CN111455326A - 一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，属于涂镀层技术领域。一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，包括：底座、安装座、靶材以及管道；底座设有通孔；安装座呈顶部封口的圆筒形，安装座的底部与底座连接，并且安装座的内腔与通孔连通；靶材套设在安装座的外侧，靶材与安装座的外侧壁之间设有低熔导电填充层；管道从通孔伸入安装座的内腔。本发明在进行真空电弧镀时，高能电弧能够持续放电，冷却水持续、快速带走产生的热量，降低靶材冷却时间，避免靶材局部熔化，从而避免靶材以“液滴”形式沉积在工件上，提高了涂镀层性能和质量。

Description

一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置

技术领域

本发明涉及涂镀层技术领域，具体涉及一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置。

背景技术

真空电弧镀是指运用场致发射和阴极放电原理，通过电弧放电能量将阴极靶材金属元素气化、电离后，在电场负偏压作用下加速沉积到零件表面，形成涂镀层的一种工艺方法。根据所选靶材成分及辅助气氛组成的不同配比，可以涂镀各类耐热、耐腐蚀、耐磨、装饰涂镀层，目前已广泛应用于航空航天、汽车制造、磨具加工等领域。

目前受限于薄壁靶材受热易变形的工艺特点，靶材与靶材安装座采用间隙配合，依据靶材成分不同，常见间隙约0.5-2mm。真空电弧镀功率可达15-20KW，电弧能量极高，可将金属靶材元素直接气化电离后形成涂镀层，但因间隙配合热辐射传递热量效率较低，靶材近弧区温度较高，当使用低熔点合金靶材时，极易产生局部熔化，并以“液滴”形式沉积，该缺陷会大幅降低涂镀层性能，因此，常规工艺中采取“加工-暂停-加工-暂停”的循环间歇生产模式，以降低靶材温度，尽可能减少“液滴”沉积，但这样会导致工件涂镀时间增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，以解决现有真空电弧镀通过循环间歇生产模式来降低靶材温度而导致的工件涂镀层质量差、工件涂镀时间长的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，包括：底座、安装座、靶材以及管道；底座设有通孔；安装座呈顶部封口的圆筒形，安装座的底部与底座连接，并且安装座的内腔与通孔连通；靶材套设在安装座的外侧，靶材与安装座的外侧壁之间设有低熔导电填充层；管道从通孔伸入安装座的内腔。

本发明在靶材与安装座之间设置低熔导电填充层，安装座连通电流并在靶材的外表面产生高能电弧时，高能电弧产生的热量的传递方式由原有的热辐射改变为热传递效率更高的热传导，将热量通过低熔导电填充层传导至安装座，而管道从下到上通入冷却水，冷却水进入安装座后，与安装座的内表面接触，从而快速带走安装座的热量。高能电弧能够持续放电，冷却水持续、快速带走产生的热量，降低靶材冷却时间，避免靶材局部熔化，从而避免靶材以“液滴”形式沉积在工件上，提高了涂镀层性能和质量，而且高能电弧持续放电能够减少起弧次数，减少由于起弧引起的靶材不均匀性，提高涂覆均匀性。

为了使低熔导电填充层填满安装座与靶材之间的间隙，低熔导电填充层的材质可以选用熔点较低的导电材质，此时，通过熔化——灌注——凝固的方式填满安装座与靶材之间的间隙，同时，靶材使用完后，对安装座的外侧进行加热，使低熔导电填充层材料熔化或软化，即可对原有的靶材和安装座进行分离，安装座可以循环使用，只需要在安装座上重新安装新的靶材即可再次进行电弧镀。

由于靶材受热会变形，低熔导电填充层不但能起到传递热量的作用，还因熔点低而具有受让作用，即低熔导电填充层受热后呈液态，会随着靶材的挤压变形而变形，以匹配薄壁靶材受热易变形的工艺特点。此外，由于安装座与靶材之间没有间隙，也就杜绝了靶材内表面电击打现象，提升生产安全性和设备寿命。

进一步地，上述安装座包括从上到下依次连接的顶盖、限位筒以及限位座；靶材套设在限位筒的外侧，并且靶材的底部与限位座连接。

本发明的靶材的底部与限位座连接时，避免在灌注低熔导电填充层材料时，低熔导电填充层材料从安装座与靶材之间的间隙的底部流出。

进一步地，上述靶材的底部与限位座榫卯连接，并且靶材与限位座之间的连接处设有高温密封圈。

本发明的高温密封圈不但能够对安装座与靶材之间的间隙的底部进行密封，还能避免被熔融状态的低熔导电填充层破坏。

进一步地，上述限位筒的内部设有磁场线圈。

本发明的磁场线圈用于对高能电弧进行导引，即靶材外表面产生的高能电弧在位置上与磁场线圈的位置相对应，高能电弧产生的位置更加准确和集中。

进一步地，上述磁场线圈的顶部在竖直方向上的位置低于管道的管口所处的位置。

由于高能电弧在位置上与磁场线圈的位置相对应，即靶材与磁场线圈相对应的位置会产生高温，而管道的管口高于磁场线圈的顶部，即管口流出的冷却水能有效对安装座产生高温的位置进行冷却。

进一步地，上述磁场线圈套设在管道的外侧。

进一步地，上述顶盖的外侧套设有上屏蔽罩，限位筒的下部、限位座以及底座的外侧套设有下屏蔽罩，磁场线圈在竖直方向上的位置位于上屏蔽罩和下屏蔽罩之间。

本发明的上屏蔽罩和下屏蔽罩用于减小在靶材外表面产生高能电弧的区域，再通过磁场线圈的导引，使高能电弧产生的位置更加集中。

进一步地，上述管道的外侧壁与安装座的内侧壁以及通孔的侧壁之间具有间隙。

本发明的管道伸入安装座后，与安装座的内侧壁之间不接触，冷却水从下到上进入安装座的内部后，会从安装座的内侧壁与管道的外侧壁之间向下流动，不但能够有效带走安装座的热量，而且安装座的散热均匀。

进一步地，上述低熔导电填充层的材质的熔点为100℃至300℃。

本发明较低熔点的低熔导电填充层的材质在受热后会软化，从而具有受让作用，即随着靶材的变形而变形，以匹配薄壁靶材受热易变形的工艺特点。

进一步地，上述低熔导电填充层的材质为锡膏。

本发明的低熔导电填充层采用锡膏，具有低熔点、高流动性和优良的延展性，可快速填充满安装座与靶材之间的间隙，且不易产生碎裂、脱落等情况，填充过程简单快速。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在进行真空电弧镀时，高能电弧能够持续放电，冷却水持续、快速带走产生的热量，降低靶材冷却时间，避免靶材局部熔化，从而避免靶材以“液滴”形式沉积在工件上，提高了涂镀层性能和质量。

(2)本发明的高能电弧持续放电能够减少起弧次数，减少由于起弧引起的靶材不均匀性，提高涂覆均匀性，同时避免常规循环间歇生产的方式，即停弧的方式来降低靶材温度，缩短了工件涂镀时间。

(3)本发明的安装座与靶材之间具有低熔导电填充层，即消除了间隙，也就杜绝了靶材内表面电击打现象，提升生产安全性和设备寿命。

(4)本发明的安装座能够循环使用，只需要简单地进行加热，即可对原有的靶材和安装座进行分离，只需要在安装座上重新安装新的靶材即可再次进行电弧镀。

(5)本发明的低熔导电填充层采用锡膏，具有低熔点、高流动性和优良的延展性，可快速填充满安装座与靶材之间较小的间隙，且不易产生碎裂、脱落等情况，填充过程简单快速。

附图说明

图1为本发明的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置的结构示意图；

图2为本发明的安装座的结构示意图；

图3为本发明的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置在进行真空电弧镀时的结构示意图。

图中：10-底座；11-通孔；20-安装座；21-顶盖；22-限位筒；23-限位座；24-高温密封圈；25-高能电弧；30-靶材；40-管道；50-低熔导电填充层；60-上屏蔽罩；70-下屏蔽罩；80-磁场线圈；90-工件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

请参照图1和图2，一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，包括：底座10、安装座20、靶材30以及管道40。底座10的中部设有通孔11。安装座20呈顶部封口的圆筒形，安装座20的底部通过螺栓与底座10的顶部连接，并且安装座20的内部与通孔11连通。靶材30呈环形，其套在安装座20的外侧，靶材30与安装座20之间设有低熔导电填充层50。管道40从通孔11伸入到安装座20的内部。

安装座20包括从上到下依次设置的顶盖21、限位筒22以及限位座23。顶盖21的外侧通过螺栓连接有上屏蔽罩60。限位筒22的内侧设有磁场线圈80，磁场线圈80套设在管道40上并且磁场线圈80的顶部低于管道40位于限位筒22内的管口所处的位置。靶材30套设在限位筒22的外侧，根据靶材30成分的不同，靶材30与限位筒22之间的间隙为0.5至2mm，靶材30的底部与限位座23之间榫卯连接，并且在靶材30与限位座23之间连接的位置设有高温密封圈24。底座10的外侧、限位座23的外侧以及限位筒22的下部外侧套设有下屏蔽罩70，磁场线圈80在竖直方向上的位置位于上屏蔽罩60和下屏蔽罩70之间。

在本实施例中，顶盖21、限位筒22以及限位座23一体成型；管道40的轴线与限位筒22的轴线重合，并且管道40的外侧壁与限位筒22的内侧壁之间具有间隙，同时磁场线圈80的外侧也与限位筒22的内侧壁之间具有间隙，使得冷却水在安装座20的内侧壁与管道40的外侧壁之间向下流动时，不但能够有效带走安装座20的热量，而且安装座20的散热均匀。

为了避免高能电弧25出现在靶材30外侧的同一位置，在本发明的其它实施例中，磁场线圈80固定套设在管道40上，管道40的底部通过电机带动做竖直方向上往复运动，分散受热位置，达到均匀受热、均匀冷却的目的。

低熔导电填充层50材质的熔点在100℃至300℃之间，熔点较低的材质在受热后会软化，从而具有受让作用，即随着靶材30的变形而变形，以匹配薄壁靶材30受热易变形的工艺特点。在本实施例中，采用锡膏作为低熔导电填充层50，锡膏具有低熔点、高流动性和优良的延展性，可快速填充满安装座20与靶材30之间的间隙，且不易产生碎裂、脱落等情况，填充过程简单快速。

在向安装座20和靶材30之间填充锡膏时，先将锡膏加热熔化，将熔化的锡膏采用工装导流至安装座20和靶材30之间的间隙中，如采用漏斗形状的工装，之后熔化的锡膏冷却后凝固，填充满间隙形成低熔导电填充层50。

请参照图3，本申请真空电弧镀装置的工作原理：(1)将锡膏熔化，并灌入到安装座20与靶材30之间的间隙中，锡膏冷却后形成低熔导电填充层50，低熔导电填充层50填满安装座20与靶材30之间的间隙；(2)在装置的四周放置工件90；(3)向安装座20通电流，通过磁场线圈80的导引作用，靶材30的外侧壁对应磁场线圈80的位置产生高能电弧25，使靶材30的外侧面的靶材元素气化，气化的靶材元素向周围游离，最终沉积在工件90的表面，形成涂镀层；(4)高能电弧25在气化靶材元素的同时，还产生大量热量，热量沿靶材30——低熔导电填充层50——安装座20的方向以热传导的方式传递，靶材30受热后变形，低熔导电填充层50受热后软化，不但对靶材30的变形具有受让作用，随靶材30的变形而变形，还不会导致安装座20的变形，同时还能通过热传导的方式传递热量；(5)管道40通入冷却水，冷却水在管道40中从下到上流动，冷却水流出管口后，向四周蔓延，通过热传导的方式带走安装座20内侧壁的热量，从而降低靶材30在高能电弧25作用下的温度，提高工件90涂镀层的质量，而且整体上降低了靶材30冷却时间，在整个电弧镀过程中，不需要“加工-暂停-加工-暂停”的工作模式来对靶材30进行冷却，整个过程不需要熄弧，减少了涂镀工作时间，同时，能够减少起弧次数，减少由于起弧引起的靶材30不均匀性，提高涂覆均匀性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，包括：底座(10)、安装座(20)、靶材(30)以及管道(40)；所述底座(10)设有通孔(11)；所述安装座(20)呈顶部封口的圆筒形，所述安装座(20)的底部与所述底座(10)连接，并且所述安装座(20)的内腔与所述通孔(11)连通；所述靶材(30)套设在所述安装座(20)的外侧，所述靶材(30)与所述安装座(20)的外侧壁之间设有低熔导电填充层(50)；所述管道(40)从所述通孔(11)伸入所述安装座(20)的内腔。

2.根据权利要求1所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述安装座(20)包括从上到下依次连接的顶盖(21)、限位筒(22)以及限位座(23)；所述靶材(30)套设在所述限位筒(22)的外侧，并且所述靶材(30)的底部与所述限位座(23)连接。

3.根据权利要求2所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述靶材(30)的底部与所述限位座(23)榫卯连接，并且所述靶材(30)与所述限位座(23)之间的连接处设有高温密封圈(24)。

4.根据权利要求3所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述限位筒(22)的内部设有磁场线圈(80)。

5.根据权利要求4所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述磁场线圈(80)的顶部在竖直方向上的位置低于所述管道(40)的管口所处的位置。

6.根据权利要求5所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，磁场线圈(80)套设在所述管道(40)的外侧。

7.根据权利要求6所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述顶盖(21)的外侧套设有上屏蔽罩(60)，所述限位筒(22)的下部、所述限位座(23)以及所述底座(10)的外侧套设有下屏蔽罩(70)，所述磁场线圈(80)在竖直方向上的位置位于所述上屏蔽罩(60)和所述下屏蔽罩(70)之间。

8.根据权利要求1至7任一项所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述管道(40)的外侧壁与所述安装座(20)的内侧壁以及所述通孔(11)的侧壁之间具有间隙。

9.根据权利要求8所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述低熔导电填充层(50)的材质的熔点为100℃至300℃。

10.根据权利要求9所述的用于降低靶材冷却时间的真空电弧镀装置，其特征在于，所述低熔导电填充层(50)的材质为锡膏。

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