ES2228830T3 - Evaporador de arco con guia magnetica intensa para blancos de superficie amplia. - Google Patents
Evaporador de arco con guia magnetica intensa para blancos de superficie amplia.Info
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Abstract
Incorporando un ánodo (1) y un cátodo o blanco (2), del que se obtiene el material evaporado que va a ser suministrado a la pieza a recubrir (10) en el seno de una cámara de vacío, y donde con una guía magnética se intenta que la acción del arco eléctrico sobre el blanco se desplace sobre toda la superficie del mismo, de forma homogénea, la citada guía magnética está constituida mediante dos sistemas magnéticos independientes, un primer sistema magnético constituido por un conjunto de imanes permanentes (3) situados en la periferia del cátodo o blanco (2), en disposición sensiblemente coplanaria con el mismo, de manera que su imantación es perpendicular a la superficie de dicho blanco (2), y un segundo sistema magnético constituido por un electroimán (4-5), situado en la parte posterior del blanco (2), alojado en el cuerpo eléctricamente aislante (6) del evaporador y a cierta distancia de dicho blanco (2), con al menos uno de sus polos magnéticos paralelo a la superficie de dicho blanco (2), de manera que la acción combinada de los dos sistemas magnéticos determina un uso o consumo uniforme del blanco (2), a la vez que un aumento en la fiabilidad del evaporador.
Description
Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia.
La presente invención se refiere a un evaporador
de arco, es decir a una máquina destinada a evaporar un material,
conductor eléctrico, de manera que dicho material, en forma de
vapor, puede desplazarse en el seno de un medio de vacío, para
depositarse sobre la superficie de la pieza a revestir.
El objeto de la invención es conseguir un
evaporador de arco que, incluyendo una guía magnética intensa,
permite guiar el punto catódico del arco en una infinidad de
trayectorias distintas, seleccionables individualmente y que
abarcan toda la superficie del blanco, con el fin de conseguir un
uso uniforme del mismo. Asimismo, la guía magnética intensa provoca
un estrangulamiento o estrechamiento del punto catódico, lo cual
incrementa la temperatura e ionización del material emitido,
facilitando la obtención de recubrimientos de buena calidad.
Por otro lado, la guía magnética intensa
contribuye a aumentar la fiabilidad del evaporador de arco, al
imposibilitar que el arco se desplace accidentalmente a un punto
distinto de la superficie de evaporación.
Como ya se ha apuntado en el párrafo anterior,
los evaporadores de arco son máquinas para evaporar un material,
conductor eléctrico, y emitirlo en el interior de una campana de
vacío en forma de vapor que puede desplazarse por el interior de la
misma. Normalmente el material a evaporar se encuentra en forma de
placa, una de cuyas caras está refrigerada por agua y la otra se
dirige hacia el interior de la campana de vacío, en situación de
enfrentamiento a la pieza sobre la que se desea la deposición de los
vapores emitidos, provocándose la evaporación del material al hacer
saltar un arco eléctrico de corriente continua, de aproximadamente
22 voltios y 80 amperios, entre un electrodo refrigerado que actúa
como ánodo y la placa conductora que interesa evaporar y que actúa
como cátodo, introduciéndose adicionalmente en la cámara de vacío,
habitualmente, una pequeña cantidad de gas necesaria para el
mantenimiento del
arco.
arco.
De forma más concreta el arco eléctrico actúa
sobre la superficie de la placa a evaporar de forma concentrada
sobre un único punto, punto catódico que se va desplazando de forma
aleatoria por la superficie externa de la placa, lo que produce un
desgaste de dicha placa poco homogéneo, o lo que es lo mismo, no se
consigue un buen aprovechamiento del material constitutivo de dicha
placa, cuyo costo es muy elevado.
Para corregir este problema de falta de
homogeneidad en el desgaste de la placa se intenta controlar y
dirigir el movimiento del arco eléctrico, utilizándose a tal fin
guías magnéticas que generan campos que pueden modificar de forma
controlada la trayectoria del arco eléctrico.
Existen en la actualidad distintas soluciones
para dichas guías magnéticas destinadas todas ellas a intentar
controlar el movimiento del arco sobre el cátodo con el fin de
optimizar un desgaste homogéneo, entre las que caben destacar las
siguientes:
- -
- La Patente Estadounidense Nº 4.673.477 describe una guía magnética que utiliza un imán permanente que se desplaza, por medios mecánicos, en la parte posterior de la placa a evaporar, de tal manera que el campo magnético variable que genera este imán permanente produce un guiado del arco eléctrico sobre el cátodo. Esta máquina incorpora opcionalmente también un arrollamiento magnético que rodea la placa cátodo con el fin de reforzar o reducir la fuerza del campo magnético en una dirección perpendicular a la superficie activa del cátodo y así mejorar el guiado del electrodo. El problema que presenta esta máquina es que el sistema magnético de imanes permanentes móviles es muy complejo mecánicamente y por tanto susceptible de averías.
- -
- La Patente Estadounidense Nº 4.724.058 se refiere a una guía magnética que incorpora unas bobinas colocadas en la parte posterior de la placa cátodo, que guían el arco eléctrico en una única dirección paralela a la que sigue la bobina. Con el fin de reducir el efecto de desgaste preferente en una única trayectoria se utilizan métodos que tratan de debilitar el efecto de guiado del campo magnético de forma que a éste se superponga una componente aleatoria. En concreto, se ha previsto que el campo magnético generado por la bobina se conecte y desconecte de forma que la mayor parte del tiempo el arco se desplace sobre el cátodo de forma aleatoria, y una parte muy pequeña se encuentre guiada por el campo magnético. El problema de esta máquina es que, finalmente, el guiado se produce durante muy poco tiempo y el resto es aleatorio con lo que no se puede garantizar un control preciso y eficiente del desgaste de la placa cátodo.
- -
- La Patente Estadounidense Nº 5.861.088 describe una guía magnética que incluye un imán permanente situado en el centro del blanco y en su cara posterior, y una bobina que rodea el citado imán permanente constituyendo el conjunto un concentrador de campo magnético. El sistema se complementa con una segunda bobina colocada en el exterior del evaporador. El problema de esta máquina es que el campo magnético generado es débil y por lo tanto también el guiado que produce sobre el arco eléctrico.
- -
- La Patente Estadounidense Nº 5.298.136 describe una guía magnética para blancos gruesos en evaporadores circulares, que comprende dos bobinas y una pieza magnética de configuración especial que se adapta a los bordes del blanco a evaporar, de tal forma que el conjunto funciona con un solo elemento magnético, con dos polos magnéticos. Aunque esta configuración permite desplazar la trayectoria del arco en cierto grado, no es capaz de desplazar la trayectoria del mismo hasta el borde exterior del blanco o una distancia pequeña del mismo por lo que para aprovechar eficientemente el material del cátodo, la guía debe ser lo suficientemente débil como para permitir que al movimiento forzado magnéticamente se superponga una componente aleatoria.
En resumen, todos los sistemas de guías
magnéticas conocidos presentan la problemática de que si se quiere
obtener un desgaste uniforme de toda la superficie del cátodo, el
arco debe poder desplazarse con cierta libertad y por tanto se
deben utilizar guías débiles (de intensidades magnéticas reducidas),
por lo que no es posible mantener el control sobre la trayectoria
del arco en todo momento.
Si por el contrario se utilizan guías magnéticas
muy intensas, no es posible conseguir un desgaste uniforme de toda
la superficie del blanco o cátodo.
El evaporador de arco que la invención propone
resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática
anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes
aspectos comentados, merced a la incorporación de una guía magnética
intensa pero que, por su especial configuración, permite guiar el
punto catódico del arco en una infinidad de trayectorias distintas
seleccionables individualmente y que abarcan toda la superficie del
blanco, incluyendo los bordes y centro del mismo, consiguiéndose un
consumo uniforme del blanco o cátodo.
Para ello y de forma más concreta dicho
evaporador centra sus características en el hecho de que su guía
magnética está formada por dos sistemas magnéticos independientes,
esto es, por cuatro polos magnéticos, lo cual permite jugar con los
valores de las intensidades magnéticas de ambos sistemas y conseguir
que la componente perpendicular del campo magnético resultante sea
nula en el punto deseado de la superficie del blanco, consiguiendo
así el guiado del arco según cualquier trayectoria, desde el centro
del blanco hasta sus bordes extremos.
De esta forma, al tener un sistema que permite
garantizar el guiado del arco en todos los puntos del blanco, es
posible utilizar sistemas magnéticos fuertes que permiten por tanto
aplicar grandes intensidades magnéticas en cada una de las
trayectorias, lo cual provoca un fuerte estrangulamiento del punto
catódico, que implica un aumento importante en la temperatura y
grado de ionización del material emitido, facilitando en buena
medida la obtención de recubrimientos de buena calidad. También
aumenta la fiabilidad del evaporador, ya que los campos magnéticos
intensos sujetan firmemente un punto en el cual se aplica el arco
sobre la trayectoria seleccionada, evitando que pueda desplazarse
accidentalmente sobre alguna zona no prevista.
En concreto, los dos sistemas magnéticos que
constituyen la guía pueden ser un sistema de imanes permanentes muy
potentes y un sistema de electroimanes, también muy potente, que
garantizan una intensidad magnética muy alta y por tanto un buen
control sobre el arco eléctrico pero, a la vez es posible actuar
sobre los electroimanes variando su intensidad, lo que produce un
cambio en la trayectoria del arco sobre el blanco. Por lo tanto,
con este sistema conseguimos una guía magnética fuerte que además
permite variar, y por tanto controlar, las trayectorias del arco
sobre el blanco consiguiendo así un desgaste uniforme de toda la
superficie del mismo.
También se podría sustituir el sistema de imanes
permanentes por un segundo sistema de electroimanes, ya que el
funcionamiento del conjunto sería similar.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática en sección de un evaporador de arco rectangular con guía
magnética intensa realizado de acuerdo con el objeto de la presente
invención.
La figura 2.- Muestra, también según una
representación esquemática, una vista en planta del evaporador de la
figura anterior.
Las figuras 3, 4 y 5 reproducen la sección de la
figura 1, a la que en la figura 3 se ha añadido una gráfica de la
componente vertical del campo magnético creado por los imanes
permanentes situados en el exterior, en la figura 4 una gráfica
similar pero correspondiente a los campos magnéticos creados por el
electroimán situado en la parte posterior del blanco cuando se
aplican distintas intensidades eléctricas en el electroimán y en la
figura 5 los campos magnéticos creados por los imanes permanentes
situados en el exterior del evaporador más el electroimán situado en
la parte posterior del blanco, igualmente cuando se aplican
distintas intensidades eléctricas al electroimán.
La figura 6.- Muestra una sección similar a la de
la figura 1, según una variante de realización en la que se ha
modificado la forma del material permeable del electroimán.
La figura 7.- Muestra, finalmente, otra sección
similar a la de la figura 1 pero correspondiente a otra variante de
realización del invento en la que se sustituyen los imanes
permanentes del exterior del evaporador por sendos
electroimanes.
A la vista de las figuras reseñadas, y
especialmente de las figuras 1 y 2, puede observarse como en el
evaporador de arco que la invención propone participa un ánodo (1)
y un cátodo o blanco (2), así como una guía magnética, de manera que
el arco eléctrico de corriente continua se establece, lógicamente,
entre el ánodo (1) y el blanco (2) que actúa como cátodo de dicho
arco eléctrico y por tanto emite material desde su superficie.
Para asegurar que el punto del blanco (2) sobre
el cual actúa el arco (punto en el cual la componente perpendicular
del campo magnético es nula) se desplaza por toda la superficie de
dicho blanco (2) de forma homogénea, se utiliza una guía magnética
compuesta por dos sistemas magnéticos independientes, un primer
sistema magnético formado por un conjunto de imanes permanentes (3)
situados en la periferia del evaporador y de manera que su
imantación es perpendicular a la superficie del blanco, y un
segundo sistema magnético constituido por un único electroimán
(4-5) situado en la parte posterior del blanco, a
cierta distancia de éste, estando el polo magnético mas cercano al
blanco (2) paralelo a la superficie del citado blanco.
El electroimán (4-5) situado en
la parte posterior del blanco (2) consta de un núcleo (4) de un
material de elevada permeabilidad magnética y escasa coercitividad,
tal como hierro dulce, rodeado por una bobina eléctrica (5) que se
encarga de generar el flujo magnético necesario para magnetizar el
hierro dulce, adoptando el citado núcleo (4) una sección
rectangular, mostrada en la figura 1, con los dos polos magnéticos
dispuestos paralelamente a la superficie del blanco (2).
De forma más concreta, el electroimán
(4-5) queda alojado y perfectamente encajado en el
seno del cuerpo (6) del evaporador, que configura una especie de
cazoleta a cuya embocadura se acopla el cátodo o blanco (2) que se
fija con la colaboración de tornillos no representados, quedando el
electroimán (4-5) situado por debajo del blanco y a
una cierta distancia de éste para garantizar que el campo magnético
es suficientemente homogéneo en la superficie del blanco,
definiéndose así entre el blanco (2) y el electroimán
(4-5) una cámara (11) que puede ser utilizada para
colocar los sistemas necesarios para asegurar la adecuada
refrigeración del blanco (2), así como el resto de los componentes
del evaporador. Como se ha indicado, la altura de esta cámara de
refrigeración viene dada por la necesidad de que exista una cierta
distancia entre la cara superior del núcleo ferromagnético y la
superficie de evaporación, a fin de que el campo magnético sobre
ésta sea suficientemente uniforme.
El conjunto se complementa con una base exterior
(9), unos tirantes laterales y exteriores (8) y una barrera de
listones (13) que configuran un marco que, además de proteger los
tornillos que fijan el blanco (2) al cuerpo (6), confinan el arco
dentro del blanco, delimitando así la superficie de evaporación. A
su vez, los listones aislantes (13) están fijados por tornillos
(7') adecuadamente aislados eléctricamente. Todos estos elementos,
listones (13), tirantes (8) y base (9) están obtenidos a base de
materiales eléctricamente aislantes a elevada temperatura, tales
como alúmina, vitrocerámica, nitruro de boro o PTFE, y que
dificultan que el arco se cebe sobre superficies indeseadas. Estas
piezas deben estar sujetas a un mantenimiento periódico ya que en
el transcurso del funcionamiento del arco se van cubriendo con
materiales eléctricamente conductores, con lo cual su efectividad
para evitar el cebado del arco va disminuyendo.
Por su parte los imanes (3) que configuran el
primer sistema magnético en la periferia del cuerpo (6) del
evaporador, a nivel del blanco (2), se materializan en imanes
permanentes exteriores (3) que deben ser de poca altura y estar
situados de tal forma que la línea media de los mismos coincida con
el plano medio definido entre la superficie inicial del blanco (2)
y la superficie que presentará al final de su vida útil, debiendo
además dichos imanes ser de la mayor potencia posible, por lo que
serán de anchura máxima y estarán obtenidos a base de materiales de
elevada coercitividad, como por ejemplo de SmCo, NdFeB o ferritas
duras.
El mecanismo descrito se complementa con una
cámara o campana de vacío, no representada en los dibujos, en cuyo
seno se establece la pieza (10) a recubrir con el material
evaporado del blanco (2).
En la figura 3 se representa una gráfica (12) que
corresponde con la componente vertical del campo magnético creado
por los imanes permanentes (3) situados en el exterior del cuerpo
(6) el evaporador y a nivel de la superficie del blanco (2).
En la figura 4, las gráficas (13) (14) y (15)
representadas corresponden a las componentes verticales de los
campos magnéticos creados por el electroimán (4-5)
situado tras la superficie del blanco (2) en el seno del cuerpo (6)
del evaporador, cuando se aplican distintas intensidades eléctricas
a dicho electroimán (4-5).
Finalmente en la figura 5 se representan las
gráficas (16) (17) y (18) correspondientes a las componentes
verticales de los campos magnéticos creados sobre la superficie del
blanco (2) tanto por los imanes permanentes situados en el exterior
del evaporador sobre la superficie del blanco (2) como por el
electroimán (4-5) situado en la parte posterior del
blanco (2), cuando se aplican distintas intensidades eléctricas al
electroimán (4-5).
Como se puede apreciar, este gráfico es el
resultado de sumar el campo magnético creado por el electroimán
(4-5) al campo magnético creado por los imanes
permanentes (3) y da como resultado una traslación vertical de la
gráfica correspondiente a los imanes permanentes, de forma que ahora
una parte de esta gráfica queda en la parte positiva del eje
vertical. Precisamente el punto catódico sigue una trayectoria sobre
la superficie del blanco que está constituida por los puntos en los
que el valor de la componente vertical del campo magnético es cero y
así por ejemplo si se ajusta la potencia aplicada al electroimán de
tal forma que la gráfica correspondiente fuera la representada con
el número 16, la trayectoria del punto catódico sobre el blanco
pasaría por los puntos 19 y 20, mientras que si ajustamos la
intensidad de manera que la gráfica correspondiente fuera la 18, el
punto catódico pasaría por los puntos 23 y 24 sobre la superficie
del blanco en una trayectoria intermedia (17) los puntos catódicos
serían 21 y 22.
Según se observa en la figura 6, en otra
realización práctica, el núcleo magnético (4) puede presentar una
sección en "T" con uno de sus polos paralelo al blanco (2) y
el otro perpendicular al blanco, permitiendo esta configuración
obtener una mayor intensidad del campo magnético sobre la superficie
del evaporador, así como una mayor extensión del campo magnético en
la horizontal, lo cual permite reducir la distancia entre la cara
superior del núcleo ferromagnético (4) y el blanco (2).
Por último, señalar que los imanes permanentes
(3) podrían sustituirse por unos electroimanes (3'), de estructura
similar a la de los electroimanes (4-5), como se
observa la realización representada en la figura 7.
Claims (7)
1. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, que siendo del tipo de los que
incorporan un ánodo (1) y un cátodo o blanco (2), alojados en el
interior de una campana de vacío, en la que se aloja también una
pieza (10) a recubrir con material evaporado del blanco (2)
mediante un arco eléctrico generado entre ánodo (1) y cátodo (2), en
los que participa además una guía magnética para controlar y
dirigir el movimiento del arco eléctrico, se caracteriza
porque dicha guía magnética está constituida por dos sistemas
magnéticos independientes, esto es, cuatro polos magnéticos que
permiten variar a voluntad la intensidad magnética resultante para
que el arco eléctrico siga la trayectoria deseada sobre el blanco,
estando uno de los sistemas magnéticos constituido por un conjunto
de imanes permanentes (3), situados en la periferia del evaporador,
en disposición coplanaria con el blanco (2), con su imantación
perpendicular a la superficie de dicho blanco (2), y el segundo
sistema magnético constituido por un electroimán
(4-5), situado en la parte posterior del blanco
(2), distanciado de éste último, estando el polo magnético superior
o mas cercano al blanco (2) dispuesto paralelamente a la superficie
del citado blanco (2).
2. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicación 1ª,
caracterizado porque el electroimán (4-5)
correspondiente al segundo sistema magnético se aloja en el seno
del cuerpo (6) del evaporador, que constituye una especie de
cazoleta a cuya embocadura se fija el blanco (2), que queda
suficientemente distanciado del electroimán (4-5)
como para permitir el establecimiento entre estos elementos de los
sistemas de refrigeración del blanco (2), fijándose el blanco al
cuerpo (6) con la colaboración de los correspondientes tornillos y
sobre estos, constituyendo una especie de marco perimetral, una
barrera de listones (7) de un material aislante a alta temperatura,
rematándose el cuerpo (6) con una pluralidad de tirantes (8) y una
base posterior (9), piezas todas ellas de materiales eléctricamente
aislantes a una elevada temperatura tales como alúmina,
vitrocerámica, nitruro de boro o PTFE.
3. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicación 1ª,
caracterizado porque el electroimán (4-5)
constitutivo del segundo sistema magnético, está estructurado a base
de un núcleo (4) de elevada permeabilidad magnética y escasa
coercitividad, tal como hierro dulce, situado en correspondencia
con la zona central de la superficie de evaporación, disponiéndose
a su alrededor una bobina eléctrica (5) encargada de generar el
flujo magnético necesario para magnetizar el núcleo (4).
4. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el citado núcleo magnético
(4) adopta una sección rectangular con los dos polos magnéticos
dispuestos paralelamente a la superficie del blanco (2).
5. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicaciones 1ª, 2ª y
3ª, caracterizado porque el núcleo (4) del electroimán
presenta una sección en "T", de tal forma que uno de sus polos
sea paralelo al blanco (2), quedando el otro polo perpendicular al
citado blanco (2).
6. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicación 1ª,
caracterizado porque los imanes permanentes (3) son de poca
altura y están situados de forma que la línea media de los imanes
coincida con el plano medio definido entre la superficie inicial
del blanco (2) y la superficie que presentará al final de su vida
útil, presentando la mayor anchura posible para conseguir la máxima
potencia y se obtendrán a partir de materiales de elevada
coercitividad, como por ejemplo SmCo, NdFeB o ferritas duras.
7. Evaporador de arco con guía magnética intensa
para blancos de superficie amplia, según reivindicación 1ª,
caracterizado porque los dos sistemas magnéticos están
constituidos por electroimanes.
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