NL8420153A

NL8420153A - Werkwijze en inrichting voor het introduceren van normaliter vaste materialen in oppervlaktesubstraten.

Info

Publication number: NL8420153A
Application number: NL8420153A
Authority: NL
Original assignee: Lau Pauline Y; Lau Roland L
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-24
Publication date: 1985-04-01
Also published as: EP0146595A4; GB8501735D0; SE457001B; EP0146595B1; DE3490250T1; SE8500364L; WO1984004761A1; SE8500364D0; GB2150602A; GB2150602B; JPS60501416A; AU2967084A; US4520268A; AU580734B2; EP0146595A1; BR8406913A; CA1212486A; JPH0551663B2

Description

s g k 'l ‘4 [ VO 7 021

Betr.: Werkwijze en inrichting voor het introduceren van normaliter vaste materialen in oppervlaktesubstraten.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op het introduceren van normaliter vaste metalen en metaloïden in oppervlakken van elektrisch geleidende substraten- De uitvinding wordt bij voorkeur toegepast voor oppervlaktelegering van metaalsubstraten. Er wordt zowel in ' 5 een werkwijze als een inrichting voorzien voor het tot stand brengen van een permeatie van elektrisch geleidende oppervlakken door ionen van normaliter vaste materialen.

Het is sedert lange tijd commercieel gewenst elektrisch geleidende substraten en meer in het bijzonder metalen substraten te modi-10 fieren door in een oppervlaktegedeelte van de substraat normaliter vaste metalen en metaloïden te introduceren en dit is tot nu toe geschied door bijvoorbeeld dompelprocedures, door de substraat te omgeven met een poeder van het te introduceren metaal en de substraat daarna in een oven ' te verhitten, of door andere methoden, welke moeilijk zijn, weinig 15 echte regeling van het introduceren van het metaal of metaloïde verschaffen, en niet praktisch zijn wanneer dure metalen, zoals wolfraam, moeten worden geïntroduceerd. Het introduceren van metalen in substraatopper-vlakken is ook geschied onder gebruik van de ionenbundel en de laser, doch dergelijke benaderingen vereisen dure inrichtingen en zeer veel ver-20 mogen en worden in elk geval beperkt tot de behandeling van zeer kleine oppervlaktegebieden, zoals bij de vervaardiging van microketens. De bezwaren van deze bekende methoden worden geëlimineerd wanneer het in de substraat te introduceren-materiaal normaliter gasvormig is, bijvoorbeeld wanneer stikstof moet worden geïntroduceerd. Derhalve heeft ionennitre-25 ring plaats gevonden wanneer grote substraatoppervlakken moeten worden behandeld, zoals bijvoorbeeld is beschreven in "Hitriding, Sintering and Brazing by Glow Discharge", Claude K. Jones e.a,, Metal Progress, februari 19ókt Er bestaat evenwel een voortdurende vraag naar een werkwijze en inrichting, waarmede het mogelijk is metalen en metaloïden op een econo-30 mische wijze in een oppervlak van de geleidende substraat, meer in het bijzonder wanneer de substraat uit metaal bestaat, of een groot oppervlak heeft, dat moet worden behandeld, of wanneer het substraatoppervlak, dat moet worden behandeld, gebogen óf onregelmatig is in plaats van vlak, of 8420153 r Ϋ ? • - 2 r- wanneer het metaal, dat in de substraat moet worden geïntroduceerd, een hoog smeltpunt heeft of duur is, te introduceren.

Een algemeen doel van de uitvinding is het verschaffen van een verbeterde werkwijze en inrichting voor het introduceren van tenminste 5 één normaliter vast -metaal of metaloïd in een elektrisch geleidende substraat zonder dat gebruik behoeft te worden gemaakt van dure hoogspan-ningsvoedingsbronnen of hoogvacuumomstandigheden.

Een ander doel is het verschaffen van een dergelijke werkwijze en inrichting, waarbij ionen van metalen en metaloïden in relatief gro-10 te substraatoppervlakken kunnen worden geïntroduceerd.

Een verder doel is het verschaffen van een dergelijke werkwijze en inrichting, waarbij substraatoppervlakken, welke zijn gebogen, zoals het binnenoppervlak van een reactorvat, kunnen worden behandeld.

Een verder doel is het verschaffen van een dergelijke werkwijze 15 en inrichting, waarmede de hoeveelheid materiaal, welke wordt geïntroduceerd, en de introduetiediepte kunnen worden geregeld.

Weer een ander doel is het verschaffen van een dergelijke werkwijze, welke kan worden uitgevoerd in een conventionele uitrusting, zoals bijvoorbeeld een gemodifièerde conventionele ionennitreeroven.

20 Een weer ander oogmerk is het verschaffen van een dergelijke werkwijze, waarbij een aantal normaliter vaste materialen in één handeling in een substraatoppervlak kan worden geïntroduceerd.

Een ander doel is het verschaffen van een economische werkwijze en inrichting voor oppervlaktelegering van een metalen substraat op een 25 zodanige wijze, dat nitrering van het oppervlakte gelegeerde deel voorziet in een grotere verbetering'in hardheid.

Overeenkomstig uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding, wordt voorzien in een afgesloten kamer, waarin de atmosfeer en de druk kunnen worden geregeld en welke een anode omvat; de substraat 30 wordt als een kathode met een oppervlak, dat naar het inwendige van de kamer vrij is en op een afstand van de anode opgesteld; een bronelektrode, voorzien van een lichaam van het metaal of metaloïd, dat in de substraat moet worden geïntroduceerd, waarbij dit lichaam in de kamer vrij is op een plaats, wélke zich op een afstand van de anode en de substraat bevindt; 35 de kamer wordt geëvacueerd en een atmosfeer van inert gas bij een druk, welke niet groter is dan 10 torr, daarin wordt gevormd; gelijkspannings-verschillen tussen de anode en de kathode en tussen de anode en de bron- 8420153 - 3 - t * * elektrode worden aangelegd om. een dubbele glimontlading te veroorzaken, waarbij êén glimontlading optreedt tussen de anode en de kathode en de andere tussen de anode en de bronelektrode, waarbij de dubbele glimontlading gedurende tenminste vijftien minuten wordt onderhouden; het 5 oppervlaktegedeelte van de substraat op een hoge temperatuur, welke het deformatiepunt niet overschrijdt, wordt gehouden; en het lichaam van materiaal, dat in de substraat moet worden geïntroduceerd, op een temperatuur wordt gehouden, welke gelijk is aan tenminste h0% van het smeltpunt, doch onder het kookpunt van het materiaal. Uitvoeringsvormen van de in-10 richting zijn gekenmerkt door organen voor het opwekken en onderhouden van een dubbele glimontlading en organen buiten de kamer om het lichaam van materiaal, dat in de substraat moet worden geïntroduceerd, te verhitten.

. Fig. 1 is een schema van een uitvoeringsvorm van een inrichting 15 van het laboratoriumtype volgens de uitvinding;

Fig. 1A is een vergrote dwarsdoorsnede van een andere uitvoeringsvorm van de bronelektrode ten gebruike bij de inrichting;

Fig. 2 is een grafische voorstelling van de concentratie van wolfraam op verschillende diepten in de substraat wanneer een uitvoe-20 ringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding wordt uitgevoerd;

Fig. 3 is een microfoto van een ferrosubstraat, waarin overeenkomstig de werkwijze wolfraam is geïntroduceerd;

Fig. b is een schema overeenkomende met fig. 1 van een inrichting, welke bestemd is voor het gelijktijdig introduceren van twee me-25 talen in een enkele substraat;

Fig, 5 is een fragmentarische half schematische afbeelding van een gedeelte van de inrichting volgens fig. 1, bestemd voor het behandelen van het sferische oppervlak van een kogelgevrichtonderdeel; en

Fig. 6 is een afbeelding overeenkomende met fig. 1 van een 30 uitvoeringsvorm van de inrichting, waarbij een groot, in het algemeen coneaaf oppervlak moet worden gelegeerd.

Ruim gesproken omvatten uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding het voorzien van een afgedichte kamer, waarin de atmosfeer en druk kan worden geregeld. De kamer wordt voorzien van een 35 anode en de elektrisch geleidende substraat, welke bij voorkeur eerst vooraf is gereinigd, wordt als de kathode opgesteld, waarbij tenminste dat oppervlak, dat moet worden behandeld, vrij is naar het inwendige van 8420153 5? ï - k - de kamer. Derhalve kam de substraat zich geheel in de kamer bevinden of kan deze een gedeelte van de kamerwand vormen. Een lichaam van het metaal of metaloïde, dat in de substraat moet worden geïntroduceerd, wordt in de kamer als een tussengelegen of bronelektrode of als een deel van 5 deze elektrode opgesteld. De kamer wordt geëvacueerd tot een druk onder 0,01 torr en daarna gereinigd en gevuld met een inert gas, bij voorkeur argon of helium, teneinde in de kamer een inerte atmosfeer bij een druk van 0,1 - 10 torr te verschaffen. In het begin wordt de druk van het inerte gas laag gehouden, in het gebied van 0,1 - 1 torr, teneinde de 10 kans op beschadiging van het substraatoppervlak door' boogontladingen, die kunnen optreden, indien het substraatoppervlak enig vreemd restmateriaal omvat, tot een minimum terug te brengen. Nadat het substraatoppervlak schoon is,. wordVverder inert gas in de 'kamer gebracht, en wordt de druk van de atmosfeer, bij voorkeur tot tenminste' 1 torr verhoogd. 15 Tussen de anode en de kathode wordt een gelijkspanningsverschil aangelegd, 'dat tenminste gelijk is aan de glimontladingsbeginspanning voor de bepaalde atmosfeer en druk, zodat tussen de anode en de kathode een glimontlading optreedt, en deze glimontlading wordt onderhouden. Voor substraten met relatief kleine oppervlakken zal de glimontlading het gehe-20 le oppervlak direkt beïnvloeden. Voor relatief grote substraten met een relatief complex oppervlak, zal de glimontlading initieel optreden bij een gedeelte van het oppervlak van de substraat en zich daarna uitbreiden om. het gehele oppervlak te bestrijken. In alle gevallen veroorzaakt de glimontlading, dat de substraat met positieve ionen van de inerte atmos-25 feer wordt gebombardeerd en door een dergelijk ionenbombardement wordt het oppervlaktegedeelte van de substraat tot een hoge temperatuur verhit, Een ander effect van de glimontlading is, dat het vrije oppervlak van de substraat wordt gereinigd,

De temperatuur waartoe het oppervlaktegedeelte van de substraat 30 door het ionenbombardement tengevolge van de glimontlading wordt verhit is afhankelijk van de samenstelling van de substraat, de gewenste ionen-permeatiediepte, de tijd, welke voor de behandeling beschikbaar is, en andere variabelen. Voor alle substraatmaterialen moet de temperatuur het deformatiepunt niet overschrijden. Voor metalen substraten moet de tem-35 peratuur tenminste 3Q0° C bedragen indien binnen een redelijke tijd een . metaal- of metaloïdionenpermeatie moet worden verkregen. Voor niet-meta-len substraten, .zoals bij elektrisch geleidende polymeersubstraten, dient 8420153 * < - 5 - de temperatuur tenminste 100° C te zijn.

In het begin of nadat niet langer boogontladingssalvo's in de glimontlading worden waargenomen, wordt de gelijkspanning verhoogd om de glimontlading in het abnormale gebied te drijven en wordt een twee-5 de gelijkspanningsverschil van dezelfde polariteit als het eerste tussen de anode en de bronelektrode aangelegd, welk potentiaalverschil kleiner is dan dat over de anode-kathodespleet, doch tenminste gelijk is aan de beginspanning voor het anode-bronstelsel. Wanneer de beide potentiaalverschillen zijn aangelegd en wanneer de glimontlading in het abnormale ge-10 bied blijft bestaan, is het resultaat een dubbele glimontlading, waarbij een glimontlading optreedt tussen de anode en de bronelektrode, en de tweede tussen de anode en de kathode. Over de bronelektrode wordt ook een wisselspanning aangelegd om te veroorzaken, dat door het lichaam van metaal of metaloid, dat moet worden geïntroduceerd, een wisselstroom vloeit, 15 zodat het te introduceren metaal of metaloid door zowel het ionenbombardement als door weerstandsverhitting wordt verhit tot een temperatuur, welke gelijk is aan tenminste h0% van het smeltpunt, doch onder het kookpunt van het metaal of het metaloid bij de druk van de inerte atmosfeer is gelegen.

20 Men laat de glimontlading gedurende tenminste één minuut be staan, afhankelijk van de aard en de afmeting van de substraat, de samenstelling en de druk van de inerte atmosfeer, en de elektrode-afstand, voordat het hoofdspleetpotentiaalversch.il wordt vergroot voor het tot stand brengen van de abnormale giimontladingsmodus. De beginspanning is 25 meer in het bijzonder van de orde van 250 - ^50 V en na het begin van de glimontlading kan het potentiaalverschil eenvoudig worden vergroot totdat de dubbele glimontlading wordt waargenomen en kan daarna verder worden vergroot. Een potentiaalverschil van 300 - 1000 V is bijzonder gunstig.

De wisselspanning voor weerstandsverhitting van. het metaal of metaloid, 30 dat in de substraat moet worden gelntoduceerd, is afhankelijk van het bepaalde metaal of metaloid, de fysische vorm van de bronelektrode (bijvoorbeeld van het feit of de elektrode bestaat uit een draad van het metaal of metaloid, dat moet worden geïntroduceerd, of dat gebruik wordt gemaakt van een ondersteuning voor het metaal of metaloid), en van de te 35 bereiken temperatuur. Wanneer derhalve de bronelektrode bestaat uit een zelf-dragende, schroefvormige wolfraamdraad met een betrekkelijk kleine diameter, kan de wisselspanning 1 - 20 V, meer in het bijzonder bij 8420153 f 5 -βίο - 50 A zijn om de wolfraamdraad tot de witgloeitemperatuur te brengen. Bij voorkeur wordt de weerstandsverhitting voortgezet over de gehele be-handelingsperiode, d.w.z. door de gehele behandeling volgens de dubbele glimontladingsmodus. De gelijkspanning tussen de bronelektrode en de ka-5 thode is bij voorkeur kleiner dan de beginspanning voor de glimontlading onder de omstandigheden van de inrichting en de gebruikte inerte atmosfeer. De tijd gedurende welke de dubbele glimontlading wordt onderhouden is afhankelijk van de diepte waartoe de metaal- of metaloïdionen de substraat moeten binnendringen, de aard van het metaal of het metaloïd, 10 dat moet worden geïntroduceerd, en de temperatuur waartoe dit metaal of metaloïd wordt verhit, en de aard, temperatuur en afmeting van de substraat. Voor een kleine substraat en een geringe penetratie door het geïntroduceerde metaal kan de tijd bijvoorbeeld 15 minuten bedragen. Voor grote substraten en diepe binnendringing kan de tijd tien uur of meer 15 bedragen, waarbij de bovengrens door economische overwegingen wordt bepaald.

De dubbe-le glimontlading kan worden waargenomen als één glimontlading bij de kathode en een tweede glimontlading bij de bronelektrode, waarbij de lengte van de gebieden van de twee glimontladingen klein zijn 20 vergeleken met de elektrode-afstand, De gebieden waarin de glimontladingen worden waargenomen zijn gebieden met een groot potentiaalverschil. De glimontlading bij de kathode veroorzaakt, dat de substraat met positieve ionen van het inerte gas en van het metaal of metaloïd wordt gebombardeerd, waardoor de substraat wordt verhit. De glimontlading bij de 25 bronelektrode veroorzaakt, dat het metaal of metaloïd bij deze elektrode - het in de substraat te introduceren materiaal - eveneens wordt gebombardeerd door positieve ionen van het inerte gas, zodat het materiaal ook wordt verhit, hetgeen bijdraagt tot de weerstandsverhitting om het metaal of metaloïd tot de gewenste hoge temperatuur te brengen. Wanneer het te 30 introduceren materiaal zich nu op de hoge temperatuur daarvan bevindt, veroorzaakt het bombardement van dit metaal of metaloïd door positieve ionen van het inerte gas, dat positieve ionen van het metaal of metaloïd uit de bronelektroden worden geëmitteerd. Onder dubbele glimontladings-omstandigheden worden positieve ionen, die op deze wijze uit de bron-35 elektrode worden geëmitteerd, naar de substraat gevoerd, welke de negatieve lading van een kathode heeft*. Het verschil in lading tussen de positieve ionen, en de substraat leidt tot een heftig bombardement van het 8420153 * i r- T - verhitte substraatoppervlak door de positieve ionen van het metaal of metaloid, met het gevolg, dat de ionen in het oppervlak dringen.

Ofschoon de details van het verschijnsel nog niet volledig duidelijk zijn, wordt gemeend, dat hij het doordringen van het substraatoppervlak, de 5 positieve ionen uit de elektrische stroom de elektronen verkrijgen, welke aan de positieve ionen ontbreken, zodat de ionen direkt in atomen worden omgezet. Een initiële penetratie bij de energie van het bombardement is gering, waarschijnlijk slechts tot een diepte, welke gelijk is aan slechts enige malen de afmeting van het betreffende atoom. Het voort-10 zetten van de dubbele glimontlading en het onderhouden van de hoge temperaturen van de bronelektrode en het substraatoppervlak veroorzaken evenwel, dat positieve ionen continu aan de substraat worden toegevoerd en dat, waar de substraat zich op de hoge temperatuur daarvan bevindt, de geïntroduceerde atomen door de gehele substraat onder de initiële 15 laag diffunderen tot een diepte van bijvoorbeeld 100 micron of meer, waarbij uit een onderzoek door metallografie of analyse door een elektronensonde een concentratiegradiënt aanwezig blijkt te zijn, waarbij de concentratie aan het oppervlak groter is en die bij de permeatiegrens het kleinst is. Concentraties van het metaal of metaloid, groter dan 20 2Q% van het gewicht van dat gedeelte van de substraat, dat door het ge ïntroduceerde metaal of metaloid wordt ingenomen, zijn verkregen.

Door gebruik te maken van twee of meer bronelektroden, die elk een verschillend te introduceren materiaal omvatten, kan de werkwijze worden uitgevoerd om twee of meer verschillende metalen of metaloxden 25 gelijktijdig in dezelfde substraat te introduceren. In dat geval treden wanneer het hoofdspleetpotentiaalverschil eenmaal op een adekvate wijze is verhoogd om te veroorzaken, dat de glimontlading zich in het abnormale gebied bevindt, glimontladingen tussen de anode en de kathode en tussen de anode en elke bronelektrode op.

30 Ofschoon de uitvinding kan worden gebruikt, voor het introduceren van ionen van tenminste êên normaliter vast metaal of metaloid in een elektrisch geleidende substraat, welke kan worden doordrongen door ionen met grote snelheid onder de meervoudige glimontladingsomstandigheden, is de uitvinding bijzonder gunstig voor een oppervlaktelegering van metalen 35 substraten en kan de substraat bestaan uit een metaal, zuiver of gelegeerd, met een smeltpunt, dat zo hoog ligt, dat de substraat bij de temperatuur waartoe de substraat door de flimontlading wordt verhit, de 8420153 .-8-

. ir V

vaste toestand daarvan behoudt .Voor commerciële doeleinden is het ge?· bruik van de werkwijze en inrichting voor een oppervlaktelegering van metalen ferrosubstraten bijzonder belangrijk. De keuze van het metaal of metaloïd, dat moet worden geïntroduceerd, wordt slechts begrensd door \ 5 dié metalen-en metaloïden, welke normaliter vast zijn. Bijzonder gunstige materialen, welke in metalen substraten kunnen worden geïntroduceerd, zijn aluminium, chroom, cobalt, koper, germanium, goud, ijzer, lood, mangaan, molybdeen, nikkel, niobium, platina, silicium, tantaal, techni-tium, titaan, wolfraam, uraan, vanadium, zirkoon en de lanthaniden.

10 De werkwijze onderscheidt zich van de bekende werkwijzen door dat volgens de werkwijze op een economische wijze in het oppervlak van een elektrisch geleidende substraat een of meer metalen of metaloïden kunnen worden geïntroduceerd zonder een beperking ten aanzien van het te behandelen substraatoppervlak. Een bijzonder belangrijke onderschei-15 dende eigenschap van de werkwijze is het vermogen daarvan om in substraten zelfs metalen en metaloïden met hoog smeltpunt te introduceren en dit te doen geschieden zonder dat grote en dure energiebronnen en extreme procesomstandigheden nodig zijn. Bovendien heeft de werkwijze het voordeel, dat de werkwijze goed regelbaar is. Derhalve kan de permeatie-20 d iepte van het metaal of de metaloïden in de substraat worden geregeld door de temperatuur van de substraat en de energie en de duur van de dubbele glimontlading te regelen, terwijl de hoeveelheid geïntroduceerd materiaal kan worden geregeld door de temperatuur van de bronelektrode, de energie van de glimontlading en de behandelingsperiode te regelen.

25 Verrassenderwijze wordt, ofschoon wordt gemeend, dat de glimontlading niet slechts positieve ionen, doch ook niet-geladen deeltjes uit de bronelektrode emitteert, het oppervlak van de substraat, dat wordt behandeld, gelegeerd zonder een significante oppervlaktebekleding van het type, welke wordt waargenomen indien de substraat zich niet op een hoge 30 temperatuur bevindt. Een verder voordeel van de werkwijze is het vermogen daarvan om metalen of metaloïden redelijk uniform in substraatoppervlak-ken, die niet vlak zijn, te introduceren. Derhalve kan de werkwijze worden gebruikt voor het legeren van het sferische oppervlak van bijvoorbeeld een intredend kogelgewrichtonderdeel of het concave binnenopper-35 vlak van een houder.

Aangezien door het bombardement met ionen van het inerte gas de substraat wordt verhit en dit bombardement bijdraagt tot het verhitten 8420153 - * - 9 - van het in de substraat te introduceren metaal of metaloïd, en dit ionen-bombardement verantwoordelijk is voor het emitteren van ionen uit de bronelektrode, is het bijzonder gunstig, dat in de kamer een inerte-gasdruk heerst, welke groter is dan 1 torr wanneer de dubbele glimont-5 lading begint en over de gehele.werking volgens de dubbele glimontla-dingsmodus. Derhalve beginnen de beste uitvoeringsvormen van de werkwijze met een lage inerte-gasdruk, in het gebied van 0,1-1 torr, voor de enkelvoudige glimontladingsmodus, waarna de inerte-gasdruk tot 1-10 torr wordt vergroot voordat de spanning wordt verhoogd voor het tot 10 stand brengen van de dubbele glimontlading, waarbij drukken van 3 - T torr bijzonder gunstig zijn.

Andere uitvoeringsvormen van de werkwijze bieden speciale voordelen wanneer de substraat bestaat uit een metaal, dat moet worden onderworpen aan · ionenbehandelingen, zoals nitrering, cementering, zwaveling, 15 borering en nitrocementering. Bij dergelijke uitvoeringsvormen wordt de werkwijze op de bovenbeschreven wijze uitgevoerd om in het oppervlaktegedeelte van de metalen substraten de hoeveelheden van een metaal of metaloïden te introduceren, welke de substraat meer ontvankelijk zullen maken voor de respectieve ionenbehandeling, en vindt onder gebruik van 20 dezelfde inrichting met geschikte veranderingen in atmosfeer een ionen-nitrering, ioneneementering, ionenzwaveling, ionenborering of ionennitro-cementering plaats. Dergelijke uitvoeringsvormen zijn bijzonder nuttig, omdat zij het onnodig maken, dat door de gehele massa van de substraat de gewenste legeringselementen aanwezig zijn. Derhalve maakt de werk-25 wijze het commercieel mogelijk duur wolfraam toe te passen in een werkstuk, dat aan een ionennitrering moet worden onderworpen, aangezien het wolfraam tot het oppervlaktegedeelte van het werkstuk wordt beperkt.

Ofschoon uitvoeringsvormen volgens de uitvinding, welke boven zijn beschreven, weinig of geen oppervlakte platering of -bekleding 30 veroorzaken, aangezien de substraat op een hoge temperatuur wordt gehouden teneinde het substraatoppervlak te laten doordringen door de metaal- of metaloidionen, welke worden geïntroduceerd, kan de werkwijze worden gemodifieerd voor het verschaffen van een platefing nadat de metaal- of metaloïdionen in de substraat zijn geïntroduceerd. Derhalve 35 kan de werkwijze op de bovenbeschreven wijze worden uitgevoerd om de gewenste ionen in het oppervlaktegedeelte van de substraat te introduceren, waarna de substraat kan worden afgekoeld en met hetzelfde of met een an- 8420153

i V

- 10 - der metaal of metaloïd worden geplateerd,’ hetgeen dan onder gebruik van dezelfde inrichting, een geschikte atmosfeer en een geschikt vacuum kan plaats vinden, waarbij de plateermetaal- of metaloïdbron of -bronnen zich bij de bronelektrode of -elektroden bevinden. Door verder de sub-5 straat progressief af te koelen, terwijl overigens de werkwijze, als boven beschreven, wordt uitgevoerd, kunnen de in de substraat geïntroduceerde ionen progressief bij, doch onder het oppervlak worden geconcentreerd aangezien de substraat meer bestendig wordt tegen een ionenperme-atie wanneer de temperatuur van het oppervlaktegedeelte van de substraat 10 afneemt. Indien gewenst, kan dan een ionenplatering met hetzelfde of met een ander metaal of metaloïd plaats vinden, en de op deze wijze geplateerde film zal zich bijzonder goed aan de substraat hechten.

De inrichting volgens fig. 1

Fig. 1 toont een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de 15 uitvinding van het laboratoriumtype. De inrichting omvat een afgedichte kamer 1, meet in het bijzonder een gebruikelijke klok, welke kan worden geëvacueerd door een vacuumpomp 2 en waaraan een inert gas uit een druk-reservoir 3 via een reductieklep h-, een regelklep 5 en een filter 6 kan worden toegevoerd. In de klok in een punt bij de bovenzijde daar-20 van bevindt zich een anode 7, welke elektrisch via een amperemeter 8 en een schakelaar 9 met de positieve klem van een instelbare gelijk-stroomvoedingsbron 10 is verbonden. De kathode 11 bevindt zich in de klok bij de bodem daarvan en omvat de elektrisch geleidende substraat, zoals het cilindrische metalen onderdeel 11a en het vasthoudonderdeel 25 11b, waarbij de kathode direkt met de negatieve klem van de voedings bron 10 is verbonden. In de klok is tussen de anode en de kathode een bronelektrode 12 aanwezig, welke het in de substraat te introduceren metaal omvat, waarbij deze elektrode via een amperemeter 13 en een schakelaar 1^ met'het instelbare contact van een rheostaat 15, en via de 30 rheostaat met de negatieve klem van de voedingsbron 10 is verbonden.

Wanneer een metaal met hoog smeltpunt, zoals wolfraam, moet worden geïntroduceerd, kan de bronelektrode 12 eenvoudig bestaan uit een schroefvormig gewikkelde plaat, die uit dat metaal bestaat. Wanneer een metaal met een relatief laag smeltpunt moet worden geïntroduceerd, kan de bron-35 elektrode 12 zijn voorzien van een schuitje of een andere ondersteuning 12a, fig. IAj bestaande uit een metaal met hoog smeltpunt, dat een lichaam 12b van het in de substraat te introduceren metaal met laag smeltpunt 8420153 - 11 r- -·"· l· ondersteunt, waarbij aan de uiteinden van het schuitje klemmen 12c aanwezig zijn, die derhalve in elektrisch contact staan met het lichaam 12b, zodat de combinatie als de bronelektrode en met de verhittingsstroombron kan worden verbonden. Over de anode/bronelektrodespleet is een voltme-5 ter 16 verbonden en over de bronelektrode-kathodespleet is een voltmeter 17 verbonden, zoals is aangegeven. De bronelektrode 12 is ook met een wisselstroom.bron voor een resistieve verhitting van het te implanteren metaal verbonden. Zo kan, als aangegeven in fig. 1, de elektrode 12 over de secundaire wikkeling van een variabele transformator 18 via een blok-10 keercondensator 19 en een amperemeter 20 zijn verbonden, waarbij over de secundaire wikkeling parallel aan de bronelektrode een voltmeter 21 is verbonden. Het inleiden van de wisselstroom voor weerstandsverhitting van het metaal, dat moet worden geïntroduceerd, geschiedt door de schakelaar 22 te sluiten.

15 De klok 1 kan transparant zijn en indien deze niet transparant is, is de klok voorzien van een venster of vensters (niet afgeheeld), welke het mogelijk maken de bronelektrode en de kathode waar te nemen, waarbij een conventionele optische pyrometer of een thermo-elektrische · thermometer (niet af geheeld) worden gebruikt om de temperaturen van de 20 substraat en het geïntroduceerde metaal te bepalen. Er wordt een conventionele (niet afgebeelde) manometer gebruikt om de drukken in de klok te controleren.

Het toepassen van de werkwijze met de inrichting volgens fig. 1_ 25 Om de inrichting volgens fig. 1 overeenkomstig uitvoeringsvor men van de werkwijze volgens de uitvinding te gebruiken, wordt het te introduceren metaal of metaloïd in de klok gebracht en als de bronelektrode verbonden, en wordt de substraat, welke vooraf eerst is gereinigd, bijvoorbeeld met ethanol, in de klok geplaatst en als de anode 30 verbonden. Wanneer de klok is afgedicht, wordt de vacuumpomp 2 in wer-, king gesteld om de klok te evacueren tot een druk van 0,01 torr of minder, waarna de klok wordt gereinigd en in de klok vanuit een reservoir een inert gas wordt gevoerd om in de klok een inerte-gasatmosfeer bij een druk van 0,1 - 10 torr te verschaffen. De voedingsbron 10 wordt ver-35 volgens geactiveerd en de schakelaar 9 gesloten, waarbij de voedingsbron zodanig wordt ingesteld, dat tussen de anode 7 en de kathode 11 een potentiaalverschil optreedt, dat tenminste gelijk is aan de glim- 8420153 - 12 - ontladingsbeginspanning voor de bepaalde atmosfeer en druk. Er treedt tussen de anode en de kathode een glimontlading in het normale gebied op, d.v.z. een glimontlading met een zodanige aard, dat bij een toename van de spanning uit de voedingsbron de stroom toeneemt zonder dat het 5 potentiaalverschil over de spleet tussen de anode en de. kathode toeneemt . Ofschoon, beginspanningen voor inert-gasatmosferen bij bepaalde drukken bekend zijn, kan deze enkelvoudige glimontlading eenvoudig tot stand worden gebracht door de spanning uit de voedingsbron 10 te vergroten totdat het begin van de glimontlading visueel wordt waargeno-10 men. Men kan de enkelvoudige glimontlading gedurende een minuut tot een uur laten bestaan om er zeker van te zijn, dat door het bombardement van de substraat door ionen van het inerte gas het substraatoppervlak volledig wordt gereinigd, waarbij het ophouden van waarneembare boogont- ladingen in de kamer aangeeft, dat de substraat volledig schoon is. Een 15 ionenbombardement , dat een gevolg is van de enkelvoudige glimontlading in het abnormale gebied, d.w.z. dit gebied, waarin een toename van de voedingsspanning leidt tot een toename van de stroom, welke evenredig is met de toename in het potentiaalverschil over de spleet- tussen· de anode en de kathode, verhit de substraat tot de gewenste hoge tempera- 20 turen van vanaf 100° C tot een punt juist onder het informatiepunt, af hankelijk van de aard van de substraat, of men kan vertrouwen op het uitvoeren van slechts een deel van deze verhittingsstap.

Op een tijdstip, dat onmiddellijk na het begin van de enkelvoudige glimontlading of daarna ligt, wordt bijvoorbeeld nadat niet 25 langer significante boogontladingssalvo’s worden waargenomen, een gelijkspanning uit de voedingsbron 10 verhoogd om over de hoofdanode-kathodespleet een potentiaalverschil in het gebied van 300 - 1000 V te verschaffen teneinde de glimontlading in het abnormale gebied te drijven. Wanneer de schakelaar 11+ is gesloten, wordt tussen de anode 7 en 30 de bronelektrode 12 een potentiaalverschil tot stand gebracht, dat dezelfde polariteit· heeft als dat, over de anode-kathodespleet, groter is dan de glimontladingsbeginspanning en kan worden ingesteld door de rheostaat 15 in te stellen. Zolang als de abnormale glimontladingsomstandigheden aanwezig zijn, is het resultaat een dubbele glimontlading, 35 waarbij éên glimontlading optreedt tussen de anode en de kathode met een waarneembaar glimverschijnsel bij de kathode, en een andere glimontlading tussen de anode en de bronelektrode met een waarneembaar 8420153 * - 13 - glimverschijnsel "bij de bronelektrode. De dubbele glimontladingsbe-drijfsmodus leidt ertoe, dat bet door de bronelektrode gevoerde te introduceren metaal of metalold wordt gebombardeerd met elektronen van bet inerte gas, waarbij dit bombardement ook voortgaat bij de sub-5 straat.

De schakelaar 22 wordt gesloten, bij voorkeur nadat de enkelvoudige glimontlading de substraat tot de gewenste temperatuur beeft verhit, waardoor een wisselstroom door bet te introduceren metaal of metaloxd vloeit, zodat bet te introduceren metaal of metaloxd resis-10 tief tot de gewenste hoge temperatuur wordt verhit. Wanneer de bron-elektrode resistief wordt verhit en de dubbele glimontlading blijft be-staa, wordt bet te ingroduceren metaal of metaloxd continu hevig gebombardeerd door ionen van het inerte gas en, aangezien dit metaal of metaloxd zich nu op een hoge temperatuur bevindt, worden door dit bom-15 bardement uit het metaal of het metaloxd positieve ionen van het metaal geëmitteerd en bewegen de geëmitteerde ionen zich snel naar de negatief geladen substraat en worden daar in het verhitte, vrij liggende oppervlak van de substraat gedreven tengevolge van het verschil in lading. Een dergelijk introduceren van de metaal- of metaloxdionen in de 20 substraat treedt niet op zonder hoge temperaturen van de bronelektrode en de substraat en een dubbele glimontlading.

De volgende voorbeelden illustreren de werkwijze, zoals deze met de inrichting volgens fig. 1 wordt uitgevoerd.

Voorbeeld 1 25 Een inrichting, zoals schematisch is weergegeven in fig. 1, werd gebruikt voor het introduceren van wolfraam in een substraat van koolstof staal no. 1010. De vacuümkamer had een diameter van 30 cm en een hoogte van Uo cm. De anode bestond uit een vierkant lichaam van koolstof staalraster met een zijde van 10 cm. De kathode bestond uit de 30 substraat, een koolstof stalen cilinder met een lengte van 1,5 cm en een diameter van 1,2 cm en een volume van 1,7 cc, waarbij de cilinder coaxiaal met de vertikale hartlijn van de vacuümkamer zodanig was opgesteld, dat een plat eindvlak naar boven naar de anode was gericht. De bronelektrode bestond uit een draad van zuiver wolfraam met een diameter van 0,6 mm 35 in de vorm van een schroef, opgesteld als aangegeven in fig. 1. De afstand tussen de anode en de bronelektrode bedroeg 75 -mm en de afstand tussen de bronelektrode en het eindvlak van de uit koolstofstaai bestaande 8420153 - 1U - cilinder bedroeg 25 mm. De uit koolstof staal bestaande cilinder werd vooraf met ethanol gereinigd voordat de cilinder als de kathode werd geïnstalleerd.

De kamer werd geëvacueerd tot 0,01 torr, daarna gereinigd met 5 argon en gevuld met argon tot een druk van 0,1 torr. De gelijkstroom-voedingsbron werd geactiveerd om over de anode/kathodespleet een potentiaalverschil op te wekken en de voedingsbron werd zodanig ingesteld, dat dit potentiaalverschil toenam totdat een enkele glimontlading (modus in normaal gebied) werd waargenomen. Het potentiaaJLver-10 schil werd gedurende tien minuten op dit niveau gehouden, waarbij het ophouden van waarneembare boogontladingssalvo' s in die periode aangaven, dat het vrij liggende oppervlak van de uit koolstofstaal bestaande cilinders groot was. Daarna werd meer argon aan de kamer toegevoerd om de druk te verhogen tot U torr, en daarna werd een druk van 15 k - 7 torr- onderhouden. De voedingsbron werd daarna verder ingesteld ' om de anode/kathodespanning geleidelijk op 750 V te brengen en men liet de enkele glimontlading bestaan, thans in het abnormale gebied, totdat de temperatuur van de uit koolstofstaal bestaande substraat 1000° C bereikt. De bronelektrode werd daarna met zowel de gelijkstroombron 20 voor het tot stand brengen van de dubbele glimontlading als met de wis-selstroombron verbonden om een weerstandsverhitting van de uit wolfraam bestaande bronelektrode in te leiden. Het potentiaalverschil tussen de anode en de kathode werd op 750 V gehouden en het potentiaalverschil tussen de anode- en de bronelektrode werd op 570 V gehouden. Door de 25 weerstandsverhitting nam de temperatuur van de uit wolfraam bestaande bronelektrode tot bij benadering 2000° C toe en bleef de temperatuur van de uit koolstof bestaande substraat op bij benadering 1000° C. De werking met zowel de dubbele glimontlading als de weerstandsverhitting werd gedurende vijf uur voort gezet. De twee energiebronnen werden daar-30 na uitgeschakeld en men liet het uit koolstof staal bestaande onderdeel binnen de afgedichte kamer afkoelen voordat het voor analyse werd verwijderd.

Bij een elektronensonde-analyse van een monster van de substraat bleek, dat de maximale indringingsdiepte van de substraat van koolstof-35 staal door het wolfraam 116 micron bedroeg, waarbij het wolfraamgehalte in gewicht bij een diepte van 10 micron vanaf het oppervlak 9,16% “bedroeg. De grafische voorstelling volgens fig. 2 toont een typerende ver- 8420153 -Indeling van wolfraam, dat overeenkomstig de werkwijze in een uit koolstof staal. bestaande substraat is geïntroduceerd, waarbij de kromme A de resultaten van voorbeeld 1 aangeeft, en de kromme B de resultaten aangeeft van een soortgelijke werking, waarbij de substraattemperatuur 5 in plaats van 1000° C 900° C bedroeg.

Fig. 3 is een microfoto bij een vergroting van 250X van een oppervlaktegedeelte van de substraat na een behandeling volgens voorbeeld 1. De lijn, die men bij X ziet, is het fazescheidingsvlak tussen het gedeelte Y met hoog wolfraamgehalte en het gedeelte Z met een 10 lager wolfraamgehalte. Het blijkt, dat de maximale doordringingsgrens zich bij de bovem (als aangegeven) van het gedeelte A bevindt.

Voorbeeld 2

De procedure volgens voorbeeld 1 werd herhaald onder gebruik van dezelfde inrichting. De kathode bestond weer uit de substraat, 15 een uit koolstofstaal no. 1010 bestaande cilinder met dezelfde afmetingen als bij voorbeeld 1. De bronelektrode bestond uit een spiraalvormige draad van zuiver wolfraam, waarbij de draaddiameter 0,6 mm bedroeg . De spanningen waren dezelfde als bij voorbeeld 1. De temperatuur van de uit koolstofstaal bestaande substraat werd op 900° C gehouden 20 en de uit wolfraam bestaande bronelektrode werd op een temperatuur van bij benadering l600° C gehouden, De periode van de werking met dubbele glimontlading bedroeg weer drie uur.

Een elektronensonde-analyse vertoonde *een maximale doordringings-diepte van wolfraam in de substraat van hO micron. Het wolfraamgehalte 25 aan gewicht bij 5 micron vanaf het oppervlak bedroeg 10,1U$.

Voorbeeld 3

Voorbeeld 2 werd herhaald onder gebruik van dezelfde inrichting, waarbij de substraat weer uit koolstofstaal no. 1010 bestond en de bronelektrode weer bestond uit een wolfraamdraad in de vorm van een schroef.

30 Het anode-kathodepotentiaalverschil werd op bij benadering.800 V "tijdens de werking met dubbele glimontlading gehouden en het potentiaalverschil tussen de anode en bronelektrode werd in het gebied van 550 - 600 V gehouden. De dubbele glimontlading werd gedurende drie uur onderhouden. Het oppervlaktegedeelte van de substraat had een temperatuur van 1000° C en 35 de temperatuur van de wolfraamdraad bedroeg bij benadering 1800° C.

Een elektronensonde-analyse toonde aan, dat het wolfraam tot een diepte van 80 micron onder het oppervlak van de substraat was inge- 8420153 * Vv - 16 - drongen en dat het gewichtsgehalte aan wolfraam hij een diepte van 5 micron 9»5# bedroeg.

Voorbeeld k

Voorbeeld 2 werd herhaald behoudens, dat de substraat bestond 5 uit koolstof staal no. 10^5, de bronelektrode bestond uit een molybdeen-draad in de vorm van een schroef, het anode-kathodepotentiaalverschil op 850 - 900 V tijdens de dubbele glimontladingsmodus werd gehouden, en het anode-bronelektrodepotentiaalverschil op 600 - 650 V werd gehouden.

De bedrijfsperiode met dubbele glimontlading bedroeg drie uur, waarbij 10 de substraat zich op bij benadering 1000° C bevond en de bronelektrode op bij benadering 1^00°.

Een elektronensonde-analyse toonde een molybdeendoordringings-diepte van 6 0 micron en het gewicht sgehalte aan molybdeen op een afstand van 15 micron vanaf het oppervlak van de uit koolstofstaal be-15 staande substraat bedroeg %.

Voorbeeld 5

De procedure volgens voorbeeld 1 werd opnieuw herhaald onder gebruik van dezelfde inrichting, waarbij de kathode weer bestond uit een cilinder van koolstofstaal no. 1010 met dezelfde afmetingen als in 20 voorbeeld 1. De bronelektrode omvatte een schuitje in de vorm van een geponst onderdeel van molybdeenplaat, waarbij het schuitje een lengte van 15 mm, een breedte van 4 mm en een diepte van 3 mm had. Het in de substraat te introduceren materiaal bestond uit een uniform mengsel van 0,2 g koperpoeder en o,2 g siliciumoxydepoeder, waarbij het mengsel zich 25 bevond in het schuitje en de combinatie van het schuitje en het poeder-mengsel elektrisch als de bronelektrode met de wisselstroombron en de gelijkstroombron was verbonden. Het anode/kathodegelijkspanningsverschil werd op een waarde van bij benadering 750 V tijdens de werking volgens de dubbele, glimontladingsmodus gehouden en het anode/bronelektrodepoten-30 tiaalverschil werd onderhouden op 500 - 550 V. De temperatuur van het poedermengsel in het schuitje werd met wisselstroomverhitting op 900 -1000° C gehouden. Het oppervlaktegedeelte van de substraat werd op 1000° C gehouden. De bedrijfsperiode bij de dubbele glimontladingsmodus bedroeg drie uur.

35 Een analyse met een elektronensonde toonde, dat de maximale doordringingsdiepte van het koper en silicium in de substraat 85 micron bedroeg, waarbij het gewichtsgehalte aan silicium op een diepte van Uo 8420153 m - IT - micron k% en liet gewichtsgehalte aan koper op ^0 micron 1$ bedroeg.

Voorbeeld 6

Voor het verkrijgen van een voorwerp met een "bijzonder goede oppervlaktehardheid zonder dat door het gehele lichaam van het voor-5 werp dure legeringselementen aanwezig behoeven te zijn, kan de procedure volgens voorbeeld 1 worden herhaald om een oppervlaktelegering van de uit koolstof staal bestaande substraat met wolfraam te verkrijgen. Vervolgens, nadat het aan. het oppervlak gelegeerde voorwerp tot 350 -65O0 C is afgekoeld, de inerte gasatmosfeer in de kamer vervangen.door 10 ammoniak of een mengsel van stikstof en waterstof om de druk in de kamer tot t - 10 torr te brengen, afhankelijk van de mate van nitreren van het aan het oppervlak gelegeerde voorwerp. Vervolgens werd een ge-lijkspanningsverschil tussen de anode en de kathode aangelegd, welk potentiaalverschil adekwaat is voor het tot stand brengen van een enke-15 le glimontlading in het abnormale gebied, waarbij de enkele glimontlading in het abnormale gebied wordt onderhouden gedurende tien minuten tot twaalf uur, afhankelijk van de temperatuur van de substraat en de diepte waartoe een oppervlaktelegering is verkregen door de dubbele glim-ontladingsprocedure volgens voorbeeld 1, waarbij de substraat op 350 -20 650° C wordt gehouden. Indien derhalve de oppervlaktelegering een wolf- raamdoordringing van 100 micron in het koolstofstaal heeft veroorzaakt, wordt de substraat meer in het bijzonder op 500° C gehouden en wordt de enkele glimontlading voor ionennitrering gedurende ongeveer zes.uur onderhouden.

25 Gelijktijdig introduceren van meer dan éën metaal of metaloid__

Fig. h toont schematisch een inrichting voor het gelijktijdig introduceren van twee verschillende metalen of metaloiden in een oppervlak van een enkele substraat volgens de uitvinding. De vacuümkamer 5 T, de anode 5T, de kathode 6l, de gelijkstroomvoedingsbron 60 en de elek-30 trische verbindingen van de anode en de kathode blijven zoals beschreven onder verwijzing naar fig. 1. De pomp 52 is aanwezig voor het evacueren van de kamer en een inert gas wordt uit het drukreservoir 53 toegevoerd, zoals is beschreven onder verwijzing naar fig. 1. Bij deze uitvoeringsvorm zijn twee bronelektroden 62 en 62a aanwezig, welke zich 35 beide in de kamer en tussen de anode en de kathode bevinden, zoals is aangegeven. Eén klem van de bronelektrode 62 is met de negatieve klem 8420153 l\

* V

- 18 - van de voedingsbron 6θ via de amperemeter 63, de schakelaar 6k en de rheostaat 65 verbonden. Op een soortgelijke wijze is één klem van de elektrode 62a via de. amperemeter 63a, de schakelaar 6ka en de rheostaat 65a met de negatieve klem van de voedingsbron 60 verbonden. De elek-5 trode 62 is over de secundaire wikkeling van de variabele transformator 68 verbonden, zodat door het sluiten van de schakelaar 72 over de elektrode 62 een wisselstroom kan vloeien. De elektrode 62a is over de secundaire wikkeling van de variabele transformator 68a verbonden, zodat door het sluiten van de schakelaar 72a een wisselstroom over de elek-10 trode 62a kan vloeien voor een weerstandsverhitting van deze elektrode.

Wanneer door het sluiten van de schakelaar 59 en het instellen van het gelijkspanningsverschil tussen de anode en de kathode op de beginspanning een enkele glimontlading tot stand is gebracht, worden de schakelaars 6k en 6ka gesloten om de beide elektroden 62 en 62a met 15 de voedingsbron 60 te verbinden en treedt, wanneer het potentiaalverschil over de anode/kathodespleet adekwaat is om een werking in het abnormale gebied tot stand te brengen, een meervoudige glimontlading op.

Op deze wijze worden een glimontlading tussen de anode en de kathode 61, een glimontlading' tussen de anode en de bronelektrode 62 en een 20 glimontlading tussen de anode en de bronelektrode 62a tot stand gebracht.

De bronelektrode 62 omvat één metaal of metaloid, bijvoorbeeld wolfraam, dat in de kathodesubstraat moet worden geïntroduceerd. De elektrode 62a omvat een tweede ander metaal of metaloïd, bijvoorbeeld molybdeen, dat in de kathodesubstraat moet worden geïntroduceerd. De beide materia-25 len, welke moeten worden geïntroduceerd, worden door een geregelde wisselstroom tot de witgloeitemperatuur resistief verhit. Zoals beschreven onder verwijzing naar de werkwijze, zoals deze wordt uitgevoerd met de inrichting met één bronelektrode volgens fig. 1, leidt de werking met meervoudige glimontlading, wanneer de bronelektrode zich op een hoge 30 temperatuur bevindt, tot de emissie van metaalionen uit de bronelektro-den, en wanneer de enkele kathodesubstraat heftig wordt gebombardeerd door ionen van de beide metalen of metaloïden, vindt een introductie van de beide materialen onder het vrije oppervlak van de substraat plaats.

Afhankelijk van de bepaalde metalen of metaloïden, welke moeten worden 35 geïntroduceerd, kunnen de posities en potentialen van de twee bronelek-troden ten opzichte van de anode en de kathode dezelfde zijn of van elkaar verschillen. Ofschoon fig. ^ de inrichting met twee bronelektroden .i 8420153 „vr ^ - 19 - toont, kunnen meer dan twee bronelektroden op dezelfde wijze als juist is beschreven, worden toegepast.

Introductie van metaal of metaloxd in gebogen substraatopnervlakken___ 5 Ofschoon bij platte substraatoppervlakken em bijzonder voordeel van de werkwijze is gelegen in het vermogen daarvan om grote oppervlakken te behandelen, is een ander voordeel, dat van belang is, het vermogen van de werkwijze om metalen in gebogen oppervlakken, waaronder oppervlakken met een complexe kromming, te implanteren. Dit voordeel is een gevolg van 10 het feit, dat de invloed van de glimontlading bij het voeren van positieve ionen naar de substraat, in wezen omnidirektioneel is. Derhalve kan, zoals blijkt uit fig. 5, de inrichting volgens fig, 1 worden gebruikt om de werkwijze toe te passen voor het implanteren van metaal- of metaloxd-ionen vanuit de bronelektrode 12 in het vrije, sferische oppervlak van 15 het uitstekende kogelgewrichtonderdeel 11c, waarbij het kogelgewricht-onderdeel in dit geval met de steun 11b van de kathode is verbonden.

Fig. 6 illustreert de wijze waarop de uitvinding kan worden toegepast cm metaal- of metaloxdionen in het binnenoppervlak een hol onderdeel, bijvoorbeeld het lichaam van een metalen reactiekamer te in-20 troduceren. Hierbij vormt het holle metalen lichaam 100 zowel een groot gedeelte van de wand van de vacuümkamer als de substraatkethode van het stelsel. De kamer wordt afgesloten door een transparantelektrisch niet-geleidend afsluitonderdeel 101, waarbij tussen het bovenvlak van het geflensde lichaam 100 en het afsluitonderdeel een juiste afdichting aan-25 wezig is. Teneinde warmteverliezen via de wand tot een minimum terug te brengen, omvat het lichaam 100 een buitenmantel 100a, bestaande uit een thermisch isolatiemateriaal. Waar het lichaam 100 de substraat vormt, is het lichaam direkt elektrisch met de negatieve klem van de gelijkstroom-bron verbonden. Door het afsluitonderdeel 101 wordt een anode 107 onder-30 steund, die met de positieve klem van de gelijkstroombron is verbonden,

De bronelektrode 112 omvat het metaal of metaloxd, dat moet worden geïntroduceerd, en is zowel met de negatieve klem van de gelijkstroombron, via de rheostaat 115, als over de wisselstroombron, voor weerstandsver-hitting van het te ingroduceren metaal of metaloxd verbonden. Het inwen-35 dige van de kamer is weer verbonden met een vacuumpomp 102 voor het evacueren van de kamer, en met een reservoir van inert gas onder druk (niet afgebeeld), op een wijze, zoals deze boven onder verwijzing naar fig. 1 is beschreven, teneinde de vereiste inerte gasatmosfeer tot stand 8420153 j- - 20 - te brengen. Aangezien het gehele lichaam 100 de kathode vormt, wordt het gehele binnenoppervlak van dit lichaam gebombardeerd, eerst met ionen van de inerte atmosfeer onder invloed van een enkele glimontlading, daarna tezamen met positieve metaal- of metaloxdionen, welke afkomstig zijn 5 uit het rooster 112, op een wijze, zoals boven is omschreven. Door de werkwijze op deze wijze toe te passen, kan men een betrekkelijk goedkoop reactorlichaam verkrijgen, dat sterk bestendig is tegen corrosie. Derhalve kan het lichaam 100 bestaan uit roestvrij staal en kan de bronelektro-de 112 een lichaam van titaan omvatten, zodat door de methode het binnen-10' oppervlak van het lichaam 100 wordt bekleed met het titaan, zodat, ofschoon het grootste gedeelte van de massa van het lichaam uit betrekkelijk goedkoop roestvrij staal bestaat, het feit, dat het binnenoppervlakte-gedeelte met titaan is gelegeerd, leidt tot een corrosiebestendigheid, welke die benadert, welke aanwezig is wanneer de gehele wand uit titaan 15 bestaat.

8420153

Claims

1. Werkwijze om in een elektrisch, geleidende substraat tenminste één normaliter vast materiaal, gekozen uit de groep, bestaande uit metalen en metalolden, te introduceren, waarbij wordt voorzien in een gesloten kamer, waarin de atmosfeer, en druk kunnen worden geregeld en 5 welke een anode omvat; de substraat als een kathode wordt opgesteld, waarbij het oppervlak van de substraat vrij is naar het inwendige van de kamer en zich op een afstand van de anode bevindt; wordt voorzien in een bronelektrode, welke een lichaam van het in de 10 substraat te introduceren materiaal omvat, welk lichaam in de kamer is opgesteld op een plaats, die zich op een afstand van de anode en de substraat bevindt; de kamer wordt geëvacueerd en in de kamer een atmosfeer van een inert gas bij een druk, welke niet groter is dan 10 torr, wordt verschaft; 15 tussen de anode en de*kathode een gelijkspanningsverschil wordt aangelegd en tussen de anode en de bronelektrode een gelijkspanningsverschil wordt aangelegd om een dubbele glimontlading te verschaffen, waarbij ëên glimontlading optreedt tussen de anode en de kathode, en de andere tussen de anode en de bronelektrode, waarbij dè dubbele glimontlading 20 gedurende een periode van tenminste vijftien minuten wordt onderhouden; en het oppervlaktegedeelte van de substraat op een hoge temperatuur, welke het Informatiepunt van de substraat niet overschrijdt, wordt gehouden en het lichaam van materiaal op een temperatuur wordt gehouden, welke 25 gelijk is aan tenminste b0% van het smeltpunt van het materiaal, doch gelegen onder het kookpunt van het materiaal, welke temperaturen over de gehele genoemde periode worden onderhouden; waarbij de dubbele glimontlading veroorzaakt, dat het lichaam van materiaal door ionen van het inerte gas van de atmosfeer wordt gebombar-30 deerd met het dientengevolge emitteren van positieve ionen van het materiaal van het lichaam uit dit lichaam, waarbij de op deze wijze geëmitteerde positieve ionen zich naar de substraat bewegen en het vrije oppervlak van de substraat sterk bombarderen tengevolge van het verschil in lading tussen de positieve ionen en 35 de substraat, door welk bombardement de metaalionen het vrij liggende oppervlak van de substraat binnendringen en door een gedeelte van de 8420153 - % - 22 - verhitte substraat ouder dit oppervlak dringen.

2. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het substraatoppervlak metallisch is en het gedeelte van de substraat, door welk gedeelte ionen van het te introduceren materiaal moeten dringen, op een temperatuur van 5 tenminste 300° C wordt gèhouden,

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de substraat uit ferro-metaal bestaat en het in de substraat te introduceren materiaal een le-geringselement is; en het oppervlaktegedeelte van de substraat op 750 - 1200° C wordt gehouden.

10 Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij het in de substraat te introduceren materiaal een metaal met hoog smeltpunt is.

5. Werkwijze volgens conclusie U, waarbij het metaal met hoog smeltpunt op de witgloeitemperatuur wordt gehouden.

6. Werkwijze volgens, conclusie k, waarbij de bronelektrode be-15 staat uit een lichaam van metaal met een hoog smeltpunt.

7. Werkwijze volgens conclusie U, waarbij het metaal met hoog smeltpunt uit wolfraam bestaat, dat op een temperatuur van 1600 - 2800° C wordt gehouden.

8. Werkwijze volgens conclusie waarbij het metaal met hoog 20 smeltpunt uit molybdeen bestaat,, dat op een temperatuur van 1200 - 2200° C wordt gehouden.

9. Werkwijze volgens conclusie b, waarbij het metaal met hoog smeltpunt uit nikkel bestaat en op een temperatuur van 700 - 1300° C wordt gehouden.

10. Werkwijze volgens conclusie waarbij het metaal met hoog smelt punt uit chroom bestaat, dat op een temperatuur van 800 - 1600° C wordt gehouden.

11. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het metaal met hoog smeltpunt uit titaan bestaat en op tenminste de witgloeitemperatuur wordt ge- 30 houden.

12. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het genoemde lichaam de vorm heeft van vaste deeltjes.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij het lichaam bestaat uit deeltjes van meer dan êén materiaal, waarbij de deeltjes op een uniforme 35 wijze zijn gemengd. ih. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het in de substraat te introduceren materiaal uit een metaal met laag smeltpunt bestaat, de 8420153 9 - 23 - bronelektrode is voorzien van een ondersteuning voor dit metaal, wanneer het metaal is gesmolten; en het in de substraat te introduceren metaal tijdens de periode» gedurende welke de dubbele glimontlading wordt onderhouden, in de gesmolten toestand daarvan wordt gehouden.

15. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de hoge temperatuur van het in de substraat te introduceren materiaal wordt onderhouden door een elektrische weerstandsverhitting van het lichaam..

16. Werkwijze volgens conclusie 1, welke verder omvat het eerst tot stand brengen van de inerte-gasatmosfeer bij een druk van minder dan 1G 1 torr, en het bij het bij benadering onderhouden van deze druk, tussen de anode en kathode aanleggen van een gelijkspanningsverschil, dat zodanig is, dat tussen de anode en de kathode een enkele glimontlading optreedt ; dit potentiaalverschil gedurende tenminste één minuut wordt onderhou-15 den; en daarna het gelijkspanningsverschil tussen de anode en de bronelektrode tot stand wordt gebracht en het potentiaalverschil tussen de anode en de kathode wordt vergroot voor het tot stand brengen van de dubbele glimontlading. 20 17· Werkwijze volgens conclusie 16, waarbij de enkele glimontlading slechts kan blijven bestaan totdat geen significante boogontladingen meer worden waargenomen.

18. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het oppervlak van de substraat, dat vrij is naar het inwendige van de kamer, een gebogen op- 25 pervlak is.

19. Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij de substraat een gedeelte van de wand van de gesloten kamer vormt en het gebogen oppervlak een gedeelte van het binnenoppervlak van de kamer vormt.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, welke verder omvat het ver- 30 schaffen van een thermische isolatie om het buitenoppervlak van de substraat teneinde een verlies aan warmte uit de substraat tot een minimum terug te brengen.

21. Werkwijze volgens conclusie 1, welke verder omvat het verschaffen van een tweede bronelektrode, welke een tweede lichaam van in 35 de substraat te introduceren materiaal omvat, waarbij het tweede lichaam in de kamer is opgesteld op een tweede plaats, welke van de anode en de substraat is gescheiden; 8420153 - 2k - m X.> gelijktijdig met de dubbele glimontlading tussen de anode en de tweede bronelektrode een gelijkspanningsverschil met dezelfde polariteit als het potentiaalverschil tussen de anode en de kathode tot stand wordt gebracht, 5 waardoor tussen de anode· en de tweede bronelektrode nog een glimontlading wordt gevormd; en het tweede lichaam op een temperatuur wordt gehouden, welke gelijk is aan · tenminste k0% van het smeltpunt van het materiaal van het lichaam, doch gelegen onder het kookpunt daarvan.

22. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het oppervlaktegedeelte van de substraat initieel op een temperatuur, welke aanmerkelijk boven 300° C is gelegen, wordt gehouden, en gedurende de genoemde periode progressief wordt afgekoeld tot een lagere temperatuur, welke nog steeds boven 300° C ligt.

23. Werkwijze volgens conclusie 2, welke verder omvat het afkoelen van het substraatoppervlaktegedeelte tot een temperatuur, welke aanmerkelijk onder 300° C ligt nadat de genoemde periode is voltooid; en daarna de dubbele glimontlading wordt voortgezet teneinde te veroorzaken, dat verdere positieve ionen uit het lichaam worden geëmitteerd 20 en leiden tot het plateren van het substraatoppervlak. 2k. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het lichaam bestaat uit tenminste éen metaal, gekozen uit de groep, bestaande uit aluminium, chroom, molybdeen, niobium, tantaal, wolfraam, vanadium en zircoon; waarbij de werkwijze verder omvat het vervangen van de inerte-gasat-25 mosfeer in de kamer door een ionennitreeratmosfeer na het verstrijken van de genoemde periode; en het uitvoeren van een ionennitrering van de substraat.

25· Inrichting om in een elektrisch geleidende substraat tenmins te één normaliter vast materiaal, gekozen uit de groep, bestaande uit 30 metalen en metaloïden, te introduceren, voorzien van organen, welke een afgedichte kamer bepalen; organen voor het evacueren van de kamer; organen om in de geëvacueerde kamer een inert e-gasatmo sfeer bij een druk van 0,1 - 10 torr tot stand te brengen; een anode, welke naar het inwendige van de kamer vrij is, 35 waarbij de substraat als.een kathode werkt, waarbij het oppervlak van de substraat vrij is naar het inwendige van de kamer en zich op een afstand van de anode bevindt; 8420153 ·£* -3? - 25 - een bronelektrode, voorzien van een lichaam, van het in de substraat te introduceren materiaal, welk lichaam in de kamer is opgesteld op een plaats, welke zich op een afstand van de anode en de substraat bevindt; 5 organen om tussen de anode en de substraat een eerste gelijkspannings-verschil tot stand te brengen, dat groter is dan de glimontladingsbegin-spanning voor de inerte atmosfeer en druk; organen om tussen de anode en de bronelektrode een tweede gelijkspan-ningsverschil tot stand te brengen met dezelfde polariteit, doch kleiner 10 dan het eerste potentiaalverschil, waardoor een glimontladingswerking in het abnormale gebied zal optreden in een eerste glimontlading tussen de anode en de kathode en een tweede glimontlading tussen de anode en de bronelektrode; en organen, welke buiten de kamer zijn opgesteld om het lichaam te verhit-15 ten.

26. Inrichting volgens conclusie 25, waarbij de laatstgenoemde or ganen zijn voorzien van een wisselstroombron en organen om een stroom uit deze bron door het lichaam te voeren teneinde een weerstandsverhitting van het in de substraat te introduceren materiaal te veroorzaken. 20 27· Inrichting volgens conclusie 25, waarbij de substraat bestaat uit een hol lichaam met een gebogen binnenoppervlak, welk holle lichaam zodanig is opgesteld, dat het een gedeelte van de wand van de kamer vormt.

28. Inrichting volgens conclusie 25, waarbij verder tenminste een tweede bronelektrode aanwezig is, welke een tweede lichaam van in de 25 substraat te introduceren materiaal omvat, welk tweede lichaam in de kamer op een plaats, op een afstand van de anode en de substraat is op-gesteld, organen buiten de kamer om het tweede lichaam te verhitten; en organen om tussen de anode en de tweede bronelektrode een derde gelijk-spanningsverschil met dezelfde polariteit, doch kleiner dan het eerste 30 potentiaalverschil tot stand te brengen, 8420153