CH207351A

CH207351A - Verfahren zur Erzeugung festhaftender Metallüberzüge auf metallischen Gegenständen.

Info

Publication number: CH207351A
Authority: CH
Inventors: Berghaus Bernhard
Original assignee: Berghaus Bernhard
Priority date: 1937-11-19
Filing date: 1938-10-18
Publication date: 1939-10-31
Also published as: GB520592A; FR845707A

Description

Verfahren zur Erzeugung festhaftender Metallüberzüge auf metallischen Gegenständen. Das Überziehen von metalliis:chen Gegen ständen mit Metallen, zum Beispiel durch thermische Aufdampfung oder durch Katho- denzerstäubun,g des als Überzug aufzubrin genden Metalles, ist bekannt.

Die Haftfestig keit der hergestellten Überzüge auf,den Me- tallgegenst5,nden ist jedoch einer mecha nischen oder thermischen Beanspruchung nicht gewachsen, da die Basis der aufge brachten Metallschicht mit dem Grundmate rial keine ausreichende Verbindung besitzt. Das aufgedampfte oder aufgestäubte Metall, das sehr fein kristallin ist, zeigt im Schliff bild an Ader Basis eine sehr scharfe Tren nungslinie.

Das aufgebrachte Metall haftet. wie bei galvanischen Überzügen, nur durch Adhäsion und lässt sich bei einer Plattie- rungs@stärke, die bereits in sich eine mecha- nisühe Festigkeit besitzt, vom Grundmate rial abziehen.

Diese ungenügende Haftfestig keit ist bei den nach dem Verfahren gemäss vorliegender Erfindung hergestellten Über zügen vermieden, Dass erfindungsgemässe Verfahren zeich net sich dadurch aus, dass dem Gegenstand z. B. vor, während oder nach der Aufbrin gung der Metallschicht eine solche Tempe ratur erteilt wird, dass siech die Basis der aufgebrachten Metallschicht mit :dem Grund material durch Diffusion oder Legierungs- bildung verbindet.

Die Aufbringung des Me- tolles erfolgt dabei vorzugsweise im Va kuum. Der Füllgasdruck in der Apparatur kann dabei 10-6 bis 3 mm betragen.

Die Er wärmung :des Gegenstandes kann auf ver schiedene Art erfolgen. .So lassen sich zum Beispiel Widerstands-, Hochfrequenz- und Strahlungs-Erhitzung anwenden. Als beson ders vorteilhafte und leicht anwendbare Er hitzung,des Gegenstandes hat sich .die Auf heizung durch eine Gasentladung erwiesen. Der Gegenstand wird hierbei als Kathode einer Gasentladungsstrecke verwendet, wo bei die auf ihn auftreffenden Ionen, je nach der Stärke der Entladung, :

die @durch Regu lierung des Stromes oder,der Spannung sehr einfach verändert werden kann, ihm die ge wünschte Temperatur erteilen. Bei der Ka- thodenzerstäubung kann die Erhitzung des Gegenstandes auch durch die Elektronen emission der zu zerstäubenden Kathode er folgen.

Die Anordnung es zu überziehenden Ge- genstandes erfolgt dabei zweckmässig so, dass er dem Elektronenstrom ausgesetzt wird, wo bei er neutral oder als Anode der Gasentla dung geschaltet sein kann.

Je nach der Stärke der Entladungsleistung an der zu zer stäubenden Kathode ändert; sich der den Ge genstand aufheizende Elektronenstrom, so dass man es mittels der Regulierung ,der Ent ladungsleistung sehr leicht in der Hand hat, den Gegenstand auf die gewünschte Terripe- ratur zu bringen.

Bei der Kathoden7erstäu- bung kann das zu zerstäubende Metall in fester Form oder im Schmelzfluss vorliegen. Die Kathode kann auch durch. Kühlung auf eine solche Temperatur gebracht werden, dass nur die Stärke der Elektronenemission ein Mass für die einzustellende und aufrecht zu erhaltende Temperatur ist.

Die Bildung einer Legierung kann leicht erzielt werden, wenn beide Metalle, Grundmaterial und Überzugs- Metall, zusammen einen tieferen Schmelz- punkt ergeben als eines der Metalle. Je nach der Stärke der Diffusions- oder Legierungs zone kann die erforderliche Temperatur län gere oder kürzere Zeit aufrecht erhalten wer den.

Um auf dieser Zone eine Schicht aus dem Überzugsmaterial zu erhalten, wird zweckmässig die Temperatur anschliessend tiefer gewählt, so dass eine weitere Legie- rungsbildung unmöglich bezw. die Diffu- sionsgeschwindigkeit sehr stark herabgemin dert wird. Nach dem beschriebenen Verfah ren wurden zum Beispiel Überzüge erzielt. deren Stärke von '/1.o bis einige Millimeter betrug.

Die Legierungs- oder Diffusions zone kann hierbei stärker oder schwächer als eine weitere reine Metallschicht sein, es kann aber auch nur eine Diffusions- oder Legie rungszone erzeugt werden.

Man kann das -Verfahren aber auch so durchführen, dass dem zu überziehenden Ge- genstand vor, während oder nach dem Auf bringen der Metallschicht eine solche Tem peratur erteilt wird, dass das Material der Schicht auf dem Gegenstand schmelzflüssig wird. Die Aufheizung des Gegenstandes wird vorzugsweise. durch Gliminstromerhitzung vorgenommen. Vorteilhaft werden solche Me talle aufgebracht, die sich mit dem Grund- metall legieren.

Es ist: hierbei nicht immer erforderlich, dass die Temperatur des Gegen- standes der Schmelztemperatur des Über- zugsmetalle@s entspricht, vielmehr genügt es schon, um eine Anlegieiung züi erzielen, wenn mindestens die Temperatur des Eutekti- kums der Legierung auf den Gegenstand eingestellt wird.

Der @Sehmelzpunkt des Über- zugsmeta.lles kann somit auch höher liegen als der des Grundmeta.llm, sofern dieses zu- aammen mit dem Grundmaterial eine niedrig- schnielzende,

und zwar unterhalb des Schmelzpunktes des Grundmaterials schmel zende Legierung ergibt. Mit besonderem Vor- teil können Legierungen aufgebracht wer den, die einesteils einen niedrigeren Schmelz punkt zeigen als die reinen Metalle und die sich anderseits als Oberflächenschutz eignen.

Die Legierungen können dabei als Kathode direkt zerstäubt bezw. verdampft werden, oder die einzelnen Komponenten können durch gesonderte Elektroden gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge im Verhältnis der gewünschten Legierung zerstäubt bezw. verdampft werden. Die Erhitzung des Ge genstandes erfolgt dabei zweckmässig durch Glimmstromheizung,

kann aber auch auf anderem Wege erfolgen, z. B. durch Hoch frequenzheizung, Widerstandsheizung oder Strahlungserhitzung. Die Erhitzung des Ge genstandes in der Gasentladung kann durch Anlegen von Gleich- oder Wechselspannung oder durch Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung erfolgen. Die Frequenz der Wechselspannung kann eine beliebige sein. Auch Frequenzen, wie sie durch Röhren generatoren erzeugt werden, also Hochfre- quenzen, sind anwendbar.

Der zii metallisie rende Gegenstand wird hierzu vorteilhaft vor und während der Metalli.sierung dauernd oder zeitweise als Kathode gegen die Anode der Entladung .geschaltet. Durch Regelmittel, wie Widerstände, Drosseln usw. lässt sieh ,die elektrische Belastung auf dem Gegenstande entsprechend der gewünschten Temperatur einstellen.

Die Erhitzung -des Gegenstandes kann dauernd oder zeitweise erfolgen, das heisst,die elektrisch zugeführte Energie kann somit ununterbrochen oder in Zwischen pausen zur Wirkung gebracht werden.

Die Zwischenpausen können ,gegen die Heizpau- sen gross sein, so dass der Wirkungsgrad .der Aufstäubung bezw. Aufdampfung ein mög lichsthoher ist. Als einfachste Art der zeit weisen Aufheizung des Gegenstandes hat sieb die Anwendung von Wechselstrom erwiesen. wobei eine oder mehrere Halbwellen .durch Gleichrichter

oder Ventilröhren unterdrüokt werden. Die Unterbrechung von 'Gleichstrom mittels Relais gestattet, die Heizimpulse gegen die Heizpausen in beliebigem Verhält nis einzustellen.

Als vorteilhaft hat es, sich erwiesen, wenn das Verhältnis zwischenAuf - heizu ng und Heizpause so gross gewählt wird, @dass die Temperatur des Gegenstandes zwischen ,der höchsteinzustellenden 'Tempera tur und einer weit tieferen Temperatur schwankt.

Bei dem Erreichen der maximalen Temperatur erfolgt die Legierungsbildung des in der Zwischenzeit auf den kühleren Ge genstand aufgebrachten Materials, so dass es während des Aufbringens periodisch zur Legierungsbildung kommt, wodurch vermie- den wird,

dass die flüssige Legierungsschicht auf der Oberfläcbe des Gegenstandes zusam- menläuft. In den meisten Fällen genügt schon eineinmaliges kurzzeitiges Einstellen ,der zur Legierung erforderlichen Tempera tur, um eine Anlegierung des Materials zu erzielen, auf dem weiterhin bei tieferer Tem peratur das reine Metall aufgebracht werden kann.

Durch kathodische Schaltung des Ge genstandes vor Beginn des Aufbringens der ,Schicht kann eine weitgehende Reinigung des zu überziehenden Gegenstandes gewähr leistet werden.

Vor allem werden Ogydreste, die auf der Oberfläche noch haften, abge- stäubt bezw. durch entsprechende Füllgase reduziert. Wird die Schicht durch Kathoden- zerstäubung bezw. thermische Auf dampfung aufgebracht, so wird dies vorteilhaft in einem reduzierenden Gase oder Gasgemisch,

wie Wasserstoff oder einem Stickstoff- Wasserstoffgemisch vorgenommen, wodurch besonders reine und festhaftende Überzüge erreicht werden.

Mit Hilfe der beschriebenen Arbeitswei- sen kann man, Metallüberzüge auf metallische Körper beliebiger Art bringen.

@So kann man zum Beispiel Gegenständs aus Eisen, Stahl, Kupfer oder Messing, und besonders auch aus Leichtmetallen, wie Aluminium und Aluminiumlegierungen oder Magnesium und Magnesiumlegierungen, vorteilhaft mit ausser ordentlich widerstandsfähigen,

chemischen und technischen Beanspruchungen :gewachse nen Metall- oder Metallegierungsschichten überziehen. Als Überzugsmaterialien kön nen zum Beispiel Metalle der Eisengruppe wie Eisen, Kobalt, Nickel, Mangan; der - Kupfergruppe, wie Kupfer"Silber, Gold;

,der Zinkgruppe, wie Cadmium und Zink; der Chromgruppe; der Arsengruppe wie Anti mop, Wismut, ferner Aluminium, Lithium, Beryllium, Magnesium oder deren Legierun gen verwendet werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vor richtung zur Ausübung des beschriebenen Verfahrens, welche sich auszeichnet durch eine evakuierbare Kathodenzerstäubungs- kammer bezw. Metallaufdampfungskammer, ,

die von einer Gleichstrom- oder Wechsel- otromquelle gespeist wird und durch eine Anordnung zum Aufheizendes Gegenstandes mittels Glimmentladung unter Verwendung von .Schaltmitteln, um den Gegenstand, z. B.

vor oder während der Metallinierung, in die Gasentladungsstrecke zu schalten, sowie durch eine Gleich- bezw. Wechselstromquelle mit regelbarem Widerstand zum Einstellen des Glimmstromheizstromes für den Gegen stand.

Die Kathodenzerstäubungskammer bezw. Metallaufdampfungekammer kann ferner mit regelbaxer Zuleitung für ein redu zierendes Gas oder Gasgemisch, sowie mit regelbaren Erhitzungsvorrichtungen für den Gegenstand versehen sein.

In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Vorrichtung schematisch darge stellt.

In der Zeichnung, die einen 'Schnitt durch eine Anlage zum Überziehen von metal lischen Gegenständen mit l11etallen oder Le gierungen mittels Kathodenzerstäubung bezw. thermischer Aufdampfung mit einer Gleichstromquelle 12 oder Wechselstrom- quelle 22 als Zerstäubungsspannungsquelle bezw. Aufdampfungsspannungsquelle dar stellt, ist 1 die Kathodenzerstäubung@skainmer bezw. Aufdampfungskammer mit der zu zer stäubenden,

bezw. das zu zerstäubende Mate- ria-1 enthaltenden, tiegelförmigen Kathode 2 und dem zu bestäubenden, bezw. zu metalli sierenden metallischen Gegenstand 3. Die Ka.thodenzerstäubungs- bezw. Aufdamp- fungSka.mmer besteht aus einem Unterteil 4 und einem abnehmbaren Oberteil 5.

In dem Unterteil 4 ist der Katbodenhalter 6 isoliert angeordnet und von einer Abschirmung 7 in geringem Abstand umgeben. In dem Ober teil 5 ist der metallene Gegenstandshalter 8 isoliert angeordnet und von einer Abschir mung 9 in geringem Abstande umgeben, die über einen Schalter 10 und einen 11 und einen Schalter 27 mit dem positiven Pol einer Glei:

chspannungsquelle 12 oder auch einer Quelle für gleichgerichteten Wechselstrom in Verbindung steht. Der ne gative Pol der Gleiehspannunbguquelle kann einerseits über Schalter 28 und 13 mit. dein Kathodenhalter 6 und anderseits über den Schalter 29 und 14 und einen Regulierwider stand 15 mit dem Gegenstandshalter 8 in ge wünschter Reihenfolge in Verbindung ge bracht werden.

Durch den Regulier,#wider- stand 15 kann der Glimmstromheizstrom einreguliert und der Gegenstand auf jede ge- wünschte Temperatur, die das .Sclimelzeri und gegebenenfalls Anle gieren des aufgestäubten bezw. aufgedampften Materials bewirkt, ein gestellt werden.

Die Abschirmung 9 des Ge- genstandsha.lters kann ferner über die Lei- tung 16 und Schalter 17 mit der Kammer- Wandung, oder über die Leitung 18 und Sehalter 19 mit der Abschirmung 7 :des Ka thodenhalters im Bedarfsfalle in Verbindung gebracht werden. Der Schalter 30 ist bei der Anwendung von Gleichstrom geöffnet. Bei der Anwendung einer Weehselstromquelle, z.

B. eines Transformators als Zerstä.ubun.gs- spannungsquelle bezw. Verdampfungsspan- nungsquelle, werden dies Schalter 27, 28, 29 geöffnet und die Schalter 14 und 3,0 geschlos sen. Die Abschirmung 9 steht in diesem Fälle über dem Schalter 111 und ein Absperrventil 20 für den negativen Wechsel über einen- Um schalter 21 mit dein einen Pol eines Hoch- spannunb wechselstromtransformators 22 in Verbindung.

Der Transformator kann mit seinem andern Pol über einen Umschalter 23 und einem Re-ulie.rwideiutand 15 und ein diesem parallelgeschaltetes Sperrventil 2:5 für den negativen Wechsel mit dem Gegenstands halter 8 und damit dem Gegenstand 3, oder anderseits mit einer Leitung 26 in Verbin dung gebracht werden, die zur Abschirmung 9 des Gegenstandshalters über das Sperrven til 20 für den negativen Wechsel führt.

Durch den Umschalter 21 kann der eine Pol des Transformators ferner mit dem Katho denhalter 6 und damit mit :der zu zerstäuben den bezw. der das zu verdampfende Material enthaltenden, tzegelförmigen Kathode 2 in Verbindung gebracht werden. Die einzel nen Schalter können in jeder gewünschten Reihenfolge betätigt werden. 31 isst eine Lei tung, die zu einer Vakuumpumpe führt und 32 ist eine Zuleitung für ein reduzierendes Gas, wie Wasserstoff, oder ein reduzierendes Gasgemisch, z.

B. ein Wasserstoffsticktstoff- gemiscli, dessen Zustrom durch das Regel ventil 33 eingestellt wird.

Es wurde zum Beispiel wie folgt verfah ren: Eine Platte aus Kupfer von den Abmes sungen 120 > < 120 X 0,75 mm wurde in d en Gegenstandshalter 8 eingesetzt und alsdann ein reduzierendes Cras, wie Wasserstoff. durch die Leitung 32 über Ventil 33 in sol cher Menge zugeleitet, da.ss ein Druck von 0,7 mm H- dauernd erhalten ])lieb. Zuerst wurde der Gegenstand bei1300 Volt Ent- ladungsspannung als Kathode geschaltet, 10 Minuten lang gereinigt.

Alsdann wurde die Platte mit 2,5 Watt/cm' Entladungslei- stung belastet, wobei sich eine Temperatur von etwa 850 bis900' C einstellte, und als dann Silber bei einer Zerstäubungsbelastung von 3-3 Waatt/em' zerstäubt bezw. aufge dampft.

Das auf die Platte gelangende Sil- be@r legierte sich mit dem Kupfer zu einer ausserordentlich festhaftenden Metallschicht. Der Druck bei :dem Verfahren betrug .etwa 0,7 mm FI@g; die Zerstäubungssp@annung 43,00 Volt; die Heizspannung 1700 Volt;

und das Zerstäubungs- bezw. Füllgas war Was- serstoff. Nach Beendigung der Schmelzauf- stäubung kann; der Gegenstand im Bedarfs falle in,der Kammer noch einer Nachtempe- rung, auch bei einer gleichzeitigen reinen Metallaufstäubung bezw. Metall:aufdampfung unterworfen werden.

Nach Beendigung der Behandlung wird der Gegenstand im Va kuum abgekühlt und :dann aus der Kammer entfernt.

Die Aufheizung :des Gegenstandes zum Zwecke des Schmelzens des ;aufgebrachten Materials kann auch nach der Aufstäubung bezw. Aufd@ampfung in einem besonderen Ofen vorgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRUCH I: Verfahren zur Erzeugung festhaftender Metallüberzüge auf metallischen Gegenstän- den,dadurch gekennzeichnet, dass dem IGe- genstandeine solche Temperatur erteilt wird, dass sich die Basis der aufgebrachten Me tallschicht mit dem Grundmaterial durch Diffusion oder verbindet. UNTERANSPRüCHE 1.

Verfahren nach Patentaaispruch I, :da- :durch gekennzeichnet, dass die genannte Temperatur dem Gegenstand vor der Aufbringung der Metallschicht erteilt wird. 2.

Verfahren nach Patentanspruch I, @da- durch gekennzeichnet, @dass die genannte Temperatur dem Gegenstand während .der Aufbringung der Metallschicht er teilt wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I, da- .durch gekennzeichnet, dass die genannte Temperatur dem Gegenstand nach der Aufbringung :der Metallschicht erteilt wird.

Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, d:ass die Aufbrin gung :des Metallüberzuges durch ther mische Verdampfung im Vakuum vorge- nommen_ wird. 5.

Verfahren nach Patentanspruch I, da- .durch gekennzeichnet, dass die Aufbrin- gung :des Metallüberzuges. durch KaIho- denzers:täubung im Vakuum vorgenom men wird. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass .das Aufbrin gen des Überzuges bei einem Füllgas druck in der Apparatur von 10-b bis 3 mm erfolgt. 7.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, :dass der Gegenstand durch eine Gars- entla@dung aufgeheizt wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeieh- net, dass dem Gegenstand eine solche Temperatur erteilt wird, .dass das aufge stäubte Material auf dem Gegenstand schmelzflüssig wird. 9.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 6 und 8, @dadurch ge- kennzeiehnet, dass :die Aufheizung des Gegenstandes durch Glimmstromer- hitzung vorgenommen wird. 10. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 6 und 8, :dadurch ge kennzeichnet, dass solche Metalle aufge bracht werden, -die sich mit dem Grund- metall legieren. 11.

Verfahren mach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, :dass die Temperatur des 'Gegenstan- des mindestens so hoch gewählt wird, :d@ass sie der Temperatur des Eutekti- kums aus aufgebrachtem Metall und dem Grundmaterial entspricht. 12.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, -dass Legierungen aufgebracht wer den. 18. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass der zu metallisierende Gegen stand vor der Metallisierung minde stens zeitweise als Kathode geschaltet wird. 14.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass der zu metallisierende Gegen stand während der Metallisierung min destens zeitweise als Kathode ,geschaltet wird. 15. Verfahren nach Patentanspruch I, bei dem der Gegenstand durch Glimmstrom erhitzung soweit erhitzt wird, dass das aufgebrachte Metall schmelzflüssig wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf bringen des Metallüberzuges in einer re duzierenden Gasatmosphäre bei Unter druck vorgenommen wird. 16.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 15, dadurch gekennzeich net, dass das Aufbringen des Metallüber zuges in einer Wa;s@serstoffatmosphäre erfolgt. 17. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 15, dadurch gekennzeich net, dass das Aufbringen des Metallüber zuges in einer Wasserstoff-Stickstoff- atmosphäre erfolgt. 18.

Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auf schmelzen des ersten Metallüberzuges ein Aufbringen von reinem Metall bei nie drigerer Temperatur vorgenommen wird. 19. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 6, 8 und 18, da durch gekennzeichnet, dass der metalli sierte Gegenstand einer Nachtemperung in einer Kathodenzerstäubungs- bezw. Aufdampfungakammer unterworfen wird. 20.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass die Aufheizung des Gegenstan- des in einem andern Raum erfolgt als das Aufbringen des Metallüberzuges. PATENTANSPRUCH II:

Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, gekennzeich net durch eine evakuierbare Kathodenzer- stäubungs- bezw. Au.fdampfungskammer, die von einer Gleichstrom- oder Wechselstrom- quelle gespeist wird und durch eine Anord nung zum Aufheizen des Gegenstandes mit tels Glimmentladung unter Verwendung von Schaltmitteln,

um den Gegenstand minde stens zeitweise als Kathode in die Gasent- ladungsstrecke zu schalten, sowie durch eine Gleichstrom- bezw. Wechselstromquelle mit regelbarem Widerstand zum Einstellen des Crllmmstrom-Heizstromes für den Gegen stand.

UNTERANSPRUCH: 1. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine evakuierba.re Kathodenrxrstäubungs- bezw. Aufdamp- fungskammer mit regelbarer Zuleitung für reduzierendes Gas, sowie mit regel baren Erhitzungsvorriclitungen für den Gegenstand.