PL184982B1 - Urządzenie do otrzymywania twardych powłok - Google Patents

Abstract

Urządzenie do otrzymywania twardych powłok, składające się z katody mającej postać chłodzonego wodą walca i anody wykonanej z odparowywanego materiału oraz układu zapalającego łuk elektryczny umieszczonych wewnątrz odpompowywanej komory próżniowej, jak tez niskonapięciowego zasilacza wysokoprądowego, którego ujemny biegun podłączony jest do katody, znamienne tym, że dodatni biegun zasilacza wysokoprądowego (7), podłączony jest poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania (6) do odparowywanej anody (2) umieszczonej w ceramicznej obudowie (3) usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym (4) i do uziemionej komory (10) urządzenia stanowiącej anodę dodatkową.

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do otrzymywania twardych powłok, zwłaszcza służące do próżniowego osadzania cienkich powłok metali i ich związków chemicznych mających zastosowanie w przemyśle elektronicznym, optycznym i maszynowym.

Znane są z monografii N.A.G. Ahmeda pt. Ion Plating Technology, J. Wiley & Sons, Chichester 1987, oraz M. Macka pt. Surface Technology, Verlag Moderne Industrie, Landsberg, 1990 urządzenia do otrzymywania powłok materiałów trudnotopliwych przy zastosowaniu plazmy wyładowania łukowego w próżni. Urządzenia te wykorzystują proces odparowania materiału z chłodzonej katody urządzenia, która jednocześnie stanowi źródło plazmy. Odparowywany element będący substratem materiału osadzanego na powierzchni obrabianego detalu powłoki zwany jest tarczą. Przy odparowaniu materiału z relatywnie zimnej katody, jego źródłem są niewielkie, maksymalnie o średnicy do 100 pm obszar plamek katodowych, na obszarze których skupiony jest cały prąd wyładowania. Z tego powodu plamki katodowe charakteryzują się wysoką gęstością prądu oraz bardzo dużą gęstością wydzielanej mocy, co pozwala osiągnąć w ich obszarze temperaturę wielokrotnie przewyższającą temperaturę wrzenia materiału katody, w wyniku czego następuje jego intensywne odparowanie i jonizacja. Szybkość parowania, a tym samym szybkość wzrostu powłoki zależy od wielkości prądu łuku próżniowego. W przypadku, gdy łuk pali 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). Odparowywane katody można umieszczać w dowolnym miejscu komory próżniowej, a także można odparowywać jednoczenie kilka katod, co pozwala osadzać powłoki wieloskładnikowe lub/i wielowarstwowe na elementach o złożonej powierzchni z zachowaniem dużej jednorodności grubości powłoki. Wadą urządzenia 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.

Znane są tez z monografii R. A. Haefera pt. Oberflachen- und Duruiscłncht-Technologie, Springer, Berlin, 1897 oraz R. F. Bunshaha pt. Deposition Technologies for Films and Coatings, Noyes, N.J. 1982 urządzenia wykorzystujące proces odparowania materiału przy użyciu wiązki elektronowej z gorącej anody. Rozgrzana do wysokiej temperatury anoda stanowi w tym wypadku źródło par, które w st^^fie wiązki elektronowej są jonizowane w celu uzyskania plazmy. Do wytworzenia wiązki elektronowej, używa się wyrzutni elektronowych rozmaitej konstrukcji, generujących wiązkę o natężeniu do 1 A przy zastosowaniu napięcia przyspieszającego do 10 kV. Stabilizacja prądu i napięcia wiązki musi być bardzo wysoka, ze

184 982 względu na konieczność podtrzymania stabilnej mocy grzania anody, co jest spowodowane wykładniczą zależnością szybkości parowania od temperatury źródła par. Złożona konstrukcja urządzenia i spowodowany tym wysoki koszt jego budowy stanowią istotną wadę opisywanej konstrukcji, mimo że w odróżnieniu od poprzednio opisanej metody łukowej z zimną katodą, w osadzanej powłoce nie występują mikrokrople roztopionego materiału. Ponadto wykorzystanie parowania ciekłego metalu wymusza umieszczanie anody w podstawie urządzenia, przez co znacznie ograniczany jest asortyment pokrywanych elementów i detali. W obu opisanych typach urządzeń drugą elektrodę stanowią ściany komory próżniowej urządzenia, które ze względu na możliwość chłodzenia i swoją dużą powierzchnię zapobiegają nadmiernemu wydzielaniu się ciepła podczas procesu.

Urządzenie do otrzymywania twardych powłok składające się z katody mającej postać chłodzonego wodą walca i anody wykonanej z odparowywanego materiału oraz układu zapalającego łuk elektryczny umieszczonych wewnątrz odpompowywanej komory próżniowej jak też niskonapięciowego zasilacza wysokoprądowego, którego ujemny biegun podłączony jest do katody, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dodatni biegun zasilacza wysokoprądowego podłączony jest poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania do odparowywanej anody umieszczonej w ceramicznej obudowie usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym i do uziemionej komory urządzenia stanowiącej anodę dodatkową.

Zaletą wynalazku jest zwiększenie współczynnika efektywności wykorzystania materiału obu elektrod oraz możliwość osadzania powłok wieloskładnikowych, których materiały wyjściowe znacznie się różnią temperaturami topnienia.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat ideowy urządzenia.

Przedstawione na rysunku urządzenie do otrzymywania twardych powłok składa się z katody 1, mającej postać chłodzonego wodą walca, anody 2 wykonanej z odparowywanego materiału umieszczonego w ceramicznej obudowie 3 usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym 4. Elektrody zamocowane są. w podstawie komory próżniowej 10, zaś przy katodzie 1 umiejscowiony jest układ 5 zapalający łuk elektryczny. Do obu elektrod załączony jest poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania 6 niskonapięciowy zasilacz wysokoprądowy 1, przy czym ujemny biegun zasilacza wysokoprądowego 11 podłączony jest do katody 1, zaś dodatni poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania 6 do anody 2 i do uziemionej komory 10 urządzenia stanowiącej anodę dodatkową. Elektrody 1 i 2 wraz z układem zapalającym 5 umieszczone są wewnątrz odpompowywanej komory próżni owej

10. Do komory 10 doprowadzane są przez wlot gazów, w regulowanej ilości, gazy robocze.

Działanie urządzenia według wynalazku zostanie bliżej wyjaśnione na przykładzie realizacji procesu osadzania powłoki aluminoazotku tytanu. Komorę próżniową, w której umieszczone są elektrody 1 i 2 odpompowuje się za pomocą układu próżniowego do ciśnienia 10'³ Pa. Następnie za pomocą układu zasilania gazem roboczym poprzez wlot gazu w komorze próżniowej wprowadza się do niej azot w takiej ilości, aby uzyskać ciśnienie rzędu 10- - 1Pa. Po osiągnięciu tego ciśnienia do elektrod 1 i 2 oraz ściany komory próżniowej urządzenia doprowadza się poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania 6 z zasilacza wysokoprądowego 7 napięcie rzędu 20 -30 V i inicjuje się, za pomocą układu zapalającego łuk elektryczny 5 wyładowanie o natężeniu około 100 A. Załączenie napięcia do elektrod 1 i 2 urządzenia powoduje powstanie w obszarze międzyelektrodowym łuku elektrycznego jednym końcem związanego z plamką katodową na chłodzonej wodą katodzie 1, urządzenia, zaś drugim z powierzchnią anody 2. W rezultacie katoda 1 jest grzana prądem jonowym, zaś anoda 2 prądem elektronowym. Różnice wielkości między oboma wymienionymi prądami kompensowane są wielkościami spadku napięcia w obszarze anodowym i katodowym, co powoduje w miarę jednakowe wielkości mocy wydzielanej na obu elektrodach. Po zapaleniu łuku, za pośrednictwem rozdzielacza prądu 6 steruje się precyzyjnie wielkością prądu dopływającego do odparowywanej anody 2 oraz obudowy komory próżniowej 10, w taki sposób, aby utrzymać temperaturę roztopionego materiału anody 2 na zadanym poziomie. Wyładowanie łukowe 8 wytworzone w przestrzeni międzyelektrodowej powoduje odparowanie tytanu stanowią4

184 982 cego materiał katody 1 oraz odparowanie aluminium stanowiącego anodę 2 i ich zjonizowanie, przez co powstaje w komorze próżniowej 10 obszar plazmy zawierającej produkty odparowania i jonizacji materiału elektrod 1 i 2 oraz zjonizowanych atomów azotu. Jej skład jest kontrolowany przy pomocy optycznego kontrolera plazmowego 9. Produkty reakcji chemicznej azotu, i odparowanego z katody 1 tytanu oraz aluminium z anody 2, po osiągnięciu powierzchni podłoża krystallzują na jego powierzchni, tworząc powłokę twardego, odpornego na zużycie, aluminoazotku tytanu TiAlN.

184 982

184 982 do układu pompowego

plazmaT i-P Al+Nf

Τ’ plazma Ti +N

-5 . - Λ ''«ί'©,' « ' -- Λ.-'χχ&ίγ-.,'ΚΑ., plazma Ał+N jg 8

·♦

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Urządzenie do otrzymywania twardych powłok, składające się z katody mającej postać chłodzonego wodą walca i anody wykonanej z odparowywanego materiału oraz układu zapalającego łuk elektryczny umieszczonych wewnątrz odpompowywanej komory próżniowej, jak też niskonapięciowego zasilacza wysokoprądowego, którego ujemny biegun podłączony jest do katody, znamienne tym, że dodatni biegun zasilacza wysokoprądowego (7), podłączony jest poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania (6) do odparowywanej anody (2) umieszczonej w ceramicznej obudowie (3) usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym (4) i do uziemionej komory (10) urządzenia stanowiącej anodę dodatkową.