SE448242B - Forfarande for paforing av harda, motstandskraftiga overdrag av foreningar av metallerna titan, zirkonium eller hafnium med kveve, syre och kol pa underlag genom forangning eller forstoftning - Google Patents

Description

448 24~2 Särskilt känd är förstoftning av titan i kvävgas för att erhålla hårda, motståndskraftiga TiN-skikt, vilka på grund av sin glans och guldfärgade utseende bl a även kan användas för smycken och föremål för dagligt bruk. Vidare är det känt att framställa hårda, motståndskraftiga skikt genom förstoftning av titan i acetylen eller etylen, varvid titanförstoftning sker genom en elektrostråle och dessutom elektriska fält används för aktiveringen av restgas- atmosfären i förstoftningsutrymmet. En nackdel med detta förfarande ligger emellertid i den relativt höga temperatur (nästan 100000), till vilken de för beskiktning avsedda underlagen därvid uppvärms.

Många material tål icke en dylik uppvärmning och i dessa fall måste det nämnda förfarandet undvikas.

Ett likartat förfarande avser katodförstoftning av titan i kolväten under till- blandning av kväve, varvid ett kondensat av blandkristaller av titankarbid-titan- nitrid uppkommer. Dylika skikt är likaledes hårda och- nötningsbeständiga men på grund av sin karbidhalt oxidationsbenägna, särskilt när skikten vid senare an- vändning utsätts för högre telnperaturer, såsom exempelvis inträffar vid belagda verktygsskär.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att anvisa ett förfarande för påföring av motståndskraftiga, hårda överdrag av föreningar av metallerna titan, zirko- nium eller hafnium med kväve, syre och kol på underlag genom förångning eller förstoftning, som är tillförlitligt och ekonomiskt och ger överdrag, vars oxi- dationskänslighet ör väsentligt Ininskad.

Fürfaraflået eflliqt uppfinningen för påföring av hårda, motståndskraftiga över- drag genon, förångning eller förstoftning av metallen i en, en av nämnda gaser innehållande atmosfär vid undertryrk under samtidig aktivering av gasen genom en elektrisk gasurladdning varvid föreningen utfälls på underlagen,kännetecknas av att gasatmosfären, i vilken utfällningen av överdraget sker, ligger förhållandet mellan antalet syre - och kolatomer i området 0,5 till 1,5; företrädesvis inne- håller gasatmosfären kolmonnxid och påföringen sker i en elektrisk lågspännings- bågurladdning. Härvid hålls de för beskiktning avsedda arbetsstyckena resp deras hållare relativt beskiktningskanurzrnarens vägg vid en negativ spänning 4-48 242 av omkring 200 V, men även härifrån väsentligt avvikande sub- stratspänningar är ofta användbara och fördelaktiga. För att kunna upprätthålla lågspänningsbågen även vid relativt låg koncentration av de reaktiva gaserna i förstoftningskammaren, kan restgasatmosfären dessutom innehålla argon eller någon _ annan neutral gas med ett partialtryck mellan cza 5 x 10-4 och 3 x i0"3.

Förfarandet enligt uppfinningen ger överdrag eller skikt, som består av bland- kristaller av hârdmetallföreningar, bl a exempelvis av titan karbid, titannitrid och titanoxid, varvid, när det reaktiva påföringsförfarandet används, de motsvarande hårdmetallföre- ningarna bildas först under förloppet av påföringsförfarandet genom reaktion av den förstoftade metallen med restgasatmosfären.

Det är, såsom ovan nämnts, tidigare känt att framställa varje enskild av de nämnda hårdmetallföreningarna genom reaktiv på- föring i vakuum, alltså exempelvis TiN genom förångning av titanmetall i en kvävgasatmosfär, titankarbid genom förångning i en kolväteatmosfär och slutligen titanoxid med en syrgasatmos- fär. Därvid krävs en mycket noggrann inreglering och konstant-I hållning av trycket hos restgasens reaktiva komponenter, när man vill erhålla oföränderliga skikt, emedan redan relativt små avvikelser från börvärdet uppåt på grund av inbakning av gas i skikten leder till mjuka skikt, medan däremot ett allt~ för lågt partialtryck hos de reaktiva komponenterna på grund av för låg koncentration av dessa leder till en avvikelse från den önskade kemiska sammansättningen. För den reaktiva påför- ingen av blandningar (blandkristaller) har, bortsett från det nämnda fallet med katodförstoftning av titan i en kvävgas-kol- väteblandning, hittills icke något praktiskt genomförbart för- farande varit känt.

I det följande förklaras uppfinningen närmare i anslutning till några utföringsexempel. Den bifogade ritningen visar en för ut- förande av uppfinningen lämpad förstoftningsanläggning. På denna visar l en vakuumkammare med en evakueringsanslutning 8, vilken genom en öppning 18 i väggdelen 9 är förbunden med en glödkam- mare 13. I denna är en glödkatod 19 anbragt, vilken matas genom en ej visad strömförsörjningsanordning. Vid päângningskammarenx ___. _ _ f V-»Aw ---_.._.-.~-'......«»_n...._,.__.----» -e - 448 242 botter befinner sig den (eventuellt kylbara) degeln 6 för den för förstoftning avsedda metallen. I påångningskammaren är en cylindermantelformig hållaranordning 2 anordnad för upptagning av det för förstoftning avsedda substratet 3. Glödkatodkammaren 13 uppvisar dessutom en gastilledning, som kan styras genom ven- tilen l2. För alstring av ett med påângningskammarens axel väsentligen parallellt magnetfält finns en magnetspole l5. De för beskiktning avsedda arbetsstyckena fästs vid den mot ång- källan 6 riktade sidan av hâllaranordningen 2.

För våfÖfïfl9 av överdrag enligt uppfinningen införs i degeln 6 titanmetall i styckeform, därefter evakueras anlägg- ningen till l0_5 millibar, varefter en gasblandning, innehål- lande argon, kväve och kolmonoxid, införs genom ventilen 12 och bortpumpas därifrån fortlöpande över sugstudsen 8 i sådan omfattning att i glödkatodkammaren upprätthålls ett tryck av s x 10” omkring l0_3 millibar. (Man kan emellertid även för att skona millibar och i påångningskammaren ett totaltryck av glödkatoden i glödkatodkammaren införa enbart argon och i på- ångnings- eller förstoftningskammaren de reaktiva gaserna sepa- rat via ventilen l6, så att i den sistnämnda under påångningen den erforderliga reaktiva restgasatmosfären råder i en bland- ning med argon, vars tryck genom den fortlöpande bortpumpningen kan inställas till ett optimalt värde.) Den vid jordpotential belägna glödkatoden värms med 1,5 kW och därefter läggs en spän- ning av +70 V på anoden och av -50 V, såsom förspänning (bias- spänning), på substratet. Genom kortvarig anbringning av anod- spänningen på skiljeväggen 9 mellan glödkatodkammaren 13 och påångnings- eller förstoftningskammaren 1 kan sedan lågspän- ningsbågen tändas (den ovan nämnda och alla följande spännings- uppgifter hänför sig alltid till spänningsskillnader i förhål- lande till den vid jordpotential befintliga kammarväggen). En över glödkatoden flytande ström av 85 A följer. Den över anoden flytande strömmen uppgår till 100 A. Skillnaden mellan de båda strömmarna anger den ström, som flyter över substratet. Genom den till degeln 6 såsom anod flytande strömmen smälts och för- ångas det däri befintliga titanet med en hastighet av omkring 0,4 g/min. Under inverkan av den genom lñgspänningsbägurladd- ningen mellan glödkatoden och anoden starkt joniserade rest- 448 242 gasen erhåller man på det vid hâllaren 2 fästa substraten ett hårt, ytterst fast vidhäftande skikt med gulaktig färg. I olika utföringsexempel, varvid i varje fall en sådan titanförångnings- hastighet inställs att på ett testglas per minut erhålls en ut- fällning med 0,33 pm tjocklek och varvid substratspänningen alltid uppgår till -50 V, erhålls överdrag med olika färgtoner, vilka samtliga uppvisar en utomordentligt hög avnötningshåll- fasthet. l. Exempel: med pN2= 2 x 10-4 mbar/pco = i X 10-4 mbar 2. Exempel: med pN2= 2 x 10-4 mbar/pcø = 2 X 10-4 mbar 3. Exempel: med pN2= 2,5x 10-4 mbar/pco = 3 x 10-4 mbar X 10-4 mbar I »b 4. Exempel: med pN = 3 x 10-4 mbar/pco “ 2 5. Exempel: med pN2= 3,5x 10-4 mbar/pco = 4,5 x 10-4 mbar överdrag av nämnda slag har särskilt visat sig fördelaktiga för verktyg och bruksartiklar. Exempelvis kunde därmed livslängden hos borrar ökas med mer än en faktor 2.

För de 0 och C innehållande komponenterna av restgasen föredras, förutom de i exemplen nämnda kolmonoxiden, för genomförande av förfarandet enligt uppfinningen särskilt sådana föreningar eller gasblandningar vid vilka, uttryckt i atomtalsförhållanden, förhållandet mellan syre och kol ligger vid 1:1 eller därunder, exempelvis (CH4 + H20) eller (C2H2 + 02) och motsvarande kolväten i lämplig blandning med 02 eller syrehaltiga föreningar.

De ovan angivna tryckuppgifterna bör icke uppfattas såsom värden, som absolut måste iakttas, utan som sådana värden, vilka med den för utföringsexemplen använda påångnings~ eller förstoft- ningsanläggningen uppvisar optimala resultat. Beroende på an- läggningen kan de fördelaktigaste värdena underkastas variationer upptill i25%. Det kan även vara ändamålsenligt att först använda on högre potentialskillnad mellan anod och substrat för att upp- nå en högre energi hos de mot substratytun infallando partiklarna och därmed en bättre förankring och vidhäftningshållfasthet, men 448 242 så småningom minska potentialskillnaden under påföringen av ytterligare partikelskikt i överdraget.

Vid framställningen av överdragen enligt uppfinningen kan tem- peraturen hos underlagen alltid hållas under 20000 och oftast väsentligt lägre. Högglänsande överdrag erhålls, när de för beskiktning avsedda ytorna på förhand är polerade. Efterbehand- ling är icke erforderlig. Hårdheten uppgår vid alla överdrag till mer än zooo kp mnfz , mätt enligt Vickersmetoden.

Emedan genom förstoftningen de reaktiva restgaskomponenterna fortlöpande förbrukades, är det för konstanthâllning av de erforderliga partialtrycken nödvändigt att den förbrukade reaktiva gasen ständigt eller intermittent ersätts. Även i glödkatodkammaren måste fortlöpande så mycket gas (företrädes- vis argon) införas, att den av den fria medelväglängden för gasmolekylerna beroende katodfallsträckan storleksordninge- mässigt är lika med avståndet mellan glödkatoden och skilje- väggen. Det är lämpligt att elektriskt isolera skiljeväggen med öppningen mellan glödkatodkammaren och påångnings- eller för- stoftningsutrymmet och vid genomförande av förfarandet enligt uppfinningen hålla denna vid flytande potential. Förstoftnings- degeln kan antingen hållas vid positiv eller jordpotential, varvid katoden anbringas vid jord resp negativ potential. Även ett driftsätt, vid vilket både katoden och det för för- ångning eller förstoftning avsedda materialet hålls vid positiv potential relativt stommen, är möjligt. Underlagen, på vilka påångningen eller förstoftningen skall ske, befinner sig alltid vid en i förhållande till anoden negativ potential och kan dessutom tidvis (särskilt intermittent) kopplas såsom katod för en självständig gasurladdning. .. _. _. ......,......_....,.,,<-.-.-....--...-»=,»-.-.--_._ .. ,

Claims (3)

7 448 242 Patentkrav

1. Förfarande för påföring av hårda, motståndskraftiga överdrag av föreningar av metaiierna titan, zirkonium eiïer hafnium med kväve, syre och kol på underlag genom förångning e11er förstoftning av metailen i en, en av nämnda gaser innehåiiande atmosfär vid undertryck under samtidig aktivering av gasen genom en eiektrisk gasuriaddning, varvid föreningen utfäiis på underiagen, k ä n n e t e c k n a t av att i gasatmosfären, i viiken utfäiiningen av överdraget sker, iigger förhåiiandet meiian antaiet syre- och koïatomer i området 0,5 till 1,5.

2. Förfarande eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att gasatmosfären innehåiier koimonoxid.

3. Förfarande eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att påföringen sker i en eiektrisk 1ågspänningsbågurïaddning.