DE3513014C2

DE3513014C2 - Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken

Info

Publication number: DE3513014C2
Application number: DE3513014A
Authority: DE
Inventors: Raymond L Dr Boxman; Shmuel Prof Goldsmith; Nissan Brosh; Shaul Dr Shalev; Hanan Yaloz
Original assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Current assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2005-04-12
Also published as: DE3513014A1; IL71530A0; JPH0633451B2; US4645895A; JPS6199672A; IL71530A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken, insbesondere auf eine Oberflächenbehandlung, bei welcher metallurgische Be schichtungen, Oberflächenlegierungen, eine Oberflächen-Wärme behandlung oder eine Material-abtragende Behandlung der Ober fläche 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 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 Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken vorzugschlagen, welches insofern Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren, insbesondere gegenüber dem Verfahren zur Beschichtung im Vakuum mittels eines Lichtbogens, bietet, als eine höhere Ablagerungs geschwindigkeit erzielt, eine gezielte Behandlung einzelner Bereiche der Werkstückoberfläche ermöglicht und ein Arbeiten bei höherem Umgebungsdruck realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, welches die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf weist.

Vorzugsweise sind das Werkstück und die Kathode im Abstand zu einander 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 Be schreibung 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 3×10⁶ A pro m², mit einer Stromstärke z. B. im Bereich von 500-2000 A mit den üblicherweise verwen 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 Oberflächenbe schichtungsmaterial für das Werkstück, wobei die Oberfläche des 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 Ober flächenlegierung 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 Lichtbogenentladung erlaubt, daß die thermale Diffusionslänge bedeutend weniger beträgt als die Dicke des Werkstückes, kann erreicht werden, daß die Phasen transformation 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 beispielhaften Vorrichtungen, die in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des er findungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels einer Vorrichtung zur Ausübung des er findungsgemäßen Verfahrens;

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

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;

Fig. 4b/c Kurvendiagrammme 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;

Fig. 7, 7a eine Stirnansicht, bzw. einen Schnitt einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere für die Behandlung von lang gestreckten, zylindrischen Werkstücken, und

Fig. 8-10 eine Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen 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 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 10⁴ 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 Plasmastrombereich, mit einer generellen Flußrichtung von der Kathode weg. Im einfachsten Fall, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, bei 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 Materialkombinationen 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 Ätzung der Oberfläche des Substrates verwendet werden.

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

G_i = f I / (e Z A) (1)

Dabei bedeuten "G_i 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 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 = G_i m_i/p = f I m_i / (e Z A p) (2)

Dabei bedeutet "p" die Dichte des Beschichtungsmaterials und "m" die ionische Masse. In einem numerischen Beispiel beträgt der Beschichtungsgrad, der bei einem 1kA Cu Lichtbogen (f=0,08, Z=1,85) aus einer nahe bei der Anode angeordneten Kathode mit einem Durchmesser von 12 mm resultiert, ungefähr 26 Mikron pro Sekunden. Die Gesamtdicke der Beschichtung 1_c kann durch Integration der Gleichung (2) erhalten werden:

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 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 beoabachtet 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 Ano denoberfläche durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

S = IV_e/A (3)

Hierin bedeutet V_e das anodische Energieflußpotential, welches durch folgende Formel veranschaulicht werden kann:

In dieser Formel ist T_e die Temperatur der Elektronen im Plasma, V_w ist die anodische Arbeitsfunktion, V_a ist das Anodenschichtpotential (welches im allgemeinen negativ ist, wenn ein gleichmäßiger Vakuumlichtbogen vorliegt und in der Größenordnung von wenigen Elektronenvolt liegt), V_i ist die Energie, welche benötigt wird, um das Atom zum i-ten Grad der Ionisation zu ionisieren, V_w ist die Verdampfungsenergie, und f_i ist der Bruchteil der Ionen, die zum i-ten Grad der Ionisation ionisiert worden sind. Der erste Ausdruck in der Glei chung (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 Anodenoberflächen temperatur durch die Auflösung der Wärmeflußgleichung für halbbestimmte Feststoffe abgeschätzt werden:

Hierin bedeuten T_a(t) die momentane Oberflächentemperatur der Anode, T_a(O) die anfängliche Oberflächentemperatur der Anode, S_t(t) der momentane gesamte Nettowärmefluß an der Oberfläche; letzterer entspricht dem Wert von S(t) in Gleichung (3), mit Korrekturen für die Abkühlung durch Verdampfung, Abstrahlung, Kathodenflecken bildung usw. Allerdings sind diese zuletzt genannten Effekte im allgemeinen während der Anfangsphase des Lichtbogens zu ver nachlässigen, wenn die Ausgangstemperatur im Bereich der Raum temperatur liegt. Die Gleichung (5) gilt nur ungefähr, da die 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 mometane 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 Anodenober fläche 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 Ober flächenstrukturen erzeugt werden, abhängig von den Verfahrens- Parametern (Amplitude des Stromimpulses, Wellenform, Dauer des Stromimpulses, Geometrie der Anordnung und verwendete Materialien). Wenn die Oberflächentemperatur unterhalb der Rekristal lisations-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 2-5 nm) 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 vorge gangen werden: Die Oberflächentemperatur wird soweit erhöht, bis sie die Schmelztemperatur entweder des Substrates oder des Beschichtungsmaterials überschreitet (dabei ist eine möglicher weise auftretende Änderung des Schmelzpunktes infolge des Kontaktes mit dem anderen Material im Auge zu behalten), so daß ein Schmelzen und ein gegenseitiges Ineinanderfließen 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 Makro partikeln, die auf dem Substrat auftreffen.

An dieser Stelle muß betont werden, daß die vorstehenden Er läuterungen 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 Änderungen er forderlich. 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 kann diesem Phänomen dadurch vorgebeugt werden, daß ein axiales magnetisches Feld überlagert wird, welches eine Größe hat, die in etwa dem eigenen magnetischen Feld des Lichtbogens ent spricht.

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 Ka thodenfleckenstrahlen vorhanden, so daß die gleichen Überlegungen 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 3×10⁶-2×10⁷ A pro m² erzeugt wurde. Es wurde davon ausgegangen, daß bei geeigneter Auswahl der Geometrie der Anordnung und des magnetischen Feldes (um eine Konzentration des Lichtbogens in der 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 aus gebreitet 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 größer sein als D/(2v_cs) wobei D den Kathodendurchmesser und v_cs die Ausbreitungsge schwindigkeit der Kathodenflecken bedeutet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zusätzliche Mittel vorzusehen, die ver schiedene Kathodenflecken an verschiedenen Orten auf der Kathoden oberfläche erzeugen. Im Falle von Kupfer beträgt der Wert von v_cs typischerweise etwa 100 m/s. Als Beispiel kann ange geben werden, daß die Brenndauer des Lichtbogens größer 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 grundssätzliche, 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 Größenordnung von 200 ns benötigen, um sich auszubilden, während vorgespannte Spalte im Vakuum in Zeiten in der Größenordnuung 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:

wobei p die Dichte des Substrates, c die Wärmekapazität, l 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 solchen 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 be obachten ist. Als Beispiel kann angegeben werden, daß sich bei einem 1 cm dicken Nickel-Substrat ein thermischer Gleichge wichtszustand nach ungefähr 4 Sekunden einstellt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels der Einrichtung dargestellt, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann; diese Aus führung der Einrichtung wurde bei den meisten nachstehend noch diskutierten 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 Öffnungen 12 und 14 versehen ist. Letztere 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 Öldiffusionspumpe, 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 0,52-2,7 mPa.

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 einer parallel zum Werkstück 22 verlaufenen Ebene. In einem praktischen Beispiel, wie es auch für die nachfolgend zu be schreibenden 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 Induk tivität L und über einen Widerstand R mit dem Werkstück verbunden ist. Im allgemeinen wurden Kondensatoren 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. 200 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 trischer Überschlag 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 Ver fahrens-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 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-Pa rameter 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 2 mH, und mit einem gesamten Serienwiderstand 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 (ΔM_c) und andererseits des Substrates (ΔM_a) 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 Makropar tikel zurückzuführen ist. Bei Versuchen, in denen V_c gleich oder größer als 175 Volt war, zeigte der mittlere Bereich des Substrates eine glänzende Oberfläche, was als Anzeichen zu deu 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 Knoop-Riffelwalze, mit einer Belastung von 100 g, führten zu folgenden Resultaten: Die Mikrohärte der Ferrit- und Perlit-Strukturen lagen im Bereich von 2060 und 4400 N/mm², was für 1010-Stahl, entfernt von der Oberfläche, normal ist. Die Mikrohärte von ausgewählten Bereichen der Oberfläche mit einer Legierungsstruktur betrug 8114 N/mm². In den Randbereichen des Substrates war ein Übergang, gebildet durch eine Diffusions schicht zwischen der Deckschicht und dem Substrat, zu beobachten. In allen Bereichen war die Haftung der Überzugsschicht sehr gut, d. h. es war nicht möglich, die Überzugs schicht mit einer Nadel zu entfernen.

Tabelle 1

Aluminiumbeschichtung von Stahl

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 Be schichtung betrug ungefähr 10 µm; 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 Überzugsschicht war schlecht, da sie leicht abgeschabt werden konnte.

2. Aufkohlung und Abschreckung von Stahl in einem einzigen Schritt

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 abzu schrecken, und zwar während eines einzelnen, gepulsten Lichtbogens im Vakuum. Diese Verfahrensweise wurde mit den folgenden Parametern 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 ent stand. Zur Erzeugung des Lichtbogens wurde dieselbe Impuls schaltung wie im vorhergehenden Beispiel verwendet (Kondensator mit einer Kapazität von 0,4 F, Induktivität von 2 mH, Serien widerstand von 150 mOhm) mit einer Ladespannung von 200 Volt, einem Spitzenstrom von 1 kA und einer Halbamplituden-Impuls dauer 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 Knoop-Riffelwalze mit 25 g Belastung, gemessem und ergab einen Wert von 10 290 N/mm² (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 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 größer 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 Schaltungsparameter 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 ΔM_c und ΔM_a der Kathode bzw. der Anode nach einem 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 haupt sächlich von der Qualität des Elektrodenmaterials abhängen. Die Kurvenform des Lichtbogentroms 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 be deckt ist. Dieser schwarze Film konnte leicht abgekratzt werden, zeigte jedoch keine Tendenz, abzusplittern. Eine metallo graphische 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 5880 bis 6860 N/mm² (Knoop- Prägewalze, 25 g Belastung); die Mikrohärte des Substratmaterials Mo in gewissem Abstand von der Oberfläche dagegen zeigte einen Wert von 3146 N/mm². Bei einem Versuch mit einer Ladespannung von 215 Volt konnten wenige isolierte Bereiche festgestellt werden, die offensichtlich aus reinem Mo₂C bestehen und die eine Mikrohärte von 16 580 N/mm² aufwiesen.

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)

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 unnd Kathode betrug 1 mm. Die Parameter der Entladeschaltung waren wie folgt: C=0,4 F, L=1,9 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 Lichtbogen im Vakuum).

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 Untersuchung der Probe ergab 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 µm.

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; allerdings wurden keine detaillierten metallographischen Untersuchungen 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=1,9 mH, R=130 mOhm.

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 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 µm 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-Ätzung 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 Durchmesser 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_c=175 V, tritt ein effektiver Massenverlust von 0,25 mg bei der Anode auf. Dies entspricht einer Abtragung einer Schichtdicke von ungefähr 65 nm der Subsstratoberfläche, 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-Beschichtungen hergestellt, mit einer Titankathode mit einem Durchmesser von 14 mm, einem 4 mm breiten Spalt und mit Werkstücken 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 (C=0,4 F, L=2 mH, R=150 mOhm, V_c=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 6,7 Pa kein Anzeichen einer TiN-Beschichtung von bloßem Auge erkennbar waren. Bei einem Druck von 13 Pa 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 40 Pa 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 130 Pa, war ein goldfarbiger TiN-Überzug über der gesamten Oberfläche des Werkstückes festzustellen.

Anschließend wurden verschiedene Versuche unter Verwendung eines Werkstückes mit einem Durchmesser von 24 mm durchgeführt, und zwar aus 1010-, 4340- und M-42-(HS-)Stählen. Die Ladespannung V_c der Kondensatoren betrug dabei zwischen 160 und 200 Volt. Stickstoffgas mit einem Druck von 93-170 pA wurde zugeführt, und zwischen 1 und 3 Lichtbogen-Entladungen wurden angewandt. In gewissen Fällen erfolgte die Entladung des ersten Lichtbogens im Hochvakuumbereich (0,26-2,6 mPa), 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 µm festgestellt werden konnte; allerdings war die Beschichtung im allgemeinen nicht gleichmäßig.

Metallurgische Untersuchungen von polierten und geätzten Mustern 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 (typischerweise 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 µm 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.
4. Der Druck, der bei dem neuen Verfahren vorgeschlagen wird (ungefähr 130 Pa) ist bedeutend höher als derjenige, der bei den bisher bekannten Verfahren Verwendung fand (ca. 0,13 Pa); dies erlaubt die Verwendung von einfacheren Vakuumpumpen und zugeordneten Überwachungseinheiten.

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.

Tabelle III

Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine Möglichkeit, ein Glas, welches die Legierungsbildung unterstützt und welches während der Entladung des Lichtbogens in das Vakuum eingeleitet wird, zur Erzeugung eines kombinierten, kathodischen und eines Gasplasmaflusses bei hohen Strömen zu verwenden. 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; letztere 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 Öffnungen 50, die in ihrer oberen Wand 51 ausgebildet sind. Durch diese Öffnungen 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 dem Ionen-Emissionsverhältnis 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; letzteres 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 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 Nb₃Si; solche Legierungen wurden theoretisch erarbeitet, 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 Übergänge der physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials vermieden werden.
3. Herstellung von isolierenden Überzügen, und zwar in solchen Fällen, wo die individuellen Komponenten einer Legierung leitende Materialien sind, die als Kathoden aufgearbeitet werden können.
4. Herstellung von geschichteten Überzügen, 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 Mehrfach- Kathoden-Technik der Fig. 4a bis 4d zu kombinieren. Mit anderen Worten bedeutet das, Überzüge 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 andererseits 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.

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 Magnesiumtitanat als Beschichtung bei Dünnfilmkondensatoren zu erzeugen.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung darstellt, 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 80 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 Plasmafluß, unterdrückt radiale Abweichungen des elektrischen Stromflusses 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 Atmosphäre aufgebaut wird. Die Vakuumkammer ist mit Öffnungen 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 sind, können Werkstücke 91 in der Vakuumkammer 90 behandelt werden, die länger 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 Wärmetauscherröhre, 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 Überwachung 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 Kathodenanordnung 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 101 und der beweglichen Kathode 107 angeschlossen und liefert den für die Erzeugung von kurzen Lichtbogenimpulsen 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.

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 107 mit einer Auslöseanordnung 116 zur Zündung des Lichtbogens sowie mit einem Kühlkreislauf 117 zur Kühlung der Kathode versehen sein, wenn eine länger andauernde 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 Gaskanal aufweist, um ein die Legierungsbildung 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 Öffnung 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 Öffnung 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 Kathodenanordnung 107 bzw. 107′ sich am einen Ende des Werkstückes befindet. Währenddem diese Kathodenanordnung 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 länger) 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 Überlastung 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 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 Überzuges 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.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem Behandlungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere einzelne, monopolare elektrische Impulse mit einer Impulsdauer von 0,5 bis 100 ms, gemessen bei halber Amplitude, angewendet werden, um bei jedem Impuls eine elektrische Entladung mit einer Strom-Amplitude von mindestens 500 A zwischen dem als Anode geschalteten Werkstück und dem als Kathode geschalteten Behandlungsmaterial zu erzeugen, wobei Werkstück und Behandlungsmaterial in einem evakuierten Raum angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück und die Kathode durch einen Spalt, dessen Breite geringer ist als die kleinste Dimension der Kathode, gemessen in einer durch diese gehenden und zum Werkstück parallelen Ebene, voneinander getrennt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung mit einer Stromdichte von mindestens 3×10⁶ A/m² durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kathode auf mindestens 10 mm und der Abstand des Werkstückes zur Kathode auf Werte zwischen 1 und 8 mm eingestellt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Schmelzzpunkt des Kathodenmaterials, aber nicht bis zum Schmelzpunkt des Werkstückmaterials erwärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Kathode als Oberflächenbeschichtung auf das Werkstück aufgetragen wird, und daß die Oberfläche des Werkstückes durch die elektrische Entladung zu einer Verschmelzung und damit eine Haftung zwischen dem Werkstück und dem kathodischen Beschichtungsmaterial erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 sowohl des Kathodenmaterials als auch des Werkstückmaterials zu einer Oberflächenlegierung der beiden Materialien an der Oberfläche des Werkstückes erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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, so daß die Bereiche in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes abgeschreckt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedesmal während einer elektrischen Entladung in der evakuierten Kammer ein die Legierungsbildung förderndes Gas zugesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung zwischen dem Werkstück und einer Mehrzahl von Kathoden durchgeführt wird, wobei letztere eine Mehrzahl von Plasmastrahlen erzeugen, die im Bereich der Oberfläche des Werkstückes ineinanderlaufen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Werkstück und der Kathode ein axial zum Spalt gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Werkstück längliche, zylindrische Gestalt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Kathoden um das längliche, zylindrische Werkstück herum angeordnet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück längliche, hohle Gestalt besitzt, und daß die Kathode innerhalb des Werkstückes angeordnet wird.