FI66656C - Foerfarande foer tillverkning av titannitridbelaeggning vid lag temperatur med hjaelp av glimurladdning - Google Patents

Description

1 66656

MENETELMÄ TITAANINITRIDIPINNOITTEEN VALMISTAMISEKSI MATALASSA LÄMPÖTILASSA HOHTOPURKAUSTA HYVÄKSI KÄYTTÄEN

Keksinnön kohteena on hohtopurkausmenetelmä kulutusta kestävän titaaninitridipinnoitteen valmistamiseksi. Menetelmän avulla voidaan työkappaleen pinnalle synnyttää ohut titaani-nitridikerros höyrystämällä tyhjökammioon titaania ja johta-5 maila sinne typpikaasua.

Kulutusta kestäviä pinnoitteita on pyritty valmistamaan monin eri tavoin. Ennestään on tunnettua, että titaaninitridipinnoitteen valmistamiseen soveltuvat ns. CVD (Chemical Vapor Deposition)- ja PVD (Physical Vapor Deposition)-mene-10 telmät. CVD-prosessit ovat nykyään laajassa teollisessa käytössä pinnoitettaessa kovametallista valmistettuja lastuavan työstön teriä. CVD-prosessi edellyttää kuitenkin varsin korkeita lämpötiloja (jopa 1000°C tai yli), koska pinnoitus perustuu pinnoitteen synnyttämiseen kemiallisella reak-15 tiolla kaasumaisista lähtöaineista. Tällöin esim. karkaistun teräksen pinnoittaminen muodostuu vaikeaksi ja edellyttää ylimääräistä lämpökäsittelyä perusaineen lujuuden säilyttämiseksi. Lisäksi prosessin kaasut (esim. kloori) saattavat reagoida perusaineen kanssa ja korkeissa lämpötiloissa 20 voi esiintyä myös hiilenkatoa.

Mainituista seikoista johtuen on kiinnitetty runsaasti huomiota matalammissa lämpötiloissa toimivien PVD-prosessien kehittämiseksi. Merkittävistä edistysaskeleista huolimatta nämä menetelmät eivät toistaiseksi ole levinneet laajaan 25 teolliseen käyttöön kulutusta kestävien kappaleiden pinnoituksessa. Yleisimpiä PVD-menetelmiä titaaninitridipinnoi-tuksessa ovat ns. sputterointimenetelmät (Thornton, 1981), aktivoidut reaktiiviset höyrystysmenetelmät (Bunshah, 1981) sekä ionipinnoitusmenetelmät (Matthews, 1980).

30 Ongelmana PVD-menetelmiä sovellettaessa on ollut, ettei prosessimuuttujia ole kyetty muutamia poikkeuksia lukuun- 2 66656 ottamatta toistaiseksi hallitsemaan teollisen tuotannon edellyttämällä tavalla. Myös kappalekoko on ollut ongelma. Lähinnä on pystytty käsittelemään pieniä koekappaleita tai pieniä työkaluja.

5 Oleellista mainittujen PVD- tai hohtopurkausmenetelmien soveltamisessa on plasman hyväksikäyttö pinnoitteen muodostamiseksi tarvittavien reaktioiden aikaan saamiseksi. Jotta työkappaleen pinnalle saataisiin alhaisessa lämpötilassa tiivis titaaninitridikerros, on työkappaleelle saatava ai-10 kaan sopivan suuruinen ionivirran tiheys ja tasainen pinnoitteen kasvunopeus. Tämän aikaansaamiseksi on hohtopur-kausta tehostettava ja titaani-ionien sekä -atomien törmäys-tiheys tasoitettava kappaleen eri osille. Mikäli esimerkiksi pinnoitteen kasvunopeus on liian suuri, saattaa pinnoittees-15 sa esiintyä huokoisuutta ja kovuus jäädä pieneksi (Kennedy ja Scheuermann, 1975).

Hohtopurkauksen tehostamiseksi on käytetty erilaisia menetelmiä, kuten matalajännite-elektronisuihkun elektroniemis-siota (Moll ja Daxinger, 1980), ylimääräisiä kuumia elek-20 trodeja (Matsubara, 1976) sekä näitä yhdistettynä magneettikenttään (Tisone ja Cruzon, 1975). Samaan tarkoitukseen on esitetty myös ns. negatiivisen hehkulangan käyttämistä ioni-pinnoituksessa (Matthews, 1980). Mainittu menetelmä eroaa em. kuumista elektrodeista siinä, ettei erillistä positii-25 vista kohtiota (anodia) käytetä lainkaan.

Nyt käsillä olevassa keksinnössä hohtopurkauksen tehostamiseen käytetään negatiivista hehkulankaa ja poiketen perinnäisestä ionipinnoituksesta, jossa jännite on korkea (esim.

4 kV), on työkappaleen jännite keksinnön mukaisessa mene-30 telmässä vain 0 - 500 V. Itse työkappale toimii katodina, ja hohtopurkaus ympäröi mahdollisimman tarkkaan vain käsiteltävää kappaletta. Keksinnön mukaisessa menetelmässä hehkulangan lämpötilaa, negatiivista jännitettä runkoon nähden sekä virtaa säätämällä lisätään kaasuplasman elektroni- 3 66656 määrää, jolloin sen positiivisten ionien määrä myös kasvaa ja pienenkin negatiivisen jännitteen omaavalle katodille saadaan suuri ionivirta.

Keksinnön mukaisessa järjestelyssä on ionivirta säädettä-5 vissä riippumatta työkappaleen (katodin) jännitteestä, jolloin tätä jännitteen ylimääräistä säätömahdollisuutta voidaan käyttää tehon ja kappaleen lämpötilan tarkkaan säätöön pinnoituksen aikana.

Jotta pinnoitteen rakenne olisi pinnoitettavan kappaleen 10 eri osissa samanlainen, tulee pintaan saapuvien titaani- ja typpiatomien ja -ionien suhde olla sama eri kohdissa. Erityisesti tämä tulee kysymykseen käsiteltäessä suuria kappaleita. Keksinnön mukaisessa menetelmässä titaanin virtausta voidaan ohjata varjostimella, joka estää suoraan höyrystys-15 lähteestä saapuvien atomien saapumisen työkappaleen pinnalle. Typen ja titaanin suhdetta voidaan edelleen tasoittaa syöttämällä typpeä useasta eri pisteestä höyrystyslähteen läheisyydestä.

Keksinnön mukaisilla järjestelyillä eli negatiivisen hehku-20 langan, työkappaleen alhaisen jännitteen, suoran höyrystymisen estävän varjostimen sekä typen tasaisen virtauksen avulla voidaan ratkaisevasti parantaa ionipinnoituksella valmistettavien pinnoitteiden rakennetta sekä sen tasaisuutta eri puolilla työkappaletta.

25 Seuraavassa keksintö selitetään yksityiskohtaisesti oheiseen piirustukseen viittaamalla. Kuvio 1 esittää laitteistoa kaavamaisesti .

Menetelmässä työkappale 1 on kytketty ulkoisen tasajännitelähteen 2 katodiksi. Tyhjökammiossa 3 pinnoitettavan kappa-30 leen 1 ympärille muodostuu hohtopurkaus kammioon monirei-käisestä suulakkeesta 4 päästettävän typpi- tai typpi- ja argonkaasujen ionisoituessa. Hohtopurkausta tehostetaan 4 66656 ja laajennetaan kammiossa hehkulangalla 5. Titaani höyrys-tetäSn elektronisuihkuhöyrystimellä 6. Katodi ja hehkulanka ovat eristetyt kammion seinämistä läpivientien 7 avulla. Pinnoitus- ja elektronisuihkuhöyrystimen kammioiden paine 5 säädetään tyhjöpumppujen 8 avulla. Höyrystyslähteestä suoraan etenevien titaaniatomien törmääminen työkappaleeseen estetään varjostimella 9, joka voidaan asettaa rungon tai katodin potentiaaliin.

Pinnoitusprosessin aikana pidetään kammiossa 1... 10 m Torrin 10 (0/13...1/3 Pa) paine ja titaania höyrystetään tasaisesti pyrkien n. 0/5 ym/min kasvunopeuteen. Pinnoitteen kemiallista rakennetta voidaan säätää säätämällä typen osuutta kammiossa. Ionivirran tiheydellä 2 mA/cm sekä katodijännitteellä -300 V saadaan aikaan tiivis, pienirakeinen ja 15 kova TiN-pinnoite 400°C lämpötilassa.

Keksinnön mukainen menetelmä poikkeaa aiemmista siinä, että sillä voidaan säätää pinnoitettavan kappaleen lämpötilaa jännitettä säätämällä muuttamatta prosessin muita suureita. Samoin voidaan ionivirran tiheyttä, titaanin höyrystysno-20 peutta ja kammioon tuotavan typen määrää säätää toisistaan riippumatta, jolloin pinnoitteen kemiallisen koostumuksen ja mikrorakenteen säätely on mahdollista. Lisäksi keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan aikaan tasalaatuinen pinnoite monimutkaisenkin muotoisen työkappaleen kaikille pinnoille.

«

Claims (1)

1. 66656 Patenttivaatimus Menetelmä titaaninitridipinnoitteen valmistamiseksi hohto-purkausta hyväksikäyttäen, jolloin käsiteltävän työkappa-leen (1) jännite on alhainen (0-500 V), tunnettu siitä, että hohtopurkauksen tehostamiseksi käytetään negatiivisesti varattua hehkulankaa (5), ja höyrystyslähteestä (6) suoraan etenevien titaaniatomien saapuminen työkappa-leelle estetään varjostimella (9). Förfarande för framställning av en titannitridytbeläggning med hjälp av glimurladdning, varvid ytbieläggningsobjektets (1) spänning är lag (0-500 V),kännetecknat av att glimurladdningen intensifieras med hjälp av en negativt laddad glödträd (5), och de titanatomer som rör sig rätlinjigt ifrän titanevaporatorkällan förhindras med hjälp av en skugg-skärm (3) frän att nä ytbeläggningsobjektet.