PL230547B1 - Piec prozniowy hybrydowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piec próżniowy hybrydowy, znajdujący zastosowanie zwłaszcza przy termochemicznej obróbce metali i nanoszeniu na obrabiane detale powłok w warunkach próżni z fazy gazowej PVD.

Znany jest, na przykład z opisu patentowego US5363400 i jego odpowiednika DE/EP 0489659 T1, piec do nanoszenia na metalowe detale powłok metali, względnie stopów, w warunkach próżni z fazy gazowej z katod źródeł PVD, posiadający próżnioszczelną obudowę, we wnętrzu której znajduje się komora robocza wykonana z materiału termoizolacyjnego, ograniczająca przestrzeń roboczą pieca, do której wkłada się przedmioty poddawane obróbce, które mogą być umieszczane na nieruchomym, odizolowanym elektrycznie od próżnioszczelnej obudowy stole roboczym wykonanym z materiału będącego przewodnikiem elektrycznym, podłączonym do źródła napięcia polaryzacji. Wnętrze komory połączone jest z układem pomp próżniowych oraz z układem dozowania gazu reaktywn ego, względnie neutralnego, którego cyrkulacja we wnętrzu pieca jest wymuszana wentylatorem. Podgrzewanie detali realizowane jest poprzez elementy grzejne oporowe zlokalizowane we wnętrzu komory roboczej, przy czym we wnętrzu komory roboczej znajduje się przynajmniej jedno źródło par metalu zlokalizowane w sąsiedztwie obrabianych detali.

Źródło par ma strukturę nośną w postaci rurokształtnej złączki, na której zamocowana jest katoda, wykonana z materiału, który ma być odparowywany i osadzany na obrabianych elementach, z izolowanym elektrycznie kołnierzem, wchodzącej w otwór w próżnioszczelnej obudowie pieca, oraz wyposażone jest w jarzmo z materiału izolacyjnego obejmujące rurokształtną złączkę, przez które przechodzi pręt będący przewodnikiem prądu przyłączony do katody, cewkę elektromagnetyczną zlokalizowaną w pobliżu katody i umieszczoną wokół pręta oraz w obieg chłodzenia wyposażony w przewód wlotowy czynnika chłodzącego o poprzecznym przelocie przez jarzmo. Obieg chłodzenia katody jest przy tym połączony z osiowym kanałem przez otwór w płycie w pobliżu katody, służący połączeniu osiowego kanału z przestrzenią pośrednią, znajdującą się między złączką a prętem. Z przestrzenią pośrednią połączony jest przechodzący przez jarzmo przewód wylotowy obiegu chłodzenia. Takie źródło par może mieć ruchomą elektrodę wyzwalającą wyładowanie łukowe na czołowej powierzchni katody. Źródło par może również być wyposażone w ekran elektrostatyczny, współosiowy z rurokształtną złączką i zlokalizowany pomiędzy jarzmem a tuleją, okalający ślizgowo katodę i umieszczony na potencjale pływającym.

Piec o takiej konstrukcji umożliwia prowadzenie procesów PVD oraz cieplnej i cieplnochemicznej obróbki, przy ciśnieniu rzędu 0,8 do 10 Pa w temperaturze z zakresu 400 * 1300°C, w atmosferze gazów obojętnych lub reaktywnych, dla szerokiego zakresu zastosowań. Obrabiany wsad jest w czasie procesu nieruchomy względem źródeł łukowych oraz może być polaryzowany ujemnie napięciem impulsowym o wartości kilkuset woltów względem obudowy próżniowej. Piec przystosowany jest do procesów różnego typu, mogących być prowadzonymi kolejno po sobie. Do najważniejszych niedogodności takiego pieca zaliczyć można zbyt wysokie ciśnienie końcowe obróbki, uniemożliwiające prowadzenie procesów osadzania z fazy gazowej z katodami PVD przy odpowiednim poziomie czystości. Jednocześnie źródła łukowe par zainstalowane są w taki sposób, że ich chłodzone katody umocowane są w otworach izolacji termicznej komory wysokotemperaturowej, co w sposób istotny zaburza jednorodność rozkładu temperatury w tej komorze przy obróbce wysokotemperaturowej, a chłodzone katody tych źródeł narażone są na kondensację zanieczyszczeń podczas takich procesów. Źródła łukowe par są przy tym narażone na działanie wysokiej temperatury podczas obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, a brak przesłon katod tych źródeł uniemożliwia ich oczyszczenie wyładowaniem łukowym przed rozpoczęciem właściwego procesu PVD. Dodatkową wadą jest nieruchomy stół, przez co niemożliwym staje się uzyskanie jednorodnej grubości wykonanej powłoki i jej jednorodnego składu chemicznego, szczególnie w przypadku nanoszenia powłok wieloskładnikowych i wielowarstwowych z kilku źródeł, przy dużej ilości przedmiotów obrabianych.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji pieca próżniowego hybrydowego, która umożliwi prowadzenie zróżnicowanych procesów obróbki powierzchniowej detali metalowych bez konieczności każdorazowego przezbrajania oraz wyładunku lub przeładunku wsadu, i umożliwi skrócenie do minimum procesów technologicznych w prowadzonych procesach.

Istota wynalazku polega na tym, że piec ma katody PVD umieszczone w usytuowanych symetrycznie względem siebie kieszeniach obudowy próżniowo-ciśnieniowej, a zlokalizowana pomiędzy nimi komora grzejna z materiału termoizolacyjnego ma otwarte boki położone naprzeciw katod PVD,

PL 230 547 B1 przy czym wewnątrz komory grzejnej usytuowany jest obrotowy stół wyposażony w indywidualne gniazda i/lub uchwyty na obrotowych wspornikach o osiach obrotu równoległych do osi obrotu stołu. Jednocześnie między kieszeniami katod PVD a otwartymi bokami komory grzejnej umieszczone są ruchome przesłony.

Najkorzystniejsze położenie katod PVD względem detali obrabianych uzyskuje się wówczas, gdy są one umieszczone w kieszeniach przesuwnie wzdłuż osi wzdłużnej kieszeni, a więc mogą być od obrabianych detali oddalane względnie przybliżane.

Korzystnie, ruchome przesłony mają budowę żaluzjową.

Najlepiej jest, gdy przesłony zabudowane są w obudowie próżniowo-ciśnieniowej przesuwnie wzdłuż jej osi wzdłużnej na odcinkach pomiędzy katodami PVD a komorą grzejną, a przy ich zewnętrznym obrysie usytuowana jest chłodnica.

Pożądanym jest takie wykonanie pieca do wykorzystania w procesie azotowania plazmowego, w którym przestrzeń wewnętrzna komory grzejnej otoczona jest ekranem siatkowym podłączonym do źródła wysokiego napięcia, odizolowanym od komory grzejnej i/lub obudowy próżniowo-ciśnieniowej, a w górnej części komory grzejnej znajduje się wentylator i szczelina wylotowa gazów technologicznych.

Celowym jest wykonanie pieca, w którym stół wraz z obrotowymi wspornikami oraz gniazdami i/lub uchwytami posadowiony jest w komorze grzejnej wysuwnie.

W innym korzystnym wykonaniu obrotowe wsporniki gniazd i/lub uchwytów są zamocowane do stołu wzdłuż zarysu okręgu, którego centrum stanowi oś obrotu stołu, przy czym na obrotowych wspornikach rozmieszczone są gniazda i/lub uchwyty z zaczepami do mocowania detali obrabianych.

Również korzystnym jest, gdy obrotowe wsporniki i obrotowy stół połączone są z przekładnią planetarną.

Szczególnie przydatna jest przy tym przekładnia planetarna o tak dobranych parametrach, że każdy obrotowy wspornik wykonuje co najmniej jeden pełny obrót dookoła swej osi obrotu na szerokości otwarcia kieszeni z katodami PVD w trakcie obrotu stołu wokół jego osi obrotu.

Zasadniczą zaletą pieca według wynalazku jest możliwość prowadzenia w nim kolejno procesów technologicznych, bez konieczności wyjmowania wsadu z pieca i wykorzystywania odrębnych pieców do wykonywania obróbki tych samych detali. W procesach wysokotemperaturowych przesłony o budowie żaluzjowej katod PVD zabezpieczają je przed przegrzaniem, a także przed kondensacją zanieczyszczeń, oraz umożliwiają oczyszczanie ich powierzchni przed procesem PVD. Jest to możliwe dzięki odpowiedniemu doborowi głębokości kieszeni, która umożliwia pracę źródła przy zamkniętej przesłonie. Sterowanie przesłonami jest realizowane przez siłowniki hydrauliczne odpowiednio zaprogramowanym sterownikiem. Ponieważ w komorze grzejnej stół umieszczony jest obrotowo, a osadzone na nim wsporniki do mocowania obrabianych detali, w ich gniazdach i/lub uchwytach, są zamocowane do stołu również obrotowo, wszystkie obrabiane detale mają takie same warunki obróbki w danym procesie. Obrotowo zamocowany stół jest izolowany elektrycznie za pomocą izolatorów od obudowy próżniowo-ciśnieniowej i nie posiada kontaktu z komorą grzejną, co umożliwia niezależną polaryzację elektryczną wsporników i elementów nośnych. Napięcie polaryzacji jest przyłączane automatycznie siłownikiem uruchamianym przez sterownik.

Zabudowanie przesłon w obudowie próżniowo-ciśnieniowej przesuwnie wzdłuż jej osi wzdłużnej, z chłodnicą usytuowaną przy ich zewnętrznym obrysie, pozwala na płynną regulację chłodzenia wnętrza komory grzejnej. Z kolei wentylator w górnej części komory grzejnej i szczelina wylotowa zapewniają równomierny przepływ gazów technologicznych przez komorę grzejną. Wysuwne posadowienie stołu ułatwia manipulowanie obrabianymi przedmiotami, a specyficzne zamocowanie do stołu wsporników gniazd i/lub uchwytów ujednolica warunki obróbki detali we wnętrzu komory grzejnej.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia piec próżniowy hybrydowy w uproszczonym przekroju poprzecznym, a fig. 2 - piec w uproszczonym przekroju podłużnym.

Piec próżniowy hybrydowy z walcową obudową próżniowo-ciśnieniową 1 (fig. 1, fig. 2) o poziomej osi wzdłużnej O1 wyposażony jest w prostopadłościenną, wykonaną z materiału termoizolacyjnego komorę grzejną 2 o kształcie prostopadłościanu. Obudowa próżniowo-ciśnieniowa 1 przyłączona jest do układu pompowego 3, zapewniającego uzyskanie dynamicznej próżni, lepszej niż 10^-2 Pa dla wsadu o temperaturze pokojowej. Obudowa próżniowo-ciśnieniowa 1 posiada zlokalizowane naprzeciw siebie symetryczne kieszenie 4, w których umieszczone są parami katody PVD 5, przy czym komora grzejna 2 posadowiona jest pomiędzy tymi kieszeniami 4 i od strony katod PVD 5 ma otwarte

PL 230 547 B1 boki 6. Katody PVD 5 zamocowane są w kieszeniach 4 przesuwnie wzdłuż ich osi O2, przy czym pomiędzy katodami PVD 5 a komorą grzejną 2 usytuowane są przesłony 7 o budowie żaluzjowej. Przesłony 7 są zamocowane przesuwnie wzdłuż osi wzdłużnej 01. Przy zewnętrznym obrysie przesłony 7 usytuowana jest chłodnica 8 (fig. 2). We wnętrzu komory grzejnej 2 umieszczony jest obrotowy stół 9 napędzany z napędu 10 za pośrednictwem przekładni planetarnej 11, przy czym jest on wyposażony w rozmieszczone na jego obwodzie obrotowe wsporniki 12 posiadające indywidualne gniazda i/lub uchwyty 13 na obrabiane detale. Obrotowe wsporniki 12 są również napędzane przez przekładnię planetarną 11, a ich osie obrotu O3 są równoległe do osi obrotu O4 stołu 9. Przekładnia planetarna 11 ma takie przełożenia, że każdy obrotowy wspornik 12 wykonuje co najmniej jeden pełny obrót dookoła swej osi obrotu 03 na szerokości otwarcia komory 4 z katodami PVD 5 w trakcie obrotu stołu 9 wokół jego osi obrotu 04. Przestrzeń wewnętrzna komory grzejnej 2 może zawierać podłączony do wysokiego napięcia i izolowany elektrycznie od stołu 9 oraz obudowy próżniowo- ciśnieniowej ekran siatkowy 14 wykonany ze stali żaroodpornej, okalający obrotowy stół 9 z ruchomą ścianką przednią od strony drzwi 15 komory grzejnej 2, co umożliwia wysuwanie wsadu bez demontażu ekranu siatkowego 14. Ściany boczne ekranu siatkowego 14 są powierzchniami aktywnymi i pełnią rolę katody wyładowania jarzeniowego. W górnej części komory grzejnej 2 zabudowany jest wentylator 16 napędzany napędem 17, a w stropie komory grzejnej 2 znajduje się szczelina 18 będąca otworem wylotowym gazów technologicznych, zlokalizowana w osi przestrzeni roboczej wsadu. Temperatura wsadu mierzona jest termoparami 19, a do zasilania komory grzejnej 2 w gazy technologiczne, na przykład azot i wodór, służą zawory 20, 21, przy czym gazy podawane są kolektorami gazowymi 22. Do nagrzewania wsadu służą elementy grzejne 23, 24.

Claims (8)

1. Piec próżniowy hybrydowy, posiadający uszczelnioną obudowę próżniowo-ciśnieniową wyposażoną w kolektory dopływowe i odpływowe gazów technologicznych, elementy grzejne, elementy pomiarowe temperatury i ciśnienia oraz w katody PVD umieszczone naprzeciw siebie, między którymi usytuowana jest komora grzejna ze stołem będącym nośnikiem uchwytów i/lub gniazd do mocowania obrabianych detali, połączony z pompą próżniową, znamienny tym, że katody PVD (5) umieszczone są w usytuowanych symetrycznie względem siebie kieszeniach (4) obudowy próżniowo-ciśnieniowej (1), a zlokalizowana między nimi komora grzejna (2) z materiału termoizolacyjnego ma otwarte boki (6) położone naprzeciw katod PVD (5) i wewnątrz niej usytuowany jest obrotowy stół (9) wyposażony w indywidualne gniazda i /lub uchwyty (13) na obrotowych wspornikach (12) o osiach obrotu (O3) równoległych do osi obrotu (O4) stołu (9), przy czym pomiędzy kieszeniami (4) katod PVD (5) a otwartymi bokami (6) komory grzejnej (2) umieszczone są ruchome przesłony (7).

2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że katody PVD (5) umieszczone są w kieszeniach (4) przesuwnie wzdłuż ich osi wzdłużnych (O2).

3. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że przesłony (7) mają budowę żaluzjową.

4. Piec według zastrz. 3, znamienny tym, że przesłony (7) zabudowane są w obudowie próżniowo-ciśnieniowej (1) przesuwnie wzdłuż osi wzdłużnej (O1) między katodami PVD (5) a komorą grzejną (2), zaś przy ich zewnętrznym obrysie usytuowana jest chłodnica (8).

5. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że przestrzeń wewnętrzna komory grzejnej (2) otoczona jest ekranem siatkowym (14) podłączonym do źródła wysokiego napięcia, odizolowanym elektrycznie od komory grzejnej (2) i/lub obudowy próżniowo-ciśnieniowej (1), a w górnej części komory grzejnej (2) znajduje się wentylator (16) i szczelina wylotowa (18) gazów technologicznych.

6. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że stół (9) wraz z obrotowymi wspornikami (12) oraz gniazdami i/lub uchwytami (13) posadowiony jest w komorze grzejnej (2) wysuwnie.

7. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowe wsporniki (12) gniazd i / lub uchwytów (13) są zamocowane do stołu (9) wzdłuż zarysu okręgu, którego centrum stanowi oś obrotu (O4) stołu (9), przy czym na obrotowych wspornikach (12) rozmieszczone są gniazda i / lub uchwyty (13) z zaczepami do mocowania detali obrabianych.

8. Piec według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że obrotowe wsporniki (12) i obrotowy stół (9) połączone są z przekładnią planetarną (11).