit von der Quelle bzw. der Kathode entfernt ist, um eine möglichst gleichmässige Beschichtung zu erreichen. Eine solche Anordnung ergibt aber nur einen niedrigen Abscheidungsgrad, und deshalb ist die Behandlungsdauer im allgemeinen ziemlich lang, typischerweise Minuten oder Stunden, um eine Beschichtung spürbarer Dicke zu erzeugen, d.h. eine Dicke von mindestens einigen wenigen Mikrons. Unter diesen Umständen ist die Erwärmung des Werkstückes begrenzt und die thermische Diffusionslänge ist üblicherweise gross im Vergleich mit der Abmessung des Werkstückes. Die überschüssige Wärme wird normalerweise über die Werkstückhalterung durch Konduktion abgeführt, wobei gegebenenfalls eine Flüssigkeitskühlung innerhalb der Werkstückhalterung vorgesehen werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken vorzuschlagen, welches Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren, insbesondere gegenüber dem Verfahren zur Beschichtung im Vakuum mittels eines Lichtbogens, bietet.

Dies wird gemäss der Erfindung im allgemeinsten Sinn dadurch erreicht, dass ein oder mehrere, kurzzeitige elektrische Impulse erzeugt werden, wobei bei jedem Impuls eine kurzzeitige, elektrische Entladung mit hoher Amplitude zwischen dem Werk-

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stück, welches als Anode dient, und einem anderen Material, welches als Kathode dient, stattfindet, währenddem das Werkstück und die Kathode im Vakuum sind.

Vorzugsweise sind das Werkstück und die Kathode im Abstand zueinander angeordnet und durch einen Spalt voneinander getrennt, dessen Breite geringer ist als die kleinste Dimension der Kathode, gemessen in der Ebene durch die Kathode und parallel zum Werkstück.

Daraus ist ersichtlich, und wird durch die nachfolgende Beschreibung noch erhärtet werden, dass das neue, vorgeschlagene Verfahren der vorliegenden Erfindung gegenüber den konventionellen Ablagerungsverfahren mit einem Vakuumlichtbogen eine Anzahl von Vorteilen wie folgt bietet:

1. Während die bekannten Verfahren im allgemeinen mit Gleichstrom niedriger Amplitude arbeiten, verwendet das neue Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung Impulse mit hoher Amplitude und kurzer Dauer. Vorzugsweise beträgt die Länge eines einzelnen Impulses, gemessen über eine volle Wellenlänge bei halber Amplitude (HAFW) etwa 0.5 - 100 ms. Bei der elektrischen Entladung entstehen dabei Stromdichten von mindestens 3 χ 10 A pro m , mit einer Stromstärke z.B. im Bereich von 500 - 2000 A mit den üblicherweise verwen-

* ⁸ " J- I"L^:-ν-*-CO

deten Kathoden.

2. Währenddem die konventionellen, im Vakuum durchgeführten Verfahren eine geometrische Anordnung verwenden, in welcher das Substrat relativ weit von der Quelle entfernt ist, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass das Substrat oder Werkstück vorzugsweise relativ nah zur Quelle bzw. zur Kathode angeordnet ist, beispielsweise, dass der Zwischenraum zwischen Anode und Kathode weniger beträgt als die kleinste Dimension der Kathode. Als Beispiel kann angeführt werden, dass bei Verwendung einer Kathode von mindestens 10 mm Durchmesser der Spalt weniger als 8 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm beträgt.

3. Als Folge der kurzen Dauer des Lichtbogen-Impulses kommt hinzu, dass die gesamte Energie, die zum Werkstück übertragen wird, relativ niedrig gehalten werden kann, und dass die thermische Diffusionslänge bedeutend kleiner gemacht werden kann als die Dicke des Werkstückes.

Im folgenden wird eine Anzahl von Ausführungsbeispielen einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise erläutert. Bei einigen der beschriebenen Ausführungsbeispiele dient das Material der Kathode gleichzeitig als Oberflächenbeschichtungsraaterial für das Werkstück, wobei die Oberfläche des

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Werkstückes durch die elektrische Entladung über den Schmelzpunkt des Kathodenmaterials, aber nicht bis zum Schmelzpunkt des Materials des Werkstückes erhitzt wird. Bei anderen, nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Material der Kathode als Oberflächenbeschichtung des Werkstückes angewandt, wobei die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung soweit erhitzt wird, dass eine Verschmelzung und damit eine Adhäsion zwischen dem Werkstück und dem Kathodenmaterial erreicht wird. In einem weiteren, nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Material der Kathode als Oberflächenbeschichtung des Werkstückes verwendet, wobei die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung über den Schmelzpunkt sowohl des Kathodenmaterials als auch des Werkstückmaterials erhitzt wird; dabei ergibt sich eine Oberflächenlegierung zwischen den beiden Materialien auf der Oberfläche des Werkstückes. In einem weiteren, nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung über die Festphasen-Transformationstemperatur erwärmt und anschliessend einer raschen Abkühlung unterzogen, dies durch natürliche Wärmekonduktion in das Innere des Werkstückmaterials, wobei die Bereiche nahe der Oberfläche des Werkstückes abgeschreckt werden, um eine metastabile kristalline Struktur zu erzeugen.

Weil die kurze Dauer der Lichbogenentladung erlaubt, dass die

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thermale Diffusionslänge bedeutend weniger beträgt als die Dicke des Werkstückes, kann erreicht werden, dass die Phasentransformation auf einen Bereich beschränkt werden kann, der in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes liegt, währenddem die gesamte Temperaturerhöhung des Hauptteiles des Werkstückes vergleichsweise gering bleibt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise erläutert, und zwar unter Bezugnahme auf eine Anzahl von beispielshaften Vorrichtungen, die in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgeraässen Verfahrens, bei welcher eine kombinierte, kathodische und Gasplasma-Entladung bei hohen Strömen erfolgt;

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Fig. 4a eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung von Plasmaströmen, die von zwei (oder mehr) Kathoden ausgehen und die gegen die Oberfläche des Werkstückes gerichtet sind, z.B. zur Erzeugung einer Legierungsschicht oder einer gekörnten Schicht auf dem Werkstück;

Figs. 4b/c Kurvendiagramme des Stromes, der den beiden Kathoden zugeführt wird;

Fig. 4d die resultierenden Ablagerungen;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer Schicht, die aus einer Mehrzahl von Materialkomponenten auf einem Substrat besteht;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein magnetisches Feld zur Steuerung des Plasmastromes verwendet wird;

Figs. 7, 7a eine Stirnansicht, bzw. einen Schnitt einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens, insbesondere für die Behandlung von lang-

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gestreckten, zylindrischen Werkstücken, und

Fig. 8-10 eine Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäs· sen Verfahrens für die Beschichtung der inneren Oberfläche von hohlen, langgestreckten Körpern.

ABLAUF DES VERFAHRENS (Fig. 1)

Bevor die einzelnen Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der Fig. 2-7 näher erläutert werden, soll der prinzipielle Verfahrensablauf anhand der aus Fig. 1 ersichtlichen schematischen Darstellung erklärt werden, damit das Verfahren gemäss der Erfindung und die damit zu erzielenden Vorteile besser verständlich werden.

Wie aus der schematischen Darstellung in Fig. 1 ersichtlich ist, ist eine Anode und eine im Abstand dazu angeordnete Kathode vorhanden, zwischen welchen ein Vakuum herrscht. Im Raum zwischen Anode und Kathode ist ein Lichtbogen vorhanden, mit einem Strom von ca. 1 kA. Das leitende Medium zwischen Kathode und Anode ist ein Plasma, das durch eine Vielzahl von winzigen Regionen erzeugt wird, welche als sogenannte Kathodenflecken bekannt sind, die sich auf oder in der Nähe der Kathodenoberfläche befinden. Die Anzahl der vorhandenen Kathodenflecken ist

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proportional zum Strom, wobei die Proportionalität in Abhängigkeit des Kathodenmaterials konstant ist. Materialien mit einem hohen Dampfdruck tendieren dazu, relativ wenig Strom pro Kathodenfleck zu ziehen (z.B. 10 - 20 A im Fall von Cd), während schwerer schmelzbare Materialien sich durch höhere Ströme pro Kathodenfleck auszeichnen (z.B. 150 - 200 A bei Mo). Jeder Kathodenfleck emittiert einen Plasmastrahl, der generell in einer Richtung von der Kathodenoberfläche weg verläuft. Im allgemeinen ist der Plasmastrahl stark ionisiert und fliesst mit hoher Geschwindigkeit. Die Parameter, welche den Plasmastrahl charakterisieren, hängen vom Material ab. Im Falle von Kupfer ist der von den Kathodenflecken ausgehende Plasmastrahl in einen Vakuumlichtbogen durch eine praktisch vollständig ionisierte Form gekennzeichnet, und zwar wie folgt:

Der durchschnittliche Ionisierungsgrad der Ionen beträgt 1.85, und die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ionen beträgt 10 m/s. Der Ionenstrom, der sich von der Kathode wegbewegt, beträgt ungefähr 8 % des gesamten Kathodenfleckenstromes.

In einer gewissen Distanz von der Kathodenoberfläche, abhängig von der Dichte der Kathodenflecken, fliessen die einzelnen Ströme zusammen und bilden einen quasi uniformen Plasraastrombereich, mit einer generellen Flussrichtung von der Kathode weg. Im einfachsten Fall, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, bei

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welchem die Anode des Lichtbogens in der Nähe der Kathode angeordnet ist, schneidet diese den Plasmastrom; je nach Kombination der Materialien wird ein gewisser Anteil des Plasmas auf der Anodenoberfläche kondensieren, so dass die Anode in diesem Fall als das Substrat für die aufzubringende Schicht dient. Bei gewissen Materialkorabinationen tritt der Effekt auf, dass die energiereichen Ionen, die das Substrat bombardieren, den Ausstoss von neutralen Atomen aus der Substratoberfläche bewirken, ein Phänomen, welches als "Kathodenzerstäubung" bekannt ist. Falls der Grad dieser Kathodenzerstäubung allzu gross ist, wird sich keine Deckschicht ausbilden; daher kann dieses Phänomen zur Aetzung der Oberfläche des Substrates verwendet werden.

Der Ionenstrom zur Anode, d.h. zur Substratoberfläche, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

G. = f I / (e Z A) (1)

Dabei bedeuten "G." der Ionenfluss (Anzahl der Ionen) pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit, f ist der Ionenstromanteil (im allgemeinen ungefähr = 0,1), I ist der Strom des Lichtbogens, e ist die Ladung pro Elektron, Z ist die durchschnittliche Ionisierung der Plasmaionen und A ist der Querschnitt der Fläche, auf welcher die Entladung stattfindet. Im Fall, wo der zwischen den Elektroden befindliche Spalt klein ist, verglichen

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mit den Abmessungen der Kathode, kann A mit der Fläche der Kathode gleichgesetzt werden. Falls alle Ionen auf dem Substrat kondensieren und eine Beschichtung bilden, kann der Beschichtungsgrad durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

V_c =

_c = G₁ Bi₁/p = f I In₁ / (e Z A p) (2)

Dabei bedeutet "p" die Dichte des Beschichtungsmaterials und ^Mm." die ionische Masse. In einem numerischen Beispiel beträgt der Beschichtungsgrad, der bei einem IkA Cu Lichtbogen (f = 0.08, Z = 1.85) aus einer nahe bei der Anode angeordneten Kathode mit einem Durchmesser von 12 mm resultiert, ungefähr Mikron pro Sekunde. Die Gesamtdicke der Beschichtung 1 kann durch Integration der Gleichung (2) erhalten werden:

c Ct) dt

wobei T die Zeitdauer des Auftretens des Lichtbogens ist.

Gleichzeitig mit einem Materialfluss existiert ein Energiefluss auf die Oberfläche des Substrates. Der wesentliche Mechanismus dieses Energietransportes ist die Energie, die durch die Elektronen und die Ionen transportiert wird. Ein kleinerer Anteil der Energieübertragung kann infolge von Plasmastrahlung und infolge eines Flusses von Makropartikeln auftreten. Dieser Ener-

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giefluss, der auf die Oberfläche des Substrates auftrifft, heizt dieses auf. Der Zufluss an Energie wird in erster Linie durch Wärmeleitung in das Innere des Substrates bei niedrigen Temperaturen im Gleichgewicht gehalten. Wenn die Oberfläche in beträchtlicher Weise aufgeheizt worden ist, kann eine Kühlung durch Verdampfung ebenfalls auftreten. Eine zusätzliche Kühlung durch Abstrahlung und Aussendung von sekundären Partikeln ist ebenfalls beobachtet worden. Beim einfachen geometrischen Aufbau, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wobei das Substrat als Anode des Lichtbogens dient, und unter der Voraussetzung, dass der Lichtbogen gleichförmig ist, kann der Energiefluss zur Anodenoberfläche durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

S = IV / A (3)

Hierin bedeutet V das anodische Energieflusspotential, welches durch folgende Formel veranschaulicht werden kann:

V_e = (l+f)(2kT_e/e+V_w) = f£fi (miv?/2e - iV_a + V₁ - iV_w+V_v)

i * (4)

In dieser Formel ist T die Temperatur der Elektronen im Plasma, V ist die anodische Arbeitsfunktion, V ist das Anodenschichtpotential (welches im allgemeinen negativ ist, wenn ein gleichmässiger Vakuumlichtbogen vorliegt und in der

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Grössenordnung von wenigen Elektronenvolt liegt), V. ist die Energie, welche benötigt wird, um das Atom zum i-ten Grad der Ionisation zu ionisieren, V ist die Verdampfungsenergie, und f. ist der Bruchteil der Ionen, die zum i-ten Grad der Ionisation ionisiert worden sind. Der erste Ausdruck in der Gleichung (5) stellt die elektronische Komponente des Energieflusses dar, während der zweite Ausdruck die ionische Komponente darstellt. Wenn die Dicke des Substrates im Vergleich zur thermischen Diffusionszeit gross ist, kann die Anodenoberflächentemperatur durch die Auflösung der Wärmeflussgleichung für halbbestimmte Feststoffe abgeschätzt werden:

+ Jo [S_t(Z)/\/

TaCt) = T₃ (0) + Jo [S_t(Z)/V t - Z dZ (5)

, V

Ji

Hierin bedeuten T (t) die momentane Oberflächenteraperatur der Anode, T (0) die anfängliche Oberflächentemperatur der Anode,

el

K_TI die Joule-Konstante (4.12 Joule/cal), S Ct) der momen-

«J U

tane gesamte Nettowärmefluss an der Oberfläche; letzerer entspricht dem Wert von S(t) in Gleichung (3), mit Korrekturen für die Abkühlung durch Verdampfung, Abstrahlung, Kathodenfleckenbildung usw.. Allerdings sind diese zuletzt genannten Effekte im allgemeinen während der Anfangsphase des Lichtbogens zu vernachlässigen, wenn die Ausgangstemperatur im Bereich der Raumtemperatur liegt. Die Gleichung (5) gilt nur ungefähr, da die

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Ohmsche Aufheizung im Inneren des Substrates, Phasenänderungen im Substrat und die Anhäufung von Material auf der Oberfläche während des Beschichtungsprozesses nicht in Betracht gezogen werden. Allerdings scheinen diese Effekte nur von sekundärer Wichtigkeit zu sein. Wesentlich ist, dass die Gleichung (5) die momentane Oberflächentemperatur der Anode sowohl während eines Lichtbogenimpulses wie auch danach angibt. Eine nähere Betrachtung der Gleichung und auch numerische Beispiele zeigen, dass:

1. ein Maximalwert der Oberflächentemperatur der Anode nach einem Stromspitzenwert auftritt und

2. dass die charakteristische Abkühlzeit der Anodenoberfläche proportional zur Aufheizzeit ist.

Die zweite Schlussfolgerung führt zum wichtigen Resultat, dass die Abschreckzeit, welche oft kurz gehalten werden muss, um eine Umwandlung in metastabile kristalline Strukturen zu ermöglichen, dadurch verringert werden kann, dass die Anode mit einem kurzen Lichtbogenimpuls aufgeheizt wird.

In vorausbestimmbarer Weise können verschiedene Arten von Oberflächenstrukturen erzeugt werden, abhängig von den Verfahrens-Parametern (Amplitude des Stromimpulses, Wellenform, Dauer des

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Stromimpulses, Geometrie der Anordnung und verwendete Materialien). Wenn die Oberflächentemperatur unterhalb der Rekristallisations-Temperatur bleibt (sowohl beim Substrat als auch beim Beschichtungsmaterial), kann eine Kondensation aus dem Plasmazustand heraus erfolgen und eine quasi-amorphe Struktur (d.h. mit sehr kleinen Kristallen in der Grössenordnung von 20 - 50 Angström) kann erzeugt werden. Wenn die Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur liegt, können Strukturen mit grösseren Kristallen hergestellt werden. Wenn die Temperatur genügend hoch ist, so dass eine Materialdiffusion beim verwendeten Material zu beobachten ist, kann eine Zwischendiffusions-Schicht zwischen der Beschichtung und dem Substrat erzeugt werden, welche entweder die Adhäsion begünstigt, indem eine gute metallische Verbindung erzeugt wird, oder aber die Haftung wird beeinträchtigt, wenn eine brüchige, intermetallische Zwischenschicht ausgebildet wird. Durch die Massnahme, die Temperatur die Transformations-Temperatur der festen Phase überschreiten zu lassen, und durch ein nachfolgendes rasches Abkühlen, kann erreicht werden, dass metastabile Strukturen erzeugt werden, wie z.B. Martensit in Stählen.

Zur Erzeugung von Oberflächenlegierungen kann wie folgt vorgegangen werden: Die Oberflächentemperatur wird soweit erhöht, bis sie die Schmelztemperatur entweder des Substrates oder des Beschichtungsmaterials überschreitet (dabei ist eine möglicher-

weise auftretende Aenderung des Schmelzpunktes infolge des Kontaktes mit dem anderen Material im Auge zu behalten), so dass ein Schmelzen und ein gegenseitiges IneinanderfHessen der beiden Materialien erfolgt. In jedem Fall aber kann das Vorgehen gemäss der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, Strukturen zu verändern, und zwar infolge des Aufbringens von Makropartikeln, die auf dem Substrat auftreffen.

An dieser Stelle muss betont werden, dass die vorstehenden Erläuterungen der Verfahrensmechanismen notwendigerweise kurz gehalten werden mussten und sich insbesondere auf die einfache Geometrie des in Fig. 1 gezeigten Modells beziehen; weiter ist vorausgesetzt, dass ein gleichförmiger Lichtbogen vorhanden ist. Sobald von den idealen, vorstehend diskutierten Bedingungen abgewichen wird, sind natürlich zahlreiche Aenderungen erforderlich. Wenn z.B. eine ringförmige Anode und ein separates, elektrisch isoliertes Substrat verwendet wird, wird sich der Elektronenfluss zum Substrat hin auf einen Wert verringern, der etwa dem Ionenfluss entspricht, und eine geringere Aufheizung wird resultieren. Mit der geometrisch einfachen Anordnung gemäss Fig. 1 ist bei höheren Strömen und einem grossen Elektrodenspalt eine Tendenz zu beobachten, dass sich der Lichtbogen in der Nähe der Anode konzentriert, was evtl. zur Ausbildung von Anodenflecken führen kann. Natürlich können so verstärkter Materialfluss und/oder Wärmefluss begünstigt werden. Allerdings

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kann diesem Phänomen dadurch vorgebeugt werden, dass ein axiales magnetisches Feld überlagert wird, welches eine Grosse hat, die in etwa dem eigenen magnetischen Feld des Lichtbogens entspricht.

Die vorstehenden Erläuterungen beziehen sich insbesondere auf einen Lichtbogen, der in einem idealen Vakuum brennt, d.h. auf einen solchen, bei welchem der Einfluss irgendwelcher sonstiger vorhandener Gase vernachlässigbar gering ist. Im Fall eines Lichtbogens in einer Niederdruck-Atmosphäre sind aber auch Kathodenfleckenstrahlen vorhanden, so dass die gleichen Ueberlegungen in modifizierter Form auch dann gelten, wenn ein solches Gas vorhanden ist, welches die Bildung einer Legierung begünstigt, wie es im folgenden noch insbesondere im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 beschrieben werden wird.

In den Beispielen, die im folgenden noch näher beschrieben werden, sind Spitzenströme im Bereich von 0,5 - 2,0 kA verwendet worden und zwar mit Kathoden, die einen Durchmesser von 12 - 14 mm besitzen. Diese Tatsache kann zutreffender dadurch erläutert werden, dass eine Stromdichte im Bereich von 3 χ 10 - 2 χ

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10 A pro m erzeugt wurde. Es wird davon ausgegangen, dass bei geeigneter Auswahl der Geometrie der Anordnung und des magnetischen Feldes (um eine Konzentration des Lichtbogens in der

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Nähe der Anode zu vermeiden), wesentlich höhere Ströme erreicht werden können, z.B. in der Grössenordnung von 200 kA, wobei trotzdem die gleichen prinzipiellen Wirkungen beibehalten werden, unter der Voraussetzung, dass die Stromdichte den vorstehend erwähnten Bereich nicht wesentlich überschreitet. In den von der Anmelderin durchgeführten Versuchen wurden Pulse mit einer Zeitdauer im Bereich von 0,65 - 75 ms (HAFW) angewandt; allerdings wird davon ausgegangen, dass dieser Bereich prinzipiell in beiden Richtungen über- bzw. unterschritten werden kann.

In Richtung auf kürzere Impulsdauer hin wird die am meisten ins Auge springende Grenze die Zeit sein, die benötigt wird, bis sich die Kathodenflecken über die Oberfläche der Kathode ausgebreitet haben. In manchen Anwendungen aber, wo eine konzentrierte Beschichtung oder Aufheizung erforderlich ist, stellt auch diese Tatsache keine Grenze dar. In allen Fällen, wo eine gleichmässige Verteilung der Kathodenflächen erforderlich ist, muss die Brenndauer des Lichtbogens grosser sein als D/(2v ) wobei D den Kathodendurchmesser und ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kathodenflecken bedeutet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zusätzliche Mittel vorzusehen, die verschiedene Kathodenflecken an verschiedenen Orten auf der Kathodenoberfläche erzeugen. Im Falle von Kupfer beträgt der Wert von ν typischerweise etwa 100 m/s. Als Beispiel kann ange-

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geben werden, dass die Brenndauer des Lichtbogens grosser als 60 Mikrosekunden sein muss, um eine einigermassen gleichförmige Verteilung der Kathodenflächen auf einer Kathode aus Kupfer mit einem Durchmesser von 12 mm zu erreichen.

Die grundsätzliche, untere Grenze für die Brenndauer des Lichtbogens stellt diejenige Zeit dar, die benötigt wird, den Lichtbogen im Vakuum zu zünden. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass fremdgezündete Lichtbogen eine Zeit in der Grössenordung von 200 ns benötigen, um sich auszubilden, während vorgespannte Spalte im Vakuum in Zeiten in der Grössenordnung von 20 ns gezündet werden können. In all diesen Fällen muss aber berücksichtigt werden, dass die Menge des übertragenen Materials wie auch die Menge der Wärme, die dem Substrat zugeführt wird, von der Brenndauer des Lichtbogens abhängt. Es ist deshalb unwahrscheinlich, dass extrem kurz dauernde Lichtbogen-Impulse für die Beschichtung und die Oberflächenbehandlung irgendeine vernünftige Anwendung finden werden, ausgenommen vielleicht in ganz speziellen Anwendungsbereichen.

Eine grundsätzliche obere Grenze für die Brenndauer des Lichtbogens scheint nicht zu existieren. Allerdings muss beachtet werden, dass die Oberfläche des Substrates nicht unbegrenzt aufgeheizt werden darf. Deshalb soll die Brenndauer des Lichtbogens ungefähr entsprechend der thermischen Diffusionszeit ge-

wählt werden, welche sich durch folgende Gleichung ausdrücken lässt:

(6)

wobei ρ die Dichte des Substrates, c die Wärmekapazität, 1 die erwünschte thermische Eindringdistanz und k die thermische Leitfähigkeit bedeuten. Wenn die Dauer des Impulses so gross ist, dass die thermische Diffusionslänge die Dicke des Substrates erreicht, kann die Wärme vom Substrat durch die thermische Leitfähigkeit über den Träger entfernt werden und der Wärmefluss nähert sich einem Gleichgewichtzustand. Bei einer solche Brenndauer des Lichtbogens, der natürlich von den thermischen Eigenschaften des Substrates und dessen Dicke abhängt, nähert sich der hier diskutierte Verfahrensablauf demjenigen, welcher bei einer kontinuierlichen Verfahrensweise im Vakuum zu beobachten ist. Als Beispiel kann angegeben werden, dass sich bei einem 1 cm dicken Nickel-Substrat ein thermischer Gleichgewichtszustand nach ungefähr 4 Sekunden einstellt.

BEVORZUGTE AUSFUEHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNGSGEMAESSEN EINRICHTUNG

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungs-

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beispiels der Einrichtung dargestellt, die zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden kann; diese Ausführung der Einrichtung wurde bei den meisten nachstehend noch zu diskutierenden Beispielen verwendet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besitzt die Einrichtung eine Lichtbogenkammer 10, die z.B. aus rostfreiem Stahl besteht, die einen Durchmesser von 160 mm besitzt und die mit Oeffnungen 12 und 14 versehen ist. Letzere dienen dazu, einen Zugriff zum Inneren der Kammer zu schaffen und das Innere der Kammer visuell zu beobachten. Die Kammer 10 wird über eine Leitung 16 evakuiert; die Leitung 16 ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen, z.B. eine Oeldiffusionspumpe, die von einer mechanischen Rotationspumpe unterstützt wird. Das Vakuum, das während der meisten nachstehend noch zu beschreibenden Versuche in der Kammer 10 erzeugt worden ist, liegt im Bereich von 4 χ 10 - 2 χ ΙΟ"⁵ Torr.

Im Inneren der Kammer 10 ist eine Aufnahme 20 für das Werkstück bzw. Substrat 22, welches als Anode dient, sowie eine weitere Aufnahme 24 für die Plasmaquelle bzw. Kathode 26 angeordnet. Im dargestellten Beispiel besitzt die Kathode 26 ringförmige Gestalt und ist von der durch das Werkstück gebildeten Anode 22 durch einen Spalt 28 getrennt, welcher eine kleinere Abmessung besitzt als die kleinste Abmessung der Kathode 26, und zwar in

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einer parallel zum Werkstück 22 verlaufenen Ebene. In einem praktischen Beispiel, wie es auch für die nachfolgend zu beschreibenden Versuche angewendet worden ist, hat die Kathode einen äusseren Durchmesser von 10 mm, und der Spalt 28 besitzt eine Breite von weniger als 8 mm, in einigen Fällen eine Breite von 1 mm und in anderen Fällen eine Breite von 4 mm.

Die Kathode 26 ist mit der gemeinsamen Masse verbunden und die Anode 22 ist über die Aufnahme 20 mit einer Stromquelle verbunden, die einen hohen Strom zu liefern imstande ist. Die Stromquelle umfasst einen Kondensator-Block 30, der über eine Induktivität L und über einen Widerstand R mit dem Werkstück verbunden ist. Im allgemeinen wurden Kodensatoren mit einer Gesamtkapazität von 48 - 384 mF verwendet, bei einer Ladespannung im Bereich von 50 - 250 Volt. Zur Aufbereitung des elektrischen Stromimpulses wurde ein Widerstand R mit einem Wert von ca. mOhm und eine Induktivität L von bis zu 2 mH verwendet.

Die Einrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, umfasst ferner eine konische Zündelektrode 32, die in einem Loch von 2 mm Durchmesser im Zentrum der ringförmigen Kathode 26 angeordnet ist und von dieser mittels eines Isolators 34 isoliert ist. Die Zündelektrode 32 wird durch eine Zündschaltung 36 gezündet. Das Anlegen einer hohen Spannung an die Zündelektrode 32 bewirkt, dass an der Oberfläche des Isolators 34 (z.B. Glas) ein elek-

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trischer Ueberschlag auftritt, so dass ein Kathodenfleck auf der Oberfläche der Kathode erzeugt wird. Der nachfolgende Stromfluss in der Zündschaltung erzeugt ein Plasma, welches den Spalt 28 zwischen den Elektroden ausfüllt, und evtl. einen Durchbruch und einen Stromfluss zwischen der Kathode 26 und dem Werkstück 22, welches als Anode dient, erzeugt.

Im folgenden werden eine Anzahl von spezifischen Beispielen näher erläutert, an welchen das erfindungsgemässe Verfahren erprobt wurde, unter Verwendung der Einrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

1. Beschichtung von Stahl mit Aluminium

Unter Verwendung der Einrichtung gemäss Fig. 2 wurden eine Reihe von Beschichtungsverfahren durchgeführt, nämlich eine Be· Schichtung von Stahl mit Aluminium bzw. eine Oberflächenlegierung des Stahls mit Aluminium, und zwar mit den folgenden Verfahrens -Parametern :

Als Beschichtungsquelle wurden Aluminium-Kathoden mit einem Durchmesser von 12 - 14 mm verwendet, und zwar in Verbindung mit einem 1010- oder 1010-Freischneid-Stahl mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Dicke von mehr als 1 cm als Sub-

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strat. Der Spalt zwischen den Elektroden betrug 4 mm.

Bei einem ersten Verfahrenstest mit einer Aluminiumkathode mit einem Durchmesser von 14 mm wurden alle übrigen Verfahrens-Parameter konstant gehalten, mit Ausnahme der Ladespannung der Kondensatoren, welche in erster Linie den Spitzenstrom des Lichtbogens beeinflusst. Alle Versuche wurden mit einer Kapazität von ungefähr 0,4 F, mit einer Induktivität von ungefähr mH, und mit einem gesamten Seriewiderstand von ungefähr 150 mOhm durchgeführt. Die erzeugte Kurvenform zeigte eine Spitze bei ungefähr 30 ms nach der Zündung des Lichtbogens und eine Gesamtbreite bei halber Amplitude (HAFW) von 71 ms. Die Werte für den Spitzenstrom und für die effektive Massenveränderung einerseits der Quelle (δΜ ) und andererseits des Substrates (AU ) nach einem einzelnen Impuls bei konstanter Ladespannung des Kondensator-Blocks sind aus der Tabelle I ersichtlich.

Zu bemerken ist, dass ungefähr ein Drittel des von der Quelle abgetragenen Materials auf dem Substrat abgelagert ist. Die so erzeugte Beschichtung besass eine helle, gesprenkelte Oberfläche, wobei das gesprenkelte Erscheinungsbild insbesondere auf die in der oder auf der Beschichtung enthaltenen Makropartikel zurückzuführen ist. Bei Versuchen, in denen V gleich oder grosser als 175 Volt war, zeigte der mittlere Bereich des Substrates eine glänzende Oberfläche, was als Anzeichen zu deu-

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ten ist, dass die Beschichtung während des Lichtbogen-Zyklus ihre Schmelztemperatur überschritten hat. Die Ausdehnung dieser glänzenden Fläche vergrösserte sich mit zunehmender Ladespannung. Eine mikrographische Untersuchung von geschnittenen Mustern hat Strukturen aufgezeigt, die Anhaltspunkte dafür liefern, dass die Aluminium-Beschichtung geschmolzen ist und dass eine Oberflächenlegierung stattgefunden hat. Mikrohärte-Messungen, die im Bereich dieser Oberflächenlegierung durchgeführt wurden, haben verdeutlicht, dass die erzeugten Strukturen härter waren sowohl als Ferrit als auch als Aluminium. Messungen mit einer Knopp-Riffeiwalze, mit einer Belastung von 10 gramm, führten zu folgenden Resultaten: Die Mikrohärte der Ferrit- und

2 Perlit-Strukturen lagen im Bereich von 210 und 494 kg/mm , was für 1010-Stahl, entfernt von der Oberfläche, normal ist.

Die Mikrohärte von ausgewählten Bereichen der Oberfläche mit

einer Legierungsstruktur betrug 911 kg/mm . In den Randbereichen des Substrates war ein Uebergang, gebildet durch eine Diffusionsschicht zwischen der Deckschicht und dem Substrat, zu beobachten. In allen Bereichen war die Haftung der Ueberzugsschicht sehr gut, d.h. es war nicht möglich, die Ueberzugsschicht mit einer Nadel zu entfernen.

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TABELLE 1

Aluminiumbeschichtung von Stahl

Vc (v)	1P	0	CkA)	ΔΜ (mg)	ΔΗ (mg) CL
150		1		- 6.0	+ 2.1
175	1	.85	- 9.9	+ 3.6
200	.0	- 12.0	+ 4.7
225	.2	- 14.0	+ 5.0

Bei einem anderen Test wurde eine Aluminiumkathode als Quelle mit einem Durchmesser von 14 mm und eine 1010-Stahlanode als Substrat verwendet, wobei eine Folge von 100 Impulsen mit einer HAFW-Breite von 0,65 ms verwendet wurde. Die Dicke der Beschichtung betrug ungefähr 10 Mikron; andererseits wurden Anzeichen entdeckt, dass das Beschichtungsmaterial geschmolzen war und sich in eine Mehrzahl von 0,1 bis 1,0 mm grosse Klumpen zusammengeballt hat, und zwar vor allem im zentralen Bereich des Substrates. Die Haftung der Ueberzugsschicht war schlecht, da sie leicht abgeschabt werden konnte.

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2. Aufkohlung und Abschreckung von Stahl in einem einzigen Schrittt

Eine bekannte Verfahrensweise zur Härtung von Stahl besteht darin, das Stahlwerkstück mit einer Schicht von Kohlepulver zu umgeben, dieses während längerer Zeit (im Normalfall während Stunden) in einem Ofen zu erhitzen, um eine Diffusion der Kohle in den Stahl zu bewirken, und dann den Stahl in einem separaten Verfahrensschritt abzuschrecken, um eine harte, martensitische Struktur im Stahl zu erzeugen. Dieses Verfahren ist langwierig und das Erhitzen sowie das nachfolgende, schnelle Abkühlen des Stahlwerkstückes kann mechanische Verformungen und Spannungen darin erzeugen.

Als Alternative wird vorgeschlagen, Kohle auf ein Stahlsubstrat im Zuge einer Oberflächenlegierung aufzubringen und abzuschrecken, und zwar während eines einzelnen, gepulsten Lichtbogens im Vakuum. Diese Verfahrensweise wurde mit den folgenden Paramatern getestet: Als Quelle wurde eine Graphitkathode mit einem Durchmesser von 14 mm und als Anode, die gleichzeitig als Substrat dient, wurde ein 1010-Schneidstahlwerkstück mit einem Durchmesser von 25 mm verwendet. Diese beiden Elektroden wurden so angeordnet, dass dazwischen ein Spalt von 4 mm Breite entstand. Zur Erzeugung des Lichtbogens wurde dieselbe Impuls-

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schaltung wie im vorhergehenden Beispiel verwendet (Kondensator mit einer Kapazität von 0,4 F, Induktivität von 2 mH, Serienwiderstand von 150 mOhm) mit einer Ladespannung von 200 Volt, einem Spitzenstrom von 1 kA und einer Halbamplituden-Impulsdauer von 73 ms. Eine Untersuchung des Substrates ergab, dass in dessen zentralen Bereichen ein Anschmelzen des Substratmaterials stattgefunden hat. Das gesamte Substrat war mit einer schwarzen Schicht bedeckt, welche leicht abgekratzt werden konnte. Eine metallographische Untersuchung eines Schnittes durch das Substrat hat ergeben, dass der angeschmolzene Bereich des Substrates eine martensitische Struktur aufwies, was darauf hindeutet, dass während der Lichtbogenentladung Kohlenstoff in die geschmolzenen Bereiche des Substrates eingedrungen ist, und weiter, dass eine schnelle Abkühlung dieser geschmolzenen Bereiche stattgefunden hat. Die Mikrohärte dieses martensitischen Bereiches wurde, unter Verwendung einer Knopp-Riffeiwalze mit

2 25 g Belastung, gemessen und ergab einen Wert von 1050 kg/mm (was grob ungefähr einer Rockwellhärte von 70 C entspricht). Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass unter der oberflächlichen Legierungsschicht ausserdem Feststoffphasentransformationen beobachtet wurden.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass im Fall des hier diskutierten Beispieles, nämlich von gezogenem 1010-Schneidstahl, die Perlitbereiche normalerweise entlang von Bändern oder Ketten in

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der Richtung der Stab- bzw. Ziehachse verlaufen. In der Nähe der Oberfläche allerdings zeigte diese bandartige Struktur eine auseinandergezogene Erscheinung, wobei die beobachtete Divergenz umso grosser wurde, umsomehr die Oberfläche näher benachbart lag. Diese Erscheinung war im mittleren Bereich des Substrates am ausgeprägtesten. Es wird angenommen, dass die Temperatur in diesen Bereichen die austenitische Temperatur überschritten hat und dass der Kohlenstoff im Perlit aufgelöst und lateral diffundiert worden ist. Durch das rasche Abschrecken hat sich eine pseude-martensitische Struktur ausgebildet.

3. Ausbildung einer Molybdänkarbid-Molybdänoberflächenlegierung

Bei einem weiteren Versuch wurde eine Oberflächenlegierung aus Molybdänkarbid und Molybdän auf einem Substrat ausgebildet, das aus Molybdän besteht. Dabei wurde die Einrichtung gemäss Fig. 2 verwendet. Im wesentlichen fanden dieselben Schaltungsparamater Anwendung, wie es vorstehend beschrieben worden ist, mit einer Ladespannung der Kondensatoren entweder bei 200 Volt oder bei 215 Volt. Die Messungen der Veränderungen im Elektrodengewicht ΔΜ und δΜ der Kathode bzw. der Anode nach einem

C 3

einzelnen Lichtbogen-Entladungsimpuls sind in der Tabelle II dargestellt. Bei dieser Gelegenheit sei darauf hingewiesen, dass ein gewisses Mass an statistisch bedingten Variationen bei

Lichtbogenentladungseinrichtungen normal sind, welche hauptsächlich von der Qualität des Elektrodenraaterials abhängen. Die Kurvenform des Lichtbogenstroms ist ähnlich wie diejenige im vorher erwähnten Beispiel, welche dieselbe Schaltung verwendet (Spitzenströme von ungefähr 1 kA, HAFW von ca. 70 ms). Als Quelle diente eine Graphikathode mit einem Durchmesser von 14 mm, während das Substrat durch eine Molybdän-Anode mit einem Durchmesser von 12 mm gebildet wurden. Eine Untersuchung des Substrates nach erfolgter Lichtbogenentladung zeigte, dass ein mittlerer Bereich des Substrates geschmolzen war und dass die gesamte Oberfläche des Substrates mit einem schwarzen Film bedeckt ist. Dieser schwarze Film konnte leicht abgekratzt werden, zeigte jedoch keine Tendenz, abzusplittern. Eine metallographische Untersuchung eines Schnittes des Musters zeigte, dass die geschmolzenen Bereiche eine feine dendritische Struktur aufweisen, hauptsächlich zusammengesetzt aus abwechselnden Streifen von Mo und Mo₂C. Die Mikrohärte der geschmolzenen Bereiche zeigt einen Messwert von 600 bis 700 kg/mm (Knopp-Prägewalze, 25 g Belastung); die Mikrohärte des Substratmaterials Mo in gewissem Abstand von der Oberfläche dagegen zeigte

einen Wert von 321 kg/mm . Bei einem Versuch mit einer Ladespannung von 215 Volt konnten wenige isolierte Bereiche festgestellt werden, die offensichtlich aus reinem Mo-C bestehen

2 und die eine Mikrohärte von 1692 kg/mm aufwiesen.

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Zusätzlich wurde ein Versuch gemacht mit einer Ladespannung von 175 Volt. Dabei konnten keine Anzeichen von einer Aufschmelzung des Substratmaterials festgestellt werden. Das Substrat war mit einer Schicht bedeckt, die entlang der Peripherie schwarze Farbe aufwies, in einem mittleren Bereich jedoch grau war. Der schwarze Bereich konnte leicht abgekratzt werden, währenddem sich der graue Bereich als kratzfest erwies.

Weder der graue noch der schwarze Bereich zeigte eine Tendenz, abzublättern. Offensichtlich war diese Beschichtung sehr dünn (0,5 Micron oder weniger), da er bei einer optisch-mikroskopischen Untersuchung einer metallographischen Schnittprobe nicht einwandfrei erkannt werden konnte.

Tabelle II - (Molybdänkarbid-Synthese)

(u) 4M (rag) ΔΗ (mg)

175	- 1.72	- 0.34
200	- 2.93	+ 0.51
215	- 2.14	+ 0.82

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4. Molybdän-Beschichtung eines Kupfersubstrates

Mit Hilfe der Einrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, wurde ein Kupfersubstrat mit Molybdän beschichtet. Dabei fanden die folgenden Verfahrensparameter Anwendung: Die Quelle war eine Kathode aus Molybdän mit 12 mm Durchmesser, und das Substrat war eine Kupfer-Anode mit einem Durchmesser von 25 mm. Der Spalt zwischen Anode und Kathode betrug 1 mm. Die Parameter der Entladeschaltung waren wie folgt: C= 0.4 F, L=I.9 mH, R = 150 mOhm. Ein einzelner Impuls mit einer Kondensator-Ladespannung von 200 Volt erzeugte eine glatte Beschichtung, welche im Bereich der Peripherie des Substrates als sehr dünn erschien. Die Kathode verlor dabei ein Gewicht von 1.49 mg, währenddem die Anode eine Gewichtszunahme von 0.87 mg verzeichnete. Ohne Hilfsmittel konnte von Auge keine Beeinträchtigung durch Makropartikel festgestellt werden (dies im Gegensatz zur Aluminium-Beschichtung mittels Lichtbogens im Vacuum).

Bei einem weiteren Versuch wurde eine Folge von 10 Lichtbogen-Impulsen, mit denselben Parametern wie oben beschrieben, angewendet. Die Kathode zeigte einen Verlust von 26,29 mg, währenddem die Anode eine Gewichtszunahme von 17.58 mg auswies; dies bedeutet, dass die Anode ungefähr 2/3 des von der Kathode emittierten Materials aufgefangen hat. Eine metallographische Un-

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tersuchung der Probe ergäbe eine ebene, gleichmässige Beschichtung, welche die Konturen erkennen liess, die bei der Oberflächenbearbeitung der Substratprobe entstanden sind. Die grösste Dicke der Beschichtung war im Bereich des Zentrums zu beobachten; Messungen ergaben eine Dicke von ungefähr 10 Mikron.

Weitere Versuche wurden mit derselben Anordnung und derselben Ladespannung durchgeführt, hingegen mit einem grösseren Elektrodenspalt (z.B. 4 mm). Dabei wurde gefunden, dass eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass der Hauptanteil der Lichtbogenentladung einerseits zwischen der elektrisch mit der Kathode verbundenen Entladungskammerwand und andererseits der Anodenträgeranordnung erfolgte, so dass auf der Oberfläche des Substrates keine Deckschicht ausgebildet wurde.

Schliesslich wurden weitere Versuche durchgeführt, mit einer Folge von Impulsen, mit den folgenden Parametern: C = 0.2 F, L = 0.17 mH, R * 95 mOhm. Hierbei wurden Impulse erzeugt, die einen maximalen Strom zwischen 0.4 und 2.0 kA aufwiesen; dieser Spitzenstrom stellte sich 6 ms nach der Zündung des Lichtbogens ein. Die Halbamplituden-Impulsbreite betrug dabei 16 ms. Als Quelle wurden Molybdänkathoden mit einem Durchmesser von 12 mm und als Substrate Kupferanoden mit einem Durchmesser von 14 mm verwendet. Als Resultat konnten im allgemeinen gleichmässige, glänzende, gut haftende Beschichtungen festgestellt werden;

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allerdings wurden keine detaillierten metallographischen Unter· suchungen durchgeführt.

5. Wolframbeschichtung von Stahl

Bei diesen Versuchen wurde als Quelle eine gesinterte Wolframkathode mit einem Durchmesser von 14 mm verwendet, wobei eine Anode als Substrat diente, die als 1010-Stahl mit einem Durchmesser von 25 mm ausgebildet war. Die Parameter der Entladungsschaltung waren wie folgt: C= 0.4 F, L=I.9 mH, R = 130 mOhra.

Bei einem ersten Testdurchlauf wurde eine Folge von 19 Impulsen angewendet, wobei zwischen jedem Impuls eine Pause von wenigen Minuten eingehalten wurde. Der gesamte Ladungsübergang betrug 641 Coulomb. Nach Beendigung des Versuches zeigte die Oberfläche des Substrates eine mattgraue Farbe. Der Hauptteil der so erzeugten Beschichtung konzentrierte sich in einem ringförmigen Bereich, mit einem zentralen Durchmesser von ca. 3 mm und einem äusseren Durchmesser von ca. 21 mm. Es wurde dabei angenommen, dass dieser äussere Ring darauf zurückzuführen ist, dass wegen der vergleichsweise kleinen Kathode eine mangelhafte Verteilung stattgefunden hat, und dass der beobachtete, innere Ring auf das Loch in der Kathode zurückzuführen ist, in welcher die Zündungselektrode aufgenommen ist. Die Beschichtung konnte

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angekratzt werden, zeigte jedoch keinerlei Tendenz, abzusplittern. Eine metallographische Untersuchung eines Schnittes durch das Muster zeigte, dass die Beschichtung im Bereich der ausgeprägtesten Regionen eine Dicke von ca. 10 Mikron aufwies. Die Beschichtung schien hauptsächlich aus zusammengeballten Makropartikeln zu bestehen, die vermutlich durch die Plasma-Kondensation zusammengeschmolzen wurden. Es wird vermutet, dass diese Anhäufung von Makropartikeln, die in der Beschichtung festgestellt werden konnte, eine direkte Folge der gesinterten Konstruktion der Kathode ist.

6. Elektronenzerstäubungs-Aetzung von Stahl in einem Molybdänlichtbogen

Wie schon vorher erwähnt, kann nicht jede Kombination von Quelle und Substratmaterial eine Deckschicht erzeugen. Im Fall einer Molybdän-Quelle und eines Stahl-Substrates hat man festgestellt, dass das als Anode dienende Substrat während des Auftretens des Lichtbogens an Masse verliert, vermutlich wegen Kathodenzerstäubung, die durch die Bombardierung mit energetischen Mo-Ionen erfolgt. Als Beispiel kann angeführt werden: Wenn ein einzelner Lichtbogenimpuls zwischen einer als Quelle dienenden Molybdän-Kathode mit einem Durchmesser von 12 mm und einem Substrat, bestehend aus einem 1010-Stahl mit einem Durch-

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messer von 25 mm und einem Spalt zwischen Anode und Kathode von 4 mm erzeugt wird, wobei die folgenden Schaltungsparameter eingehalten werden: C ■ 0,4 F, L = 2 mH, R = 130 mOhm, V « 175 V, tritt ein effektiver Massenverlust von 0,25 mg bei der Anode auf. Dies entspricht einer Abtragung einer Schichtdicke von ungefähr 650 Angström der Substratoberfläche, unter der Voraussetzung, dass die Kathodenzerstäubung gleichmässig über der Substratoberfläche stattgefunden hat; allerdings ist zu erwarten, dass im Bereich des Zentrums des Substrates eine stärkere Abtragung erfolgt.

All diese vorstehenden Aussagen beziehen sich auf einen einzelnen Entladungsimpuls mit einer Halbamplituden-Breite von 70 ms. Auf der anderen Seite hat sich ein solches Vorgehen als wirksamer Weg erwiesen, um Stahl oder andere Substrate zu reinigen, und zwar bevor die Oberfläche mit anderen Beschichtungsmaterialien versehen wird, mit dem Zweck, eine saubere Oberfläche, die zu beschichten ist, zu erzielen.

7. Ablagerung von Ti und TiN

Unter Verwendung der Einrichtung gemäss Fig. 2 wurden TiN-Be-Schichtungen hergestellt, mit einer Titankathode mit einem Durchmesser von 14 mm, einem 4 mm breiten Spalt und mit Werk-

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stücken aus Stahl mit einem Durchmesser von 44 mm, die als Anoden angeschlossen waren. Zusätzlich wurde in kontrollierter Weise ein Gas in den Verfahrensablauf einbezogen, nämlich Stickstoff bei niedrigem Druck, welches als Hilfsgas für die Legierungsbildung in der Vakuumkammer dient. Bei einem ersten Verfahrensdurchlauf wurden die Parameter für die Schaltung der Erzeugung des Lichtbogens konstant gehalten CC = 0,4 F, L= 2 mH, R = 150 mOhm, V - 200 Volt), wobei aber der Druck des verwendeten Gases von Versuch zu Versuch vergrössert worden ist. Dabei wurde erkannt, dass bei Drücken von weniger als 0.05 Torr keine Anzeichen einer TiN-Beschichtung von blossem Auge erkennbar waren. Bei einem Druck von 0.1 Torr hingegen zeigte es sich, dass der äussere Rand des Werkstückes mit TiN beschichtet war; dies kann leicht durch die goldene Farbe der Beschichtung erkannt werden (im Gegensatz zur natürlichen, weiss-metallischen Farbe von Titan-Beschichtungen, die bei niedrigen Drücken erzeugt werden). Bei einem Druck von 0.3 Torr war zu beobachten, dass die Breite der TiN-beschichteten Bereiche zunahm; unter diesen Bedingungen ergab sich ein ringförmiger Bereich mit einer Breite von 2 - 3 mm am Rand des Werkstückes. Schliesslich, bei einem Druck von 1.0 Torr, war ein goldfarbiger TiN-üeberzug über der gesamten Oberfläche des Werkstückes festzustellen.

Anschliessend wurden verschiedene Versuche unter Verwendung

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eines Werkstückes mit einem Durchmesser von 24 mm durchgeführt, und zwar aus 1010-, 4340- und M 42- (HS-) Stählen. Die Ladespannung V der Kondensatoren betrug dabei zwischen 160 und 200 Volt. Stickstoffgas mit einem Druck von 0,7 - 1,3 Torr wurde zugeführt, und zwischen 1 und 3 Lichtbogen-Entladungen wurden angewandt. In gewissen Fällen erfolgte die Entladung des ersten Lichtbogens im Hochvakuumbereich (2 χ 10" - 2 χ 10 Torr), um eine erste Titanschicht abzulagern. Einige dieser Proben wurden danach metallurgisch untersucht. Im allgemeinen wurde festgestellt, dass die Beschichtung nicht gleichmässig ist, sondern in einzelne konzentrische Ringe unterteilt werden kann, wobei sich jeder dieser Ringe vom benachbarten Ring durch entweder eine unterschiedliche Farbtönung oder durch eine unterschiedliche Texturierung auszeichnet. Bei den Versuchen, in welchen eine höhere Ladespannung angewandt wurde, konnte man eine Aufschmelzung der Oberfläche des Substrates im Zentrum des Werkstückes feststellen. Die Beschichtung zeigte dabei ein getreues Abbild der Unregelmässigkeiten in der Oberfläche, die durch das Aufschmelzen verursacht worden sind. Die grösste Dicke der Beschichtung wurde im Zentrum des Werkstückes gemessen, wo eine Dicke bis zu 5 Mikron festgestellt werden konnte; allerdings war die Beschichtung im allgemeinen nicht gleichmässig.

Metallurgische Untersuchungen von polierten und geätzten Mu-

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stern haben gezeigt, dass im Zentrum der Werkstückprobe eine schattierte, durch Hitze beeinflusste Zone festzustellen ist; die schnelle Erwärmung und die darauf folgende Abschreckung durch thermische Leitung in das Innere des Werkstückes hat also eine Härtung der äusseren Regionen Ctypischerweise 0.1 mm) des Werkstückes bewirkt. Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Ablagerung von TiN mittels eines Hochstrom-Lichtbogens besitzt verschiedene, potentielle Vorteile gegenüber anderen, bisher praktizierten Verfahren:

1. Die Ablagerungsgeschwindigkeit, nämlich bis zu 24 Mikron pro Sekunde, ist um Grössenordnungen höher als sie mit anderen bekannten Verfahren erzielt werden kann, wodurch bedeutend reduzierte Verfahrenszeiten erreicht werden können.

2. Die Behandlung kann auf ausgewählte Bereiche des Werkstückes ausgerichtet werden.

3. Die Kombination einer Beschichtung und der Erzeugung einer gehärteten, äusseren Region des Werkstückes kann in manchen Fällen vorteilhaft sein, wie es in der wissenschaftlichen Literatur schon mehrfach erwähnt worden ist; nachgewiesenermassen besteht eine Beziehung zwischen der Härte des Substrates und der Haftfähigkeit der Beschichtung.

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4. Der Druck, der bei dem neuen Verfahren vorgeschlagen wird (ungefähr 1 Torr) ist bedeutend höher als derjenige, der bei den bisher bekannten Verfahren Verwendung fand (ca. 10~ Torr); dies erlaubt die Verwendung von einfacheren Vakuumpumpen und zugeordneten Ueberwachungseinheiten.

8. Verschiedene Beschichtungen (Beispiele 8 - 20)

Mit Hilfe des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens wurden eine Vielzahl von anderen Beschichtungen praktisch erprobt; allerdings wurden nicht in allen Fällen detaillierte metallographische Untersuchungen durchgeführt. In der nachfolgenden Tabelle III sind einige Kombinationen von verwendeten, als Quelle dienenden Kathodenmaterialien und als Anode dienenden Substrat-Materialien sowie die Bedingungen zur Ausbildung des Lichtbogens aufgeführt.

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	Kathode	TABELLE	III	Ip	HAFW
Beispiel	Mo		(A)	(ras)
No.	Cu	Anode	800-2000	16
8	Cu	Al	500-2000	16/2.5
9	Al	Al	400-1000	16/2.5
10	Al	Zn	500-2000	16/2.5
11	Zn	Cu	500-1000	16/2.5
12	Zn	Zn	400-1500	16/2.5
13	Cd	Cu	500-1500	16
14	Cd	Al	500-2000	16/2.5
15	Cd	Cu	500-2000	16/2.5
16	Cd	Al	500-1000	16
17	Ni	Zn	1000	0.65
18	Ni	Stahl	1080-1200	44-71
19	Stahl	1000	70
20	Cu

Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine Möglichkeit, ein Gas, welches die Legierungsbildung unterstützt und welches während der Entladung des Lichtbogens in das Vakuum eingeleitet wird, zur Erzeugung eines kombinierten, kathodischen und eines Gasplasraaflusses bei hohen Strömen zu verwen-

den. Die Einrichtung gemäss Fig. 3 umfasst ebenfalls eine Lichtbogen-Kammer, von der nur ein Teil 40 gezeigt ist, um ein Vakuum aufrecht zu erhalten. Innerhalb der evakuierten Kammer ist ein Werkstück 42 angeordnet, welches als Anode dient und welches durch einen Anodenträger 43 gehalten ist. Weiter ist eine Kathode 46 vorgesehen, welche einen hohlen Kathodenträger 47 aufweist, der dazu dient, Gas von einer Gasquelle 48 zuzuführen; letzere ist ausserhalb der Kammer angeordnet und führt das Gas über eine Steuereinheit 49 zu. Die Kathode 46 ist ebenfalls hohl ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Oeffnungen 50, die in ihrer oberen Wand 51 ausgebildet sind. Durch diese Oeffnungen fliesst das Gas in den Spalt 52 zwischen der Kathode und der durch das Werkstück gebildeten Anode 42. Auf diese Weise wird im Spalt 52 ein kombinierter kathodischer und Gasplasmafluss erzeugt.

Bei den hohen Strömen, die im Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet werden, hat der kathodische Ionenfluss die Tendenz, auszuweichen und das unter niedrigem Druck vorliegende Gas bzw. dessen Moleküle zu verdrängen. Deshalb muss das zur Legierungsbildung herangezogene Gas, das aus der Gasquelle 48 zugeführt wird, unter hohem Druck entlang der Entladeachse eingeführt werden. Weiter ist zu beachten, dass die Zuflussrate des Gases mit dem stöchiometrischen Verhältnis übereinstimmt, welches bei dem als Anode dienenden Werkstück 42 erwünscht ist,

und weiter, mit den Ionen-Eraissionsverhältnis von der Kathode.

Im vorliegenden Beispiel kann das als Anode 42 dienende Werkstück aus Stahl bestehen, die Kathode kann aus Titan bestehen und das Gas, das von der Quelle 48 geliefert wird, kann Stickstoff sein. Auf diese Weise kann auf dem stählernen Werkstück eine Titan-Nitridbeschichtung erzeugt werden.

In der Fig. 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt, welches eine Mehrzahl von Kathoden, im Ausführungsbeispiel zwei, 61 und 62, aufweist, welche aus unterschiedlichen Materialien bestehen, um ein polyvalentes Plasma mit Bezug auf das Werkstück 63 zu erzeugen; letzeres dient als gemeinsame Anode für sämtliche Kathoden. Wie bereits erwähnt besteht jede Kathode aus unterschiedlichem Material und wird von einer getrennten Stromquelle, im Beispiel 64, 65, gespeist. Die Stromquellen haben ebenfalls unterschiedliche Kurvenformen, wie dies in den Fig. 4b und 4c dargestellt ist. Wie aus Fig. 4d zu entnehmen ist, kann dadurch, durch kontinuierliche Veränderung des Verhältnisses der Ströme der beiden Kathoden, eine abgestimmte Beschichtung des als Anode dienenden Werkstückes erreicht werden.

Die Kathode 61 kann z.B. aus demselben Material bestehen wie

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das Werkstück 63, währenddem die Kathode 62 aus einem Material bestehen kann, welches gewisse erwünschte Schutzeigenschaften aufweist. Als repräsentatives Beispiel kann angeführt werden, dass das Werkstück aus Stahl, die Kathode 61 ebenfalls aus Stahl und die Kathode 62 aus Aluminium besteht.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Kathoden 61 und 62 aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, um so eine zusammengesetzte Beschichtung auf dem als Anode 63 dienenden Werkstück zu erzeugen, die auf andere Weise schwierig zu erzielen wäre. Z.B. kann die eine Kathode aus Wolfram und die andere aus Graphit bestehen, um eine Wolframkarbidbeschichtung auf dem z.B. aus Stahl bestehenden Werkstück zu erzeugen.

Weitere, denkbare Anwendungsbereiche des Verfahrens und der Einrichtung gemäss Fig. 4a bis 4d sind wie folgt:

1. Herstellung von sonst schwerlich zu erzeugenden Materialien, eingeschlossen Karbide, z.B. Borkarbid. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass infolge der sehr schnellen Kondensation aus dem Plasma-Zustand heraus metastabile, kristalline Erscheinungsformen auftreten können; unter Ausnutzung dieses Effektes kann ein Verfahren durchgeführt werden, welches mit Erfolg superleitfähige Legierungen produzieren kann, wie z.B. die A15-Form von Nb-Si; solche Legierungen wurden theoretisch er-

arbeitet, konnten bisher aber praktisch nicht produziert werden.

2. Herstellung von abgestuften Beschichtungen. Um die Haftfähigkeit der Beschichtung auf dem Substrat zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, zunächst das Substrat mit Ionen des Substratmaterials zu beschichten und dann, im Verlauf der Lichtbogenentladung, den Entladungsstrom zu derjenigen Kathode, die aus dem Substratmaterial besteht, zu verringern, währenddem gleichzeitig derjenige Strom erhöht wird, der zu derjenigen Kathode führt, die das schlussendlich erwünschte Beschichtungsmaterial liefert. Auf diese Weise können schroffe Uebergänge der physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials vermieden werden.

3. Herstellung von isolierenden Ueberzügen, und zwar in solchen Fällen, wo die individuellen Komponenten einer Legierung leitende Materialen sind, die als Kathoden aufgearbeitet werden können.

4. Herstellung von geschichteten Ueberzügen, die abwechselnd aus einem ersten Material und aus einem zweiten Material bestehen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Gas-Legierungs-Technik gemäss dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 mit der Mehr-

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fach-Kathoden-Technik der Fig. 4a bis 4d zu kombinieren. Mit anderen Worten bedeutet das, Ueberzüge zu erzeugen, die einerseits aus verschiedenen Elementen bestehen, welche normalerweise als leitende Feststoffe bekannt sind, und andererseits aus Elementen, die normalerweise im Zustand eines Gases sind. Insbesondere besteht ein ausgeprägtes Interesse daran, sogenannte BCN-Schichten auf Werkzeugen von Bearbeitungsmaschinen herzustellen, die als Schutzschichten gegen Abnützung dienen; dies ist prinzipiell dadurch möglich, dass man Kathoden einerseits aus Graphit und anderseits aus Bor verwendet, wobei Stickstoff als die Legierung förderndes Gas verwendet wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist.

In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem die Vakuumkammer 70 eine Mehrzahl von Kathoden 71 und 72 sowie einen Einlass 73 für ein die Legierungsbildung unterstützendes Gas aufweist; das Gas wird von einer Quelle 74 über einen Steuer-Regulator 75 zugeführt. Jede der beiden Kathoden 71 und 72 wird individuell mit Energie versorgt, und zwar durch je ein zugeordnetes Netzteil 76 bzw. 77. Aus der Fig. 5 kann unschwer erkannt werden, dass auf diese Weise, d.h. durch die Zusammenarbeit der beiden Kathoden und des Gases eine Reaktion zwischen den kombinierten Materialien und dem Gas im Spalt 78 stattfindet, wobei das Werkstück als Anode 79 dient.

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Beispielsweise kann die Kathode 71 aus Titan, die Kathode 72 hingegen aus Barium oder Magnesium bestehen. Das Gas 74 kann z.B. Sauerstoff sein, und die Anode 79 kann aus Kupfer bestehen, um Bariumtitanat oder Magnesiuratitanat als Beschichtung bei Dünnfilmkondensatoren zu erzeugen.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung dargestellt, die insbesondere dazu geeignet ist, eine verbesserte Gleichmässigkeit der Beschichtung zu gewährleisten, und zwar dadurch, dass ein magnetisches Feld aufgebaut wird. Dieses magnetische Feld, welches axial zum Spalt zwischen dem als Anode dienenden Werkstück und der Kathode verläuft, wird bei jeder Entladung des Lichtbogens aufgebaut und steuert den Fluss des Plasmas in einer vorgegebenen Richtung. Die Einrichtung gemäss Fig. 6 weist eine evakuierte Kammer 80 auf, in welcher eine als Plasmaquelle dienende Kathode 81 sowie eine Anode 82 vorgesehen ist, welch letztere durch das zu bearbeitende Werkstück gebildet ist; die Anode und die Kathode sind durch einen Spalt 83 voneinander getrennt. Spulen 84 und 85, die ein magnetisches Feld erzeugen, sind ausserhalb der Vakuumkammer angeordnet (eine andere Möglichkeit besteht auch darin, diese in der Kammer anzuordnen), und sind so ausgerichtet, dass sie ein magnetisches Feld erzeugen, welches axial durch den Spalt 84 verläuft. Dieses magnetische Feld sammelt den Plasraafluss, unterdrückt radiale Abweichungen des elektrischen Stroraflusses

im Bereich des als Anode dienenden Werkstückes und gewährleistet auf diese Weise einen gleichmässigeren Fluss der Wärmeübertragung. In der Anordnung gemäss Fig. 6 ist das als Anode 82 dienende Werkstück unterhalb der Kathode 81 angeordnet, so dass die Schwerkraft die geschmolzene Oberfläche der Anode glättet und dabei die Ausbildung von Kratern verhindert.

In den Fig. 7 und 7a ist eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung dargestellt, welche dazu verwendet werden kann, bestimmte Oberflächenbereiche eines länglichen, zylindrischen Gegenstandes zu bearbeiten, wie z.B. die Lageroberfläche einer Antriebswelle. Zu diesem Zweck umfasst die Einrichtung gemäss Fig. 7 und 7a eine Vakuumkammer 90, in welcher eine evakuierte Athmosphäre aufgebaut wird. Die Vakuumkammer ist mit Oeffnungen versehen, um das längliche, zylindrische Werkstück 91 aufzunehmen, welches bearbeitet werden soll und welches als Anode dient. Die Kammer 90, in welcher die Entladung des Lichtbogens erfolgt, umfasst ferner eine Mehrzahl von Trägern 92, die eine Mehrzahl von Kathoden 93 aufnehmen, welch letztere in ringförmiger Konfiguration um das Werkstück 91 herum angeordnet sind. Vorzugsweise ist jede der Kathoden 93 mit einem unabhängigen Netzteil 94 versehen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, damit eine gleichmässige Verteilung des zugeführten Stromes unter den Kathoden 93 gewährleistet ist. Dadurch, dass isolierte Einführungsflansche 95 mit O-ring-Dichtungen 96 vorhanden

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sind, können Werkstücke 91 in der Vakuumkammer 90 behandelt werden, die langer als letztere sind. Die Vakuumkammer wird durch eine Pumpenanordnung evakuiert, die an einen Flansch 97 angeschlossen ist.

Die Fig. 8 bis 10 veranschaulichen weitere Ausführungsformen der Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche z.B. verwendet werden können für die Oberflächenbearbeitung der Innenseite eines länglichen, hohlen, zylindrischen Werkstückes, wie z.B. der Innenfläche einer Wärmetauscherrohre, eines Waffenlaufes oder dgl.

Aus der Fig. 8 geht hervor, dass das Werkstück 101, z.B. der Lauf einer Waffe, als Teil der Vakuumkammer verwendet wird. Ein Ende desselben ist über eine geeignete Vakuumdichtung 102 und ein Anpassungsstück 103 an eine Einheit 104 zur Erzeugung und Ueberwachung des Vakuums angeschlossen. Das gegenüberliegende Ende ist mittels einer Abschlusswand 105 verschlossen; letztere ist mit einer Durchführungsöffnung 106 versehen, die abgedichtet ist und die eine Kathodenandordnung 107 aufnimmt, welche in Längsrichtung innerhalb des Werkstückes verschiebbar angeordnet ist. Das Werkstück 101 dient dabei als Anode für den Lichtbogen, in Zusammenarbeit mit der beweglichen Kathode 107. Ein Netzteil 108 ist zwischen der als Werkstück dienenden Anode und der beweglichen Kathode 107 angeschlossen und liefert den

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für die Erzeugung von kurzen Lichtbogenirapulsen erforderlichen, hohen Strom.

Die Fig. 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, welches als Kathodenanordnung 107 bei einer Vorrichtung gemäss Fig. 8 verwendet werden kann. Aus Fig. 9 ist zu entnehmen, dass die Kathodenanordnung 107 eine aktive Kathode 110 umfasst, welche am Ende einer elektrisch leitfähigen Stange 111 angeordnet ist. Letztere dient zudem als elektrische Verbindung zur Kathode und erstreckt sich durch die Durchführung 105 (Fig. 8) am Ende des als Anode dienenden Werkstückes 101; somit wird die Verschiebung und Bedienung der Kathode erleichtert. Die Stange 111 ist durch ein aus Isoliermaterial bestehendes Rohr 112 umschlossen, welches z.B. aus Glas oder Keramik bestehen kann, damit eine Lichtbogenentladung entlang seiner Länge vermieden wird.

Sobald ein elektrischer Impuls, unter Einfluss des Netzteils 108 (Fig. 8) mit hoher Stromstärke und kurzer Dauer, zwischen den Punkten 113 auf der Kathode 110 und dem als Anode dienenden Werkstück 101 angelegt wird, wird ein Plasmastrahl 114 erzeugt. Der letztere kann dazu verwendet werden, eine metallurgische Deckschicht, eine Oberflächenlegierung oder eine Oberflächenbehandlung zu erzeugen, oder kann auch dazu verwendet werden, die innere Oberfläche des Werkstückes im Sinn einer ätzenden Abtragung zu bearbeiten.

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Vorzugsweise ist das Ende der Kathode 110 mit einer isolierenden Kappe 115 bedeckt, damit ein Funkenüberschlag vom Ende der Kathode vermieden werden kann. Gleichzeitig wird durch diese Massnahme erreicht, dass die Kathodenflecken auf diejenigen Seiten der Kathode konzentriert werden, wie es in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Ausserdem kann die Kathodenanordnung mit einer Auslöseanordnung 116 zur Zündung des Lichtbogens sowie mit einem Kühlkreislauf 117 zur Kühlung der Kathode versehen sein, wenn eine länger dauernde Betriebsweise oder eine Zündung des Lichtbogens in rascher Folge vorgesehen ist. Schliesslich ist es auch denkbar, eine Quelle zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorzusehen, welches in Bezug auf die Kathode axial verläuft, um den Plasmastrom bzw. die Plasmastrahlen zu führen und um die Kathodenflächen um die Seiten der Kathode 110 herum zu lenken.

Aus der Fig. 9 geht eine Anordnung hervor, die zeigt, wie das magnetische Feld erzeugt werden kann. Dazu ist eine Spule 118 vorgesehen, die axial um die Kathode herum angeordnet ist; anderseits ist es auch möglich, einen Permanentmagneten oder andere geeignete Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, z.B. wie in Fig. 5 dargestellt, zu verwenden.

In der Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher die Kathode 110' der Kathodenanordnung 107' einen Gas-

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kanal aufweist, um ein die Leg.ierungsbildung förderndes Gas den Kathodenflecken zuzuführen, wie es bereits im Zusammenhang mit der Ausführung gemäss Fig. 3 erläutert worden ist. Zu diesem Zweck ist die Kathode 110' hohl ausgeführt und besitzt eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen 120 für das Gas, welch letzteres durch einen Einlass 121 zugeführt wird.

Die Einrichtung gemäss Fig. 8 bis 10 wird wie folgt betrieben: Die Kathodenanordnung 107 bzw. 107' wird durch die abgedichtete Oeffnung 105 in das Werkstück 101 eingeführt und ist innerhalb desselben in Längsrichtung positioniert, und zwar in einem solchen Bereich, in welchem die Behandlung der Oberfläche stattfinden soll. Darauf wird durch Betätigung des Netzteils 108 der Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und dem Werkstück, welches als Anode dient, gezündet. Zwischen den einzelnen Lichtbogen-Impulsen wird die Kathodenanordnung in eine neue Position verschoben, indem sie durch die abgedichtete Oeffnung 105 hindurch gestossen bzw. gezogen wird; auf diese Weise ist es ermöglicht, die gesamte Länge des Werkstückes oder aber ausgewählte Bereiche davon in der gewünschten Weise zu bearbeiten.

Währenddem die Einrichtung, die in den Fig. 8 bis 10 dargestellt ist, sowie andere Einrichtungen, die vorstehend beschrieben worden sind, insbesondere dafür geeignet sind, metallische Werkstücke mit Impulsen zu bearbeiten, die hohe

Spitzenströme, jedoch eine kurze Dauer aufweisen, versteht es sich, dass solche Einrichtungen auch dazu verwendet werden können, ein Werkstück mit Gleichstromimpulsen zu behandeln. Als Beispiel sei angeführt, dass die Einrichtung, die in den Fig. 8 bis 10 dargestellt ist, mittels Gleichstrom so betrieben werden kann, dass ein Lichtbogen gezündet wird, währenddem die Kathodenandordnung 107 bzw. 107' sich am einen Ende des Werkstückes befindet. Währenddem diese Kathodenandordnung in axialer Richtung zum anderen Ende des Werkstückes bewegt wird, kann der Lichtbogen kontinuierlich weiterbrennen, bis das Ende des Werkstückes erreicht ist, wo der Lichtbogen dann gelöscht wird.

Im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde als Stromversorgung ein Kondensator-Block als Stromimpulsquelle verwendet; der Bereich des Stromes variierte dabei zwischen 0.5 und 2.0 kA mit einer Halbamplitudenbreite von 0.65 bis 75 ms. Es versteht sich, dass andere Mittel zur Erzeugung dieser Stromimpulse verwendet werden können und dass der Bereich der Stromstärke bzw. die Dauer des Impulses variiert werden können. Als alternative Stromquelle bietet sich eine Schaltung mit einem phasenkontrollierten, gesteuerten Gleichrichter an, vorausgesetzt, die Spannung ist genügend hoch, um den Lichtbogen zu zünden und aufrecht zu erhalten. Wie schon vorher erwähnt, sind Pulsbreiten von 10 ns bis zu Sekunden (oder langer) möglich, und Spitzenstromamplituden im Bereich von 1 A

bis zu hunderten von kA sind im Prinzip denkbar. Die zweckmässige Auswahl des Lichtbogenstromes und der Länge des Impulses wird schlussendlich von der spezifischen Anwendung abhängen, wobei auch die Geometrie und das Material des Substrates und der Elektrode sowie die erwünschte Schichtdicke, die Oberflächentemperatur und die Wärmeverhältnisse in Betracht gezogen werden müssen. Insbesondere im Bereich hoher Stromstärken müssen Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, hauptsächlich bezüglich Geometrie und Anwendung eines axialen magnetischen Feldes usw., um zu verhindern, dass Anodenflecken entstehen, wenn dies nicht ausdrücklich erwünscht ist.

In der Ausführung gemäss Fig. 2 wurde eine Zündelektrode zur Erzeugung des Lichtbogens vorgeschlagen. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Mittel zur Zündung des Lichtbogens vorgesehen sein können, z.B. mit Hilfe der Anode oder einer zusätzlichen, mechanischen Zündelektrode, mittels Laser-Zündung, mittels elektrischer Ueberlastung des Anoden-Kathoden-Spaltes oder mittels Verwendung eines Zündungsdrahtes. Sobald die Zündung des Lichtbogens erfolgt ist, gelten im allgemeinen die vorstehenden Ausführungen bezüglich des Verfahrensablaufes.

Die Ausführungsbeispiele der Einrichtungen, wie sie vorstehend, z.B. mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben worden sind, verwenden eine sehr einfache geometrische Anordnung, bestehend aus einem

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Paar von parallel verlaufenden Elektroden, wobei die Kathode als Quelle und die Anode als Substrat dient. Allerdings sind verschiedene andere Möglichkeiten bezüglich der geometrischen Anordnung möglich. Die Geometrie des Substrates wird schlussendlich von der erwünschten Wirkung bestimmt. Grundsätzlich bestehen keine Einschränkungen bezüglich der Geometrie des Substrates, obwohl im Auge behalten werden muss, dass die Formgebung desselben sehr wahrscheinlich die Gleichmässigkeit und andere Eigenschaften des auf dem Substrat aufzubringenden Ueberzuges beeinflusst. Ausserdem ist zu berücksichtigen, dass sehr wahrscheinlich solche Bereiche des Substrates, welche weniger intensiv mit der Masse des Substrates thermisch verbunden sind, auf höhere Temperaturen erwärmt werden als benachbarte, flache, verhältnismässig dicke Bereiche; dieser Effekt muss stets berücksichtigt werden, um eine Beschädigung des Substrates zu verhindern.

Schliesslich sei noch erwähnt, dass die Kathode in ihrer Formgebung so gewählt werden kann, dass eine erwünschte Ablagerung oder das erwünschte thermische Bild auf dem Substrat erreicht werden kann, insbesondere in denjenigen Fällen, in welchen die Kathode sehr nahe zum Substrat angeordnet ist oder in denjenigen Fällen, wo ein axiales magnetisches Feld vorgesehen ist, um den Fluss des Plasmas zu beeinflussen. Es versteht sich, dass verschiedene Abänderungen, Variationen und Anwendungen des er-

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findungsgemässen Verfahrens möglich sind, die hier nicht näher diskutiert worden sind.

Claims (16)

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1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere kurzzeitige elektrische Impulse angewendet werden, um, bei jedem Impuls, eine elektrische Entladung mit hoher Amplitude und kurzer Dauer zwischen dem Werkstück, das als Anode dient, und einem anderen Material, das als Kathode dient, zu erzeugen, wobei sich das Werkstück und die Kathode in einem evakuierten Raum befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück und die Kathode durch einen Spalt voneinander ge- «, trennt sind, dessen Breite geringer ist als die kleinste Dirnension der Kathode, gemessen in einer durch diese gehenden und zum Werkstück parallelen Ebene.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines jeden Impulses bei halber Amplitude (HAFW) zwischen 0.5 und 100 ms beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Entladung eine Stromdichte von mindestens 3x10 A/m aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, dass jede der genannten elektrischen Entladungen bei einem Strom von mindestens 500 A erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kathode mindestens 10 mm beträgt und dass der Abstand des Werkstückes zur Kathode zwischen 1 und 8 mm beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kathode als Oberflächenbeschichtung auf das Werkstück aufgetragen wird, und dass die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung über den Schmelzpunkt des Kathodenmaterials, aber nicht bis zum Schmelzpunkt des Werkstückmaterials erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kathode als Oberflächenbeschichtung auf das Werkstück aufgetragen wird, und dass die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung soweit erwärmt wird, dass eine Verschmelzung und damit eine Haftung zwischen dem Werkstück und dem kathodischen Beschichtungsmaterial erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kathode als Oberflächenbe-

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schichtung auf das Werkstück aufgetragen wird, und dass die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung über den Schmelzpunkt sowohl des Kathodenmaterials als auch des Werkstückmaterials erwärmt wird, so dass eine Oberflächenlegierung der beiden Materialien an der Oberfläche des Werkstückes erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung über die Festphasen-Transformationstemperatur erwärmt und anschliessend einer durch natürliche Konduktion ins Innere des Werkstückes erfolgenden Abkühlung unterzogen wird, sodass die Bereiche in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes abgeschreckt werden und so eine metastabile kristalline Struktur bilden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedesmal während einer elektrischen Entladung in der evakuierten Kammer ein die Legierungsbildung förderndes Gas vorhanden ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Entladung zwischen dem Werkstück und einer Mehrzahl von Kathoden erfolgt, wobei letztere eine Mehrzahl von Plasmastrahlen erzeugen, die im Bereich der

Oberfläche des Werkstückes ineinanderlaufen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkstück und der Kathode ein axial zum Spalt gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird, wenn eine elektrische Entladung stattfindet, um den Fluss des Plasmas zwischen dem Werkstück und der Kathode zu beeinflussen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Werkstück längliche, zylindrische Gestalt besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Kathoden um das längliche, zylindrische Werkstück herum angeordnet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablagerung verschiedener Materialschichten auf dem Werkstück eine Mehrzahl von Kathoden in enger Nachbarschaft zum Werkstück angeordnet werden, und dass zwischen jeder Kathode und dem Werkstück, nacheinander, mindestens eine elektrische Entladung mit kurzer Dauer und hoher Stromstärke erzeugt wird, um unterschiedliche Materialien auf dem Werkstück abzulagern.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück längliche, hohle Gestalt besitzt, und dass die Kathode innerhalb des Werkstückes angeordnet wird, um dessen Innenfläche zu behandlen.