DEP0007055DA - Verfahren zur Herstellung von Präzisionsmeßwerkzeugen, insbesondere Endmassen - Google Patents

Description

Endmasse sollen bei der Herstellung vollkommen massgenau sein und müssen diese Eigenschaft beim Gebrauch unverändert behalten. Der Werkstoff für die Endmasse muss also so gewählt sein, dass er beim Gebrauch keine mechanische Abnutzung erfährt und auch gegen korrodierende Einflüsse, wie der Atmosphäre und des Handschweisses, beständig ist. Bei der Verarbeitung und beim Gebrauch darf der Werkstoff keine Neigung zur irgendwelchen Formveränderungen besitzen und muss deshalb frei sein von starken Verarbeitungs- und Härtespannungen. Um diesen verschiedenartigen Anforderungen zu entsprechen, hat man deshalb die Endmasse, die im allgemeinen die Form von planparallelen Plättchen oder Stäbchen besitzen, aus verhältnismässig weichem Stahl hergestellt. Versuche, diese noch härter zu machen, indem man die Endflächen der auf Untertoleranz eingestellten Teile mit galvanischen Chromüberzügen versah, haben nicht zum gewünschten Erfolg geführt. Da sich das Chrom wegen der ungleichmässigen Verteilung der Stromdichte nicht vollkommen gleichmässig auf eine Fläche galvanisch niederschlagen lässt und bei der hohen Präzision, die von den Endmassen verlangt wird, diese Unregelmässigkeiten auch bei dünnen Schichten schon über das zulässige Mass hinausgehen, wäre man gezwungen, die Endmasse einer nochmaligen Bearbeitung zu unterziehen, die durch die grosse Härte der Chromschichten aber praktisch unmöglich gemacht wird.

Früher wurde vorgeschlagen, den Endmassen eine hohe Härte zu geben, ohne dass die beschriebenen Schwierigkeiten in Erscheinung treten, indem harte korrosionsbeständige Metalle oder nichtmetallische Stoffe im Hochvakuum aufgedampft werden.

Es wurde nun gefunden, dass der gleiche Fortschritt und darüber hinaus noch weitere Vorteile erzielt werden, wenn man bei der Herstellung von Präzisionsmesswerkzeugen, insbesondere Endmassen, auf die Endflächen der Formkörper durch Kathodenzerstäubung metallische oder nichtmetallische Ueberzüge bis zur Erzielung des gewünschten Sollwertes aufbringt. Man benutzt bei dem Verfahren nach der Erfindung im allgemeinen grossflächige Kathoden und trägt zur Erzielung eines homogenen Feldes dafür Sorge, dass die zu belegende Fläche nur einen Bruchteil der gesamten der Kathode gegenüberliegenden Fläche ausmacht und sie in jedem Punkt gleichen Abstand von der Kathodenoberfläche besitzt.

Man erzielt mit dem Verfahren nach der Erfindung die gleichen Vorteile, wie mit der Hochvakuumverdampfung. So lässt sich im Gegensatz zu der Anwendung des galvanischen Verfahrens die Schicht- stärke beliebig verändern und genauestens auf die geforderte Sollstärke des Endmasses einstellen. Es genügt also, das Endmass mit einer geringen, aber nicht genau einzustellenden Untertoleranz herzustellen und dann durch den durch Kathodenzerstäubung hergestellten Ueberzug mit jeder geforderten Genauigkeit auf die Sollstärke zu bringen. Da sich hierbei jede weitere Nacharbeit erübrigt, wird die Verbesserung der Endmasse durch das neue Verfahren ohne besondere Schwierigkeit und in wirtschaftlicher Weise erzielt. Sogar etwaige Abweichungen der Stahlform von der planparallelen Gestalt lassen sich leicht ausgleichen, indem man bei der Kathodenzerstäubung für ein entsprechendes keilförmiges Auftragen des Ueberzuges sorgt.

Die Kathodenzerstäubung ergibt nun über die genannten Vorteile, die sie mit der Hochvakuumverdampfung teilt, noch besondere Fortschritte. So ist die Kathodenzerstäubung bei der Herstellung der Endmasse in vielen Fällen einfacher, beispielsweise wenn es sich darum handelt, Ueberzüge von Metallen mit hohem Schmelzpunkt auf den Endflächen niederzuschlagen; der metallische Ueberzug wird durch Zerstäubung in inerter oder reduzierender Atmosphäre erhalten. Besonders wertvoll ist die Kathodenzerstäubung bei der Herstellung von Endmassen, wenn Ueberzüge von anorganischen Verbindungen mit hohem Schmelzpunkt aufgebracht werden sollen, die durhc Hochvakuumverdampfung nicht oder nur unter ausserordentlichem experimentellem Aufwand hergestellt werden können.

Es wurde nämlich gefunden, dass sich ein Ueberzug von Verbindungen, insbesondere Oxyden, durch Kathodenzerstäubung dadurch auf die Endmasse aufbringen lässt, dass die von der Kathode zerstäubten Elemente durch Reaktion mit den im Zerstäubungsraum vorhandenen Gasen in die gewünschten Verbindungen übergeführt werden. Diese Erfindung geht von folgender Erkenntnis aus:

Ueblicherweise wird bei der Kathodenzerstäubung das zerstäubte Metall auf der Umgebung der Kathode in metallischer Form niedergeschlagen. Diese Beobachtung wurde wissenschaftlich genau untersucht und technisch allgemein ausgewertet. So hat A. Güntherschulze (Zeitschrift für technische Physik, 8. Jahrgang, 1927, Seite 169 ff.) in Zerstäubungsreihen festgelegt, mit welcher Geschwindigkeit die einzelnen Metalle kathodenzerstäubt werden. Bei allen diesen Untersuchungen ist jedoch den Forschern und Technikern entgangen, dass manche Elemente, die scheinbar nicht zerstäuben, in Wirklichkeit doch in ganz besonders hohem Masse zur Zerstäubung gelangen, aber im Gasraum die noch restlich vorhandenen reagierenden Gase aufzehren und dann in nichtmetallischer Form zur Kondensation gelangen. Da allgemein in diesen Fällen die kondensierten Schichten farblos sind, ist ihre Vorhandensein den Beobachtern entgangen. Es ist nun möglich, durch bewusste Zuführung von reagierenden Gasen bei der Kathodenzerstäubung auf dem Weg zwischen Kathode und Kondensationsfläche Reaktionen zwischen dem zerstäubenden Metall und den als Moleküle oder Atome vorliegenden Gasteilchen einzuleiten und dann nicht die zerstäubten Metallatome oder -moleküle zur Kondensation zu bringen, sondern die durch Reaktion mit den Gasen erhaltenen Verbindungen, beispielsweise Oxyde. Welche Vorgänge sich dabei in der Kathode abspielen, ist von besonderen wissenschaftlichen Interesse, spielt jedoch für die technische Auswertung keine Rolle. Die Reaktionen können entsprechend der Affinität der Metallatome mit verschie- denen Gasen ausgeführt werden. Hierbei ist es oft bei der Erzeugung bestimmter Verbindungen wesentlich, in reiner Gasatmosphäre zu arbeiten, z.B. bei der Herstellung von Oxyden in reinem Sauerstoff. Auch ist es oft von ausschlaggebender Bedeutung, dass die zu überziehende Oberfläche besonders rein ist.

So ergibt beispielsweise Zerstäubung von Aluminiumkathoden in sauerstoffhaltiger Atmosphäre ein reines (Gamma) Al(sub)2O(sub)3; die Schicht besitzt die Härte des Korundes. Dagegen ist es beim Verdampfen von Aluminiumoxyd mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 2050°C unmöglich, das Mitverdampfen z.B. des Werkstoffes aus dem das Schiffchen des Aluminiumoxyds besteht, völlig zu vermeiden.

Silizium wird bei der Kathodenzerstäubung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre in Form von amorphen SiO(sub)2-Schichten kondensiert. Diese haben die idealen physikalischen und technischen Eigenschaften des Quarzglases.

Eine Thoriumkathode wird in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zerstäubt; es entsteht eine Schicht aus ThO(sub)2, die alle günstigen Eigenschaften des Thoriumdioxyds besitzt. Dagegen ist es ohne einen ungeheuren experimentellen Aufwand unmöglich, auf dem Wege der Verdampfung Thoriumdioxyd in reiner Form zur Kondensation zu bringen, weil der Schmelzpunkt des Thoriumdioxyds bei 3050°C und sein Siedepunkt bei 4400°C liegt und für die Verdampfungstemperatur, die zwischen diesen beiden Temperaturgrenzen liegen müsste, kein Werkstoff bekannt ist, von dem Thoriumdioxyd ohne Mitverdampfung dieses Werkstoffes verdampft werden könnte.

Andere Beispiele für anorganische Verbindungen besonderer Härte, die erfindungsgemäss durch Kathodenzerstäubung und Reaktion mit den im Zerstäubungsraum vorhandenen Gasen auf den Endmassen niedergeschlagen werden, sind beispielsweise Cr(sub)2O(sub)3, TiO(sub)2, ZrO(sub)2, sowie andere harte Oxyde und Nitride.

Bei den Verfahren dere Erfindung kann die Kathode selbst als Massivkathode, als Kathode in Form von Drahtnetzen oder als Kathode in Form von Drähten, die parallel zueinander ausgespannt sind, ausgebildet sein. Drahtnetze und ausgespannte Drähte bieten aus folgendem Grund besondere Vorteile. Bei der Kathodenzerstäubung gelangt das von der Oberfläche der Kathode verdampfende Material entsprechend dem Temperaturgradienten wieder zur Kondensation. Bei der Massivkathode diffundiert sehr viel auf die im allgemeinen kalte Kathode zurück und nur ein Bruchteil gelangt auf die zu belegende Fläche. Da demgegenüber bei der Drahtnetzkathode die freie Weglänge der abgedampften Atome kleiner ist als der Netzabstand, ist die Wahrscheinlichkeit, dass das abgedampfte Atom auf die Kathode zurückdiffundiert, verhältnismässig klein. Bei Netz- und Drahtelektroden ist es natürlich zweckmässig, mindestens zwei Auffangflächen, die auf beiden Seiten der Kathode liegen, zu verwenden.

Auch ist es oft zweckmässig, zur Vermeidung eines grossen technischen Aufwandes nicht Massivkathoden aus dem zu zerstäubenden Material zu verfertigen, sondern eine Trägerkathode galvanisch oder durch andere Verfahren, beispielsweise durch das Schoop'sche Spritzverfahren mit dem zu zerstäubenden Metall in dünner Schicht derart zu überziehen, dass bei der Zerstäubung nur das zur Zerstäubung kommende Metall an der Oberfläche liegt. Diese Lösung wird mit besonderem Vorteil angewandt bei der Herstellung von Cr(sub)2O(sub)3-Schichten; hier gelangt als Kathode beispielsweise ein Eisenblech zur Verwendung, das mit einem galvanischen Chromüberzug versehen ist. Wenn eine galvanische Abscheidung nicht möglich ist, andererseits aber durch das Verdampfungsverfahren das reine

Oxyd nicht erhalten werden kann, bietet sich der Weg, das Metall selbst im Hochvakuum auf eine Trägerkathode aufzudampfen und die aufgedampfte Schicht dann wieder durch Kathodenzerstäubung un die anschliessende Reaktion, die in dem Raum zwischen der Kathode und der Kondensationsfläche stattfindet, in die gewünschte Verbindung überzuführen.

Um Gemische von Verbindungen auf den Endflächen der Endmasse niederzuschlagen, bieten sich folgende Möglichkeiten:

Als Kathode wird eien Legierung verwendet. Infolge der verschiedenen Zerstäubungsgeschwindigkeit der verschiedenen Elemente entspricht das Kondensat im allgemeinen nicht der Zusammensetzung der Kathode; es ist deshalb notwendig, vorher die geeignete Kathodenzusammensetzung festzulegen, um nachher die gewünschte Zusammensetzung des Kondensats zu erreichen. Da aber die Oberfläche der Kathode einer dauernden Veränderung unterworfen ist, ist es notwendig, die Oberfläche soweit abzunehmen, dass die eigentliche gleichbleibende Zusammensetzung der Kathode aussen wieder in Erscheinung tritt. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, bei Draht- oder Netzkathoden in einer gewissen Reihenfolge Drähte aus dem einen Element mit Drähten aus dem anderen Element abzuwechseln und beide gemeinsam zu zerstäuben. Dies bietet den grossen Vorteil, dass die Kathodenoberfläche im Laufe der Zeit keine wesentliche Veränderung erfährt, sodass das Kondensat auch ohne erhebliche Behandlung der Kathode immer dieselbe Zusammensetzung besitzt.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zuerst die Dicke des Endmasses gemessen und festgestellt, wieviel zur Erreichung der Sollstärke aufzulegen ist. Die Dickenmessung geschieht bei nichtmetallischen Schichten durch Interferenzverfahren und bei metallischen Schichten durch Bestimmung der optischen Durchlässigkeit der dünnen Metallschichten.

Praktisch wird die Kathodenzerstäubung so durchgeführt, dass man einige Endmasse zusammenlegt und darum als Rahmen noch ein Stück Metall, das die Endmasse einschliesst. Auf diese Weise erhält man ohne Schwierigkeit eine planparallele Zerstäubungsfläche. Zur Herstellung einer keilförmigen Auflage wird die Kathodenfläche und Auffangfläche unter einem bestimmten Keilwinkel gegeneinander angeordnet. Zur Erzielung einer bestimmten Korrektur wird der Kathodenfläche eine ganz bestimmte Krümmung gegeben, so dass dann die zerstäubten Schichten gerade den richtigen Verlauf aufweisen. Man kann auch zum Unterschied von den obigen Ausführungen die Kathode sehr klein in Form eines Zylinders gestalten und diesen Zylinder zerstäuben; in diesem Falle kann die gegenüberliegende Fläche grösser sein als die Kathode selbst.

Während Stahl eine Oberflächenhärte von etwa 180° Brinell besitzt, lässt sich beim Verfahren der Erfindung durch die aufgestäubten Schichten die Härte auf über 400 steigern.

Die Anwendung der Kathodenzerstäubung gibt weiterhin die Möglichkeit, Zwischenschichten anzubringen, die ein noch besseres Haften des aufliegenden harten, korrosionsbeständigen Ueberzuges auf der Stahlunterlage bewirken. Beispielsweise lässt sich zur haftfesten Verbindung von Chrom mit Stahl eine dünne Zwischenschicht von Siliziumdioxyd aufstäuben.

Anstelle von Stahl lassen sich auch andere Werkstoffe, die zur Herstellung von Endmassen geeignet sind, nach dem Verfahren der Erfindung mit Ueberzügen versehen, um den Endflächen für die Anwendung wertvoller Eigenschaften, vor allem die erforderliche

Härte zu verleihen. Da die Kathodenzerstäubung nich an ein Niederschlagen auf metallischen Unterlagen gebunden ist, lassen sich auch Endmasse aus nichtmetallischen Werkstoffen, wie Quarzglas, Glas oder keramischen Stoffen erfindungsgemäss mit harten korrosionsbeständigen Ueberzügen versehen.

Die gleichen Gesichtspunkte wie für die Herstellung der Endmasse gelten auch für die Fertigung anderer Präzisionsmesswerkzeuge, wie z.B. Rachenlehren und Gewindelehren. Auch deren Messgenauigkeit und Haltbarkeit wird erheblich verbessert, wenn man durch Kathodenzerstäubung auf die Endflächen, an welche die zu messenden Gegenstände aufgelegt werden, harte, korrosionsbeständige Ueberzüge bis zur Erzielung des gewünschten Sollwertes aufbringt.

Claims (2)

1.) Verfahren zur Herstellung von Präzisionsmesswerkzeugen, insbesondere Endmassen, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Endflächen der Formkörper harte, korrosionsbeständige metallische oder nichtmetallische Ueberzüge bis zur Erzielung des gewünschten Sollwertes durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden.

2.) Verfahren zur Herstellung von Präzisionsmesswerkzeugen, insbesondere Endmassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass harte, korrosionsbeständige Ueberzüge von Verbindungen, insbesondere Oxyden dadurch auf die Endflächen der Formkörper aufgebracht werden, dass die von der Kathode zerstäubten Elemente durch Reaktion mit den im Zerstäubungsraum vorhandenen Gasen in die gewünschten Verbindungen übergeführt werden.