NL7907163A - Werkwijze voor het opbrengen van harde, slijtvaste bekledingen op onderlagen. - Google Patents

Description

1 ♦ ΒΓ. 0.28.296

Werkwijze voor het ophrengen van harde, slijtvaste "bekledingen on onderlagen.

De onderhavige uitvinding heeft "betrekking op een werkwijze ter vervaardiging van slijtvaste, harde lagen op de basis van hardmetaalverbindingen. Het is bekend dergelijke bekledingen op onderlagen door vacuum opdampen of kathodenverstuiving in een re-5 actieve atmosfeer te vervaardigen, waarbij het reactiegas ter bevordering van de reactiviteit tegelijkertijd door een elektrische gasontlading wordt geprikkeld. Iets dergelijks is bij de kathodenverstuiving zonder dat aanwezig en bij andere opdampmethoden kan dit door middel van geschikte elektroden in de opdampruimte worden 10 uitgevoerd. Bijzonder geschikt voor de opdamping is de zogenaamde boogontlading met laag voltage gebleken, wanneer het er op aankomt, " een te sterke verwarming van het substraat te vermijden. Vanwege de bijzonder sterke activering van de reactiecomponenten in de boog met lage spanning verkrijgt men namelijk een toereikende reactie 15 ook op gekoelde onderlagen, wat bij andere met ionen ondersteunde, reactieve opbrengingsmethoden vaak niet het geval is.

Bekend is in het bijzonder het opdampen van titaan in stikstof om harde,.slijtvaste liïl-lagen te verkrijgen, die vanwege hun glans en goudkleurig uiterlijk onder andere ook voor sieraden en voorwer-20 pen van dagelijks gebruik kunnen worden toegepast. Voorts is het bekend harde, slijtvaste lagen door opdampen van titaan in ethyn of etheen te vervaardigen, waarbij de titaanverdamping door middel van een elektronenstraal plaats heeft en bovendien elektrische velden voor de activering van de restgasatmosfeer in de opdampruimte 25 worden toegepast. Een nadeel van deze werkwijze is echter gelegen in de relatief hoge temperatuur (bijna 1000 graden), waarop de te bekleden onderlagen daarbij verhit worden. Vele materialen verdragen een dergelijke verhitting niet en in deze gevallen komt dus de vermelde werkwijze niet in aanmerking.

30 Een soortgelijke werkwijze hesft betrekking op de kathoden verstuiving van titaan in koolwaterstoffen onder bijmenging van stikstof, waarbij een condensaat uit mengkristallen van titaan-carbide-titaannitride ontstaat. Dergelijke lagen zijn eveneens hard en tegen slijtage bestand, evenwel vanwege hun carbidgehalte gevoe-35 lig voor oxydatie, in het bijzonder wanneer de lagen bij een later gebruik aan hogere temperaturen worden blootgesteld, zoals dit bijvoorbeeld bij beklede sneden van gereedschap het geval is.

790 71 δ 3 α· 2 Φ* kan de onderhavige uitvinding ligt het probleem ten grondslag een werkwijze aan te geven voor de vervaardiging van slijtvaste, harde lagen, in het bijzonder op een basis van hardmetaalverbin-dingen van titaan, zirkoon en hafnium, die betrouwbaar en econo-5 misch is en lagen geeft, waarvan de gevoeligheid ten opzichte van' oxydatie aanzienlijk verminderd is.

De werkwijze volgens de uitvinding voor het opbrengen van harde, slijtvaste bekledingen door neerslagen daarvan in een stikstof bevattende restgasatmosfeer. onder gelijktijdige activering 10 van het restgas door' een elektrische gasontlading wordt gekenmerkt, doordat het opbrengen in een stikstof, zuurstof- en koolstof bevattende restgasatmosfeer plaats heeft, waarbij de atoomverhouding van zuurstof tot koolstof binnen het traject van 0,5 tot 1,5 ligt; bij voorkeur wordt als koolstof leverende restgascomponent kool-15 stofmonoxide toegepast en heeft het opbrengen in een elektrische boogontlading van lage spanning plaats, waarbij het te bekleden werkstuk respectievelijk hun ondersteuning ervan ten opzichte van de wand van de bekledingsruimte op een negatieve spanning van ongeveer 200 volt worden gebracht, evenwel zijn ook daarvan aanzien-20 lijk afwijkende substraatspanningen veelal bruikbaar en geschikt.

Om de boog met lage spanning ook bij relatief geringe concentratie van de reactieve gassen in de opdampruimte in stand te kunnen houden, kan de restgasatmosfeer bovendien argon of een ander neutraal -4 -5 gas met een partiële druk tussen ongeveer 5 ï 10 en 3 i 10 be~ 25 vatten.

De werkwijze volgens de uitvinding geeft lagen, die uit meng-kristallen van hardmetaalverbindingen bestaan, onder andere bijvoorbeeld uit titaancarbide, titaannitride en titaanoxide, waarbij, wanneer het reactieve opbrengingsproces wordt toegepast, de overeen-5^ komstige hardmetaalverbindingen eerst tijdens de opbrengingswerk-wijze door reactie van het verdampte metaal met de restgasatmosfeer gevormd worden. Het was zoals vermeld bekend elke afzonderlijke van de genoemde hardmetaalverbindingen door reactie opbrengen onder een verminderde druk te bereiden, dus bijvoorbeeld TiET door verdamping 35 van titaanmetaal in een stikstofatmosfeer, titaancarbide door verdamping in een koolwaterstofatmosfeer en tenslotte titaanoxide door middel van een zuurstofatmosfeer. Daarbij is een zeer nauwkeurige regeling en het constant houden van de druk van de reactieve component van het restgas vereist, wanneer men gelijkblijvende lagen wil 40 verkrijgen, omdat reeds relatief geringe afwijkingen van de vooraf 790 7 1 6 3 3 % berekende waarde naar boven vanwege inbouw van gas in de lagen tot e zachte lagen leiden, daarentegen een te geringe partiële druk van de reactieve component vanwege te geringe concentratie ervan tot een afwijking van de gewenste chemische samenstelling.

5 Yoor het reactief opbrengen van mengsels (mengkristallen) was, afgezien van het vermelde geval van de kathodenverstuiving van titaan in een stikstof-koolwaterstofmengsel, tot dusverre geen praktisch uitvoerbaar proces bekend geworden.

Hierna zal de uitvinding aan de hand van enkele uitvoerings-10 voorbeelden nader worden toegelicht. De bijgevoegde tekening laat eerst een voor de uitvoering van de uitvinding geschikte opdamp-inrichting zien. Daarin stelt 1 een vacuum ruimte met een evacue-ringsaansluiting 8 voor, die door een opening 18 in het wandgedeelte 9 met een gloeikathoderuimte 13 verbonden is. In de laatstgenoemde 15 is de gloeikathode 19 ondergebracht, die door een niet getekende stroomverzorgingsinrichting gevoed wordt. Op de bodem 7 van de op-dampruimte bevindt zich de (eventueel koelbare) kroes 6 voor het te . verdampen metaal. In de opdampruimte is een cilindermantelvormige vasthoudinrichting 2 voor de opname van het te verdampen susbstraat 20 3 opgesteld. De gloeikathocfcuimte bezit voorts een gastoevoer, die door de klep 12 kan worden geregeld. Yoor het opwekken van een aan de hartlijn van de opdampruimte ongeveer evenwijdig magneetveld is een magneetspoel 15 aangebracht. De te bekleden werkstukken worden aan de naar de dampbron 6 toegekeerde zijde van de vasthoudinrich-25 ting 2 bevestigd.

Ter vervaardiging van bekledingen volgens de uitvinding werd in de kroes 6 titaanmetaal in de vorm van stukken gebracht, vervolgens —6 werd de inrichting tot 10- kPa geëvacueerd en vervolgens werd een argon, stikstof en koolstofmonoxide bevattend gasmengsel via klep 2 30 in 1 ingevoerd en daaruit continu via de zuigaansluiting 8 in een zodanige hoeveelheid weggepompt, dat in de gloeikathodekamer een druk van ^ x 10 kPa en in de opdampruimte een totale druk van ongeveer 10“4 kPa in stand werd gehouden (Men kan echter ook door middel van een sparende behandeling van -de gloeikathode in de gloei-35 kathoderuimte alleen argon en in de opdampruimte de reaatieve gassen via klep 16 gescheiden toevoeren, zodat in de laatstgenoemde tijdens het opdampen de vereiste reactieve restgasatmosfeer in een mengsel met argon overheerst, waarvan de druk door continu wegpompen op een optimale waarde kan worden ingesteld). De op aardpotentiaal gelegen 40 gloeikathode werd met 1,5 kV verhit en daarop werd een spanning van 790 7 1 6 3 4 r + 70 volt aan de anode en van - 50 volt als voorspanning (hulp- r spanning) aan de substraten aangebracht. Door een korte tijd aanbrengen van de anodespanning aan de scheidingswand 9 tussen de gloei-kathoderuimte 15 en de opdampruimte 1 kon dan de boog met lage span-5 ning ontstoken worden (de voorafgaande en alle volgende spannings-aanduidingen hebben steeds betrekking op spanningsverschillen ten opzichte van de zich op aardpotentiaal bevindende ruimtewand). Er ontstond een via de gloeikathode gaande stroom van 85 A. De over de anode gaande stroom bedroeg 100 A. Het verschil tussen de beide 10 stromen geeft de stroom aan, die via de substraten gaat. Door de op de kroes 6 als anode gaande stroom werd het daarin aanwezige titaan gesmolten en verdampt met een snelheid van ongeveer 0,4 S per minuut. Onder de inwerking van het door de boogontlading met lage spanning tussen de gloeikathode en de anode sterk geïoniseerde 15 restgas verkreeg men op de op de drager 2 bevestigde substraten een harde, zeer sterk hechtende laag van een geelachtige kleur. In verschillende uitvoeringsvoorbeelden, waarbij telkens een zodanige titaanverdampingssnelheid werd ingesteld, dat op een proefglas per minuut een neerslag met een dikte van 0,33^um werd verkregen en 20 waarbij de substraatspanning steeds - 50 volt bedroeg, werden bekledingen met verschillende tinten verkregen, die alle een buitengewoon grote slijtageweerstand bezaten.

1. Voorbeeld : met P^ = 2 x 10“^ kPa/P^Q = 1 x 10”^ kPa 2. Voorbeeld : met P^ = 2 x 10""·? kPa/P^Q = 2 x 10*"^ kPa 25 5· Voorbeeld : met Pjj = 2,5 x 10~^ kPa/P^Q -3 x 10™^ kPa 4. Voorbeeld : met P^ = 3 x 10“^ kPa/PC0 = 4 x 10“^ kPa 5. Voorbeeld : met P.^ = 3»5 x 10“^ kPa/P^Q = 4>5 x 10”^ kPa

Bekledingen van dit type zijn in het bijzonder voor gereedschappen en gebruiksvoorwerpen geschikt gebleken; bijvoorbeeld kon 50 daarmee de gebruiksduur, van boren met meer dan de factor 2 verhoogd worden.

Voor de 0 en C bevattende componenten van het restgas worden naast het in de voorbeelden vermelde vermelde koolstofmonoxide voor de uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding verbindingen 55 respectievelijk gasmengsels in het bijzonder aanbevolen, waarbij, in atoomnummerverhouding uitgedrukt, de zuurstof-koolstofverhouding bij 1s1 of daaronder ligt, bijvoorbeeld (CH^ + HgO) of (CgHg + 0 en overeenkomstige koolwaterstoffen in een passende menging met CL of zuurstof bevattende verbindingen.

7S0 716 3 5 '>»

De hiervoor vermelde aanduidingen van de druk dienen niet als absoluut aan te houden waarden te worden Asrstaan, maar als die waarden, waarmee de voor de uitvoeringsvoorbeelden gebruikte op-dampriehting optimale resultaten gaf; afhankelijk van de inrichting 5 kunnen de meest gunstige waarden verschillen vertonen tot ±-25 %·

Het kan ook doelmatig zijn eerst een groot potentiaalverschil tussen anode en substraten toe te passen om een grotere energie van de het substraatoppervlak treffende deeltjes en daarmee een betere verankering en slijtweerstand te bereiken, echter geleidelijk daarna tij-10 dens het opbrengen van verdere deellagen van de bekleding het potentiaalverschil te verkleinen.

Bij de vervaardiging van de bekledingen volgens de uitvinding kon de temperatuur van de ondergrond steeds beneden 200°C worden gehouden, meestal zelfs aanzienlijk lager. Er werden hoogglanzende 15 bekledingen verkregen wanneer de te bekleden vlakken vooraf gepolijst waren; een nabehandeling was niet vereist. De hardheid bedroeg bij _2 alle bekledingen meer dan 2000 kp mm , gemeten volgens de Yickers-methode.

Omdat door het opdampen de reactieve restgascomponenten continu 20 verbruikt worden, is het voor het constant houden van de vereiste partiële druk noodzakelijk, het verbruikte reactieve gas voortdurend of intermitterend te suppleren. Opk in de gloeikathoderuimte moet continu zoveel gas (bij voorkeur argon) worden ingevoerd, dat de van de gemiddelde vrije weglengte van de gasmoleculen afhanke-25 lijke kathodevalafstand voor wat de ordegrootte betreft gelijk is aan de afstand tussen de gloeikathode 3 en de scheidingswand 15·

Het verdient aanbeveling de scheidingswand met de opening tussen de gloeikathoderuimte en de opdampruimte elektrisch te isoleren en bij de uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding op een zwevende 30 potentiaal te houden. De verdampingskroes kan op een positieve of aardpotentiaal gehouden worden, waarbij dan de kathode op de aard-potentiaal respectievelijk.-.negatieve potentiaal wordt gesteld.

Ook een toepassing, waarbij zowel de kathode alsook het te verdampen materiaal op een positieve potentiaal tegenover de massa wordt 35 gehouden is mogelijk. De op te dampen ondergrond bevindt zich op een ten opzichte van de anode negatieve potentiaal en kan bovendien tijdelijk (in het bijzonder intermitterend) als kathode van een zelfstandige gasontlading geschakeld worden.

790 71 S3

Claims (5)

1. Werkwijze voor het opbrengen van harde, slijtvaste bekledingen op een ondergrond door verdamping van een metaal in een stikstof bevattende restgasatmosfeer onder gelijktijdige activering 5 van het restgas door een elektrische gasontlading, waardoor op de ondergrond een verbinding wordt opgebracht, met het kenmerk, dat men het opbrengen in een stikstof, zuurstof en koolstof bevattende restgasatmosfeer uitvoert, waarbij de atoomverhouding van zuurstof tot koosltof binnen het traject van 0,5 tot 1,5 ligt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het ken merk, dat men een restgasatmosfeer toepast, die koolstofmonoxide bevat.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men titaan verdampt. 15 4· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, m e t het ken merk, dat men zirkoon verdampt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men hafnium verdampt.

6. Werkwijze volgens conclusies 1 tot 5 > m e t het ken- 20 merk, dat men het opbrengen uitvoert onder toepassing van een elektrische boogontlading van lage spanning. 790 7 1 6 3