PL184978B1

PL184978B1 - Method of producing coatings

Info

Publication number: PL184978B1
Application number: PL98324250A
Authority: PL
Inventors: MiernikKrzysztof
Original assignee: Inst Tech Eksploatacji
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 2003-01-31
Also published as: PL324250A1

Abstract

Sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próriii przy vy/korzystaniu środowiska plazmowego, polegający na odparowaniu materiału katody oraz anody za pomocą wyładowania łukowego, znamienny tym, że po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym wyładowania łukowego rozdziela się prąd wyładowania między odparowywaną anodę oraz anodę dodatkową.The method of obtaining coatings, especially hard materials in pre-use the plasma environment, consisting in the evaporation of the cathode and anode material by means of an arcing, characterized in that when triggered in the area between the electrodes of the arc discharge, the discharge current is divided between the evaporated ones anode and an additional anode.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próżni przy wykorzystaniu środowiska plazmowego, mający zastosowanie głównie w przemyśle elektronicznym, optycznym i maszynowym.The subject of the invention is a method of obtaining coatings, especially hard materials in a vacuum, using a plasma environment, which is used mainly in the electronics, optical and machine industries.

Znane są z monografii N. A. G. Ahmeda pt. Ion Plating Technology, J. Wiley & Sons, Chichester 1987, sposoby otrzymywania powłok materiałów trudnotopliwych przy zastosowaniu plazmy wyładowania łukowego w próżni. Sposoby te wykorzystują proces odparowania materiału z chłodzonej katody urządzenia stanowiącej źródło plazmy. Przy odparowaniu materiału z relatywnie zimnej katody, źródłem par są niewielkie, maksymalnie o średnicy do 100 pm obszary tzw. plamek katodowych, w których skupiony jest cały prąd wyładowania. Z powodu wydzielania się w nich bardzo dużych gęstości mocy, w ich obszarze panuje temperatura wielokrotnie przewyższająca temperaturę wrzenia materiału katody. W rezultacie następuje intensywne odparowanie i jonizacja materiału katody. Szybkość parowania, a tym samym szybkość wzrostu powłoki zależy od wielkości prądu łuku próżniowego. W przypadku, gdy łuk jarzy się w rozrzedzonym gazie reaktywnym, jakim jest na przykład tlen czy azot, materiał katody reaguje z jego atomami tworząc na przylegających do obszaru łuku powierzchniach elementów trudnotopliwe twarde związki (tlenki, azotki). W opisywanej metodzie źródła par jakimi są katody można umieszczać w dowolnym miejscu komory próżniowej, a także można odparowywać jednocześnie kilka katod, co pozwala osadzać powłoki wieloskładnikowe lub/i wielowarstwowe na elementach o złożonej powierzchni z zachowaniem dużej jednorodności grubości powłoki. Wadą sposobu odparowania łukiem elektrycznym z zimną katodą jest występowanie w materiale powłoki mikrokropli roztopionego materiału katody, powodujące pogorszenie jej właściwości fizyko-mechanicznych. Wielkość frakcji mikrokropelkowej zwiększa się przy obniżaniu temperatury topnienia materiału katody, w rezultacie czego osadzenie powłok aluminium lub jego związków o zadowalającej jakości jest praktycznie niemożliwe.They are known from the monograph of N. A. G. Ahmed entitled Ion Plating Technology, J. Wiley & Sons, Chichester 1987, Methods for obtaining coatings of refractory materials using plasma arc discharge in a vacuum. These methods use the process of vaporizing material from the cooled cathode of the plasma source device. When the material is evaporated from the relatively cold cathode, the source of vapors are small areas of the so-called cathode spots in which the entire discharge current is concentrated. Due to the release of very high power densities in them, the temperature in their area is many times higher than the boiling point of the cathode material. The result is intense evaporation and ionization of the cathode material. The rate of evaporation, and hence the rate of coating growth, depends on the magnitude of the vacuum arc current. When the arc glows in a dilute reactive gas, such as oxygen or nitrogen, the cathode material reacts with its atoms to form hard-burning compounds (oxides, nitrides) on the surfaces of the elements adjacent to the arc area. In the described method, the source of vapors, such as cathodes, can be placed anywhere in the vacuum chamber, and several cathodes can be evaporated simultaneously, which allows for the deposition of multi-component and / or multi-layer coatings on elements with a complex surface while maintaining high uniformity of the coating thickness. The disadvantage of the cold cathode electric arc evaporation method is the presence of microdroplets of molten cathode material in the coating material, which causes deterioration of its physical and mechanical properties. The size of the microdroplet fraction increases as the melting point of the cathode material is lowered, as a result of which the deposition of aluminum coatings or its compounds of satisfactory quality is practically impossible.

Znane są też z monografii R. A. Haefera pt. Oberflachen- und Dunnschicht-Technologie, Springer, Berlin, 1897 oraz R. F. Bunshaha pt. Deposition Technologies for Films and Coatings, Noyes, N. J. 1982 sposoby odparowania łukowego z gorącą elektrodą, w charakterze której można używać zarówno katodę jak i anodę. Sposoby te wykorzystują proces nagrzewania materiału i jego odparowania przy użyciu wiązki elektronowej. W praktyce najczęściej stosowana w charakterze źródła par jest rozgrzana do wysokiej temperatury anoda. Pary materiału anody sąjonizowane w strefie wiązki elektronowej w celu uzyskania plazmy. Do wytworzenia wiązki elektronowej, używa się wyrzutni elektronowych rozmaitej konstrukcji, generujących wiązkę zwykle o natężeniu do 1 A przy zastosowaniu napięcia przyśpieszającego do 10kV. Stabilizacja prądu i napięcia wiązki musi być bardzo wysoka, ze względu na konieczność podtrzymania stabilnej mocy grzania anody, co jest spowodowane wykładniczą zależnością szybkości parowania od temperatury źródła par. Z tego powodu trudno uzyskać stabilne warunki procesu osadzania powłok, co stanowi jego istotną wadę. Drugą wadą jest konieczność osadzania powłok na detalach umieszczonych w górnej części komory próżniowej, zeThey are also known from the monograph by R. A. Haefer entitled Oberflachen- und Dunnschicht-Technologie, Springer, Berlin, 1897 and R. F. Bunshah Fri. Deposition Technologies for Films and Coatings, Noyes, N. J. 1982 methods for hot electrode arc evaporation, as both cathode and anode can be used. These methods use the process of heating the material and its evaporation using an electron beam. In practice, the anode that is most often used as a vapor source is a heated to high temperature anode. The anode material vapors are ionized in the electron beam zone to obtain a plasma. To generate an electron beam, electron guns of various designs are used, generating a beam usually of up to 1 A at an accelerating voltage of up to 10 kV. Stabilization of the beam current and voltage must be very high, due to the need to maintain a stable heating power of the anode, which is caused by the exponential dependence of the evaporation rate on the temperature of the vapor source. For this reason, it is difficult to obtain stable conditions of the coating deposition process, which is its significant disadvantage. The second disadvantage is the need to deposit coatings on the details placed in the upper part of the vacuum chamber, such

184 978 względu na fakt, że źródło par stanowi ciekły metal. Jest to niekorzystne w szeregu zastosowań sposobu, gdyż znacznie ogranicza asortyment pokrywanych elementów i detali.184,978 due to the fact that the source of the vapor is liquid metal. This is disadvantageous in many applications of the method as it significantly limits the range of elements and details to be covered.

Znany jest też z opisu patentowego PL 152210 sposób osadzania materiałów trudnotopliwych przy pomocy urządzenia impulsowo-plazmowego wspomaganego wyładowaniem jarzeniowym. W odróżnieniu od wcześniej opisanych, źródłem par metali wchodzących w reakcję z atomami gazu reaktywnego jest zarówno rozpylany w czasie wyładowania jarzeniowego materiał katody, jak i materiał anody urządzenia, przy której powierzchni następuje powstawanie ogniska plazmowego, tak zwanego pinczu plazmowego, o bardzo wysokiej temperaturze i gęstości. Sposób ten umożliwia uzyskania powłok złożonych, na przykład aluminoazotku tytanu TiAlN. Ponieważ jednak sposób ten wykorzystuje zjawisko rozpylania jonowego, charakteryzującego się znacznie mniejszymi szybkościami osadzania w odróżnieniu od omawianego wcześniej zjawiska odparowania łukiem elektrycznym, jego obszar praktycznego zastosowania jest znacznie ograniczony.Also known from the patent description PL 152210 is a method of depositing refractory materials with the use of a pulse-plasma device assisted by a glow discharge. In contrast to the previously described, the source of metal vapors reacting with reactive gas atoms is both the cathode material sprayed during the glow discharge and the anode material of the device, at the surface of which a plasma focus occurs, the so-called plasma pinch, with a very high temperature and density. This method makes it possible to obtain complex coatings, for example titanium alumina TiAlN. However, since this method uses the phenomenon of sputtering, characterized by much lower deposition rates as opposed to the previously discussed phenomenon of electric arc evaporation, its field of practical application is significantly limited.

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próżni przy wykorzystaniu środowiska plazmowego, polegający na odparowaniu materiału katody oraz anody za pomocą wyładowania łukowego, przy czym po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym wyładowania łukowego rozdziela się prąd wyładowania między odparowywaną anodę oraz anodę dodatkową.The subject of the invention is a method of obtaining coatings, especially hard materials in a vacuum using a plasma environment, consisting in the evaporation of the cathode and anode material by means of an arc discharge, whereby the discharge current is divided between the anode and the additional anode after an arc is induced in the inter-electrode area.

Zaletą wynalazku jest zwiększenie współczynnika efektywności wykorzystania materiału obu elektrod oraz możliwość osadzania powłok wieloskładnikowych, których materiały wyjściowe znacznie się różnią temperaturami topnienia.The advantage of the invention is the increase of the material efficiency factor of both electrodes and the possibility of depositing multi-component coatings, the starting materials of which differ significantly in melting points.

Sposób osadzania według wynalazku zostanie bliżej wyjaśniony na przykładzie realizacji procesu osadzania powłoki aluminoazotku tytanu TiAlN.The deposition method according to the invention will be explained in more detail on the example of an embodiment of the deposition process of a TiAlN coating of titanium alumina nitride.

W odpompowywanej komorze próżniowej umieszcza się ochłodzoną wodą katodę tytanową oraz anodę aluminiową umieszczoną w ceramicznej obudowie usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym. Komorę odpompowuje się wstępnie do ciśnienia o wartości 10’³ Pa a następnie wprowadza się do niej gaz reaktywny, w omawianym przypadku azot, w takiej ilości aby utrzymać w niej ciśnienie rzędu 10'¹- 1 Pa. Po osiągnięciu wymaganego ciśnienia, do katody i anody doprowadza się poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania niskie napięcie rzędu 20-30 V z wysokoprądowego zasilacza i inicjuje się, za pomocą układu zapalającego łuk elektryczny o prądzie wyładowania około 100 A. Powstały w obszarze międzyelektrodowym łuk elektryczny ogrzewa katodę prądem jonowym, zaś anodę prądem elektronowym. Różnice wielkości między oboma wymienionymi prądami kompensowane są zarówno wielkościami spadku napięcia w obszarze anodowym i katodowym, co powoduje w miarę jednakowe wielkości mocy wydzielanej na obu elektrodach. Po zapaleniu łuku, steruje się precyzyjnie wielkością prądu elektronowego łuku, a tym samym mocą wydzielaną na odparowywanej anodzie w ten sposób, że po osiągnięciu wymaganej temperatury odparowywanego materiału anody utrzymuje się jego wielkość na zadanym poziomie. Nadwyżkę prądu elektronowego kieruje się za pomocą rozdzielacza na anodę dodatkową którą w opisywanym przykładzie stanowią ściany komory próżniowej. Odparowany z katody tytan i aluminium z anody wraz ze zjonizowanymi atomami azotu dociera do umieszczonego na przeciwko wylotu urządzenia podłoża, na którego powierzchni tworzy się powłoka odpornego na zużycie, twardego aluminoazotku tytanu TiAlN.A water-cooled titanium cathode and an aluminum anode are placed in a ceramic housing positioned on the supplying cooled vacuum bushing in the pumped-off vacuum chamber. The chamber is evacuated initially to a pressure of 10 ^'3 Pa and then introduced into the reactive gas, in this case nitrogen, in an amount to maintain the pressure of 10 ^-1 - 1 Pa. After reaching the required pressure, a low voltage of 20-30 V from a high-current power supply is supplied to the cathode and anode through the discharge current distributor and initiated by means of the arc ignition system with a discharge current of approx. 100 A. The electric arc formed in the inter-electrode area is heated the cathode with ion current, and the anode with electron current. The differences in the values between the two mentioned currents are compensated by both the voltage drop values in the anode and cathode area, which results in relatively equal amounts of the power dissipated on both electrodes. After ignition of the arc, the magnitude of the arc's electron current, and thus the power generated at the anode being evaporated, is precisely controlled in such a way that, after reaching the required temperature of the evaporated anode material, its size is maintained at a given level. The surplus of electron current is directed by a distributor to the additional anode, which in the described example are the walls of the vacuum chamber. The titanium and aluminum evaporated from the anode together with the ionized nitrogen atoms reaches the substrate located opposite the outlet of the device, on the surface of which a coating of wear-resistant, hard titanium alumina nitride TiAlN is formed.

184 978184 978

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egzPublishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Patent claim

A method of obtaining coatings, especially hard materials in a vacuum, using a plasma environment, consisting in the evaporation of the cathode and anode material by means of an arc discharge, characterized in that after causing an arc discharge in the inter-electrode area, the discharge current is divided between the evaporated anode and the additional anode.