RU2001972C1 - Установка дл нанесени упрочн ющих покрытий методом электродугового испарени - Google Patents

Abstract

Использование: при нанесении металлсодержащих упрочн ющих покрытий, преимущественно в машиностроении при нанесении покрытий различного назначени  на детали машин и режущий инструмент . Сущность изобретени : установка содержит вакуумную камеру и расположенные о ней средства возбуждени  двухступенчатого вакуумнодугового разр да с вращающимс  держателем дл  установки изделий. Изделие устанавливаетс  на держателе так, что ограничиваетс  зона пр мой видимости положительно зар женного электрода ва- куумно-дугового разр да со стороны катода, те. изделие выполн ет функцию экрана Это позвол ет обеспечить возбуждение в вакуумной камере двухступенчатого разр да. Последний позвол ет повысить качество покрыти  за счет уменьшени  в нем доли капельной фазы при увеличении атомарного компонента в осаждаемом на поверхности издели  потоке. Предусмотрен вариант исполнени  установки дл  обработки нескольких расположенных по окружное) и изделий, а также вариант с дополнительным поворотным экраном 2 с и 3 эпф-лы. 5 ил

Description

IS

Изобретение относитс  к технике нанесени  металлосодержащих покрытий (чисто металлических и соединений металлов с различными газами) и может быть использовано в машиностроении при нанесении покрытий различного назначени .

Известны установки, в которых покрыти  получают с помощью распылительных устройств магнетронного типа. Покрыти , полученные в установках такого типа, обладают высоким качеством, однако они конструктивно сложны (из-за наличи  магнитных систем) и не образуют плазму с высокой степенью ионизации в зоне обрабатываемого издели .

Наиболее близким к за вл емому по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  установка дл  нанесени  упрочн ющих покрытий методом электродугового испарени  Пуск. Установка содержит вакуумную камеру с размещенным в ней катодом из испар емого металла, установленным напротив вращающегос  приспособлени  дл  установки издели . При возбуждении электрической дуги с поверхности катода происходит испарение металла , который осаждаетс  на издели х, установленных напротив катода на вращающемс  приспособлении дл  установки изделий . Недостатком известной установки  вл етс  наличие макрочастиц в наносимом покрытии, обусловленное характерной дл  электродугового испарител  капельной эрозией поверхности испарени  катода. Продукты эрозии материала катода представл ют ионизированные пары металла и металлические капли, размеры которых могут быть до 10 мкм.

Цель изобретени  - повышение качества покрыти  за счет уменьшени  в нем доли капельной фазы при увеличении атомарного компонента в осаждаемом на поверхности издели  потоке.

Цель реализуетс  посредством того, что установка дл  нанесени  упрочн ющих покрытий методом электродугового испарени , содержаща  вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа, катод электродугового испарител , выполненный из напыл емого металла и установленный в центральной части камеры с возможностью вращени , держатель издели  с установочным участком дл  последнего, анод, источник питани  электродугового испарител , снабжена источником питани  двухступенчатого вэкуум- но-дугового разр да, изолированными от камеры и размещенными внутри нее электродами , один из которых расположен диаметрально противоположно катоду и

соединен с положительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, а два других соединены с отрицательным полюсом собственного источника

питани , выполнены из распыл емого металла в виде прот женных вдоль периферии установочного участка держател  издели  дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держател  и противоположно относительно друг друга по разные стороны от плоскости расположени  продольных осей симметрии катода и первого изолированного электрода, при этом установочный участок держател 

расположен симметрично относительно оси

вращени  держател  с обеспечением возможности ограничени  зоны пр мой видимости поверхности испарени  катода со стороны противоположно расположенного

0 изолированного электрода при установке в держатель издели .

Установка дл  нанесени  упрочн ющих покрытий методом электродугового испарени  может быть также снабжена источником

5 питани  двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, изолированными от камеры и размещенными внутри нее электродами, один из которых расположен диаметрально противоположно катоду и соединен с поло0 жительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, два других соединены с отрицательным полюсом собственного источника питани , выполнены из распыл емого металла в виде

5 прот женных вдоль периферии держател  дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держател  и противоположно относительно друг друга по разные стороны от плоскости рас0 положени  продольных осей симметрии катода и противолежащего ему изолированного электрода, установочные участки дл  изделий размещены по периферии держател . При этом установка снабже5 на экранирующим цилиндрическим элементом, закрепленным в центральной части держател  с возможностью ограничени  зоны пр мой видимости поверхности испарени  катода со стороны противопо0 ложно расположенного изолированного электрода через радиальный зазор между взаимно обращенными поверхност ми экранирующего цилиндрического элемента и противоположно расположенных злектро5 дов дугообразной формы.

Кроме того, установка снабжена поворотным экраном, расположенным между катодом и наружной поверхностью держател  дл  установки изделий, Цилиндрический элемент выполнен в виде обечайки из материала наносимого покрыти  и соединен с отрицательным полюсом источником питани  электродов дугообразной формы. Установочные участки дл  изделий расположены на автономных элементах, ус- тановленных на держателе с возможностью планетарного вращени  относительно его оси.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными соответствует критери м патентноспособности. поскольку за вленные признаки, отраженные в формуле изобретени , как в отдельности, так и их совокупности не были обнаружены в данной и смежных област х науки и техники дл  решени  поставленной задачи.

На фиг. 1 представлена установка с одним изделием, укрепленным на приспособлении дл  установки изделий; на фиг.2 - электродна  система установки, изображенной на фиг.1, в аксонометрии; на фиг.З - установка, в которой достигаетс  высокое качество покрыти  за счет полного отсутстви  капельной фазы в наносимом покрытии; на фиг.4-установка дл  обработки нескольких изделий, установленных на периферии приспособлени  дл  установки изделий; на фиг,5 - установка с дополнительным внутренним распыл емым электродом.

Установка, изображенна  на фиг.1 содержит вакуумную камеру 1, в которой уста- новлены катод 2 электродугового испарител  из распыл емого металла, приспособление 3 с вращающимс  держателем (на фиг.1 не показан) дл  установки изделий 4, источник 5 питани  электродугового испарител  металлов, электрод 6, изолированный от камеры, источник 7 питани  двухступенчатого вакуумно-дугового разр - да, электроды 8 из распыл емого материала , охватывающие с двух сторон держатель дл  установки изделий и изделие 4. установленные в пространстве вакуумной камеры 1 между катодом 2 и электродом 6. Электро- питание распыл емых электродов осуществл етс  от источника 9 питани . Вакуумна  камера снабжена системой 10 подачи рабочего газа. В зазоре между электродами 8 и изделием: две разнородные в физическом отношении области: область 11, заполненна  металлогазовой плазмой, и область 12, заполненна  чисто газовой плазмой.

На фиг.2 электроды показаны о аксонометрии .

На фиг.4 изображен вариант исполнени  с вращающимс  держателем 13 дл  установки изделий 14, расположенных по лериферии держател  13. В центральной части держател  13 установлен цилиндр 15,

ограничивающий зону пр мой видимости между катодом 2 и электродом 6. Цилиндр 15 формирует щелевой зазор между катодом 2 и электродом 6.

На фиг.5 распыл емый цилиндр 16 изготовлен из материала покрытий.

На фиг.З дополнительный подвижный экран 17 установлен между катодом и держателем дл  установки изделий и изделием 4.

Установка, изображенна  на фиг.1 работает следующим образом.

Камера 1 откачиваетс  системой высоковакуумной откачки и в нее производитс  напуск рабочего газа (например, аргона) до дзвпени  8 10 Па. При включении источников 5 и 7 питани  между катодом 2 и электродом б возбуждаетс  двухступенчатый вакуумно-дуговой разр д. Двухступенчатый вакуумно-дуговой разр д характеризуетс  наличием двух различных в физическом отношении областей; области 11, заполненной металлогазовой плазмой, и области 12 заполненной чисто газовой плазмой. Эти области заполн ют щелевой зазор между изделием 4 и электродами 8. Область металлогазовой плазмы ограничена пределами пр мой видимости со стороны расположени  электрода 6 поверхности напр жени  катода 2 через щелевой зазор. Ионы металлической плазмы, генерируемой катодом, не проникают в остальное пространство щелевого зазора, поскольку распростран ютс  от катода по пр молинейным траектори м.

При подаче высоковольтного отрицательною потенциала между камерой 1 и электродами 8 ионы металлогазовой плазмы из области 11 и ионы газовой плазмы из области 12 бомбардируют поверхность электрода 8 и распыл ют ее. Распыленный в атомарном состо нии металл в щелевом зазоре ионизируетс  и осаждаетс  на изде- пие 4 Скорость распылени  в результате ионной бомбардировки определ етс  как

Р-0,037 AS, г/ч,(1)

где А - атсмный вес вещества;

S - коэффициент самораспылени , завис щий от рода распыл емого металла и бомбардирующего газа, энергии бомбардирующего иона (напр жени  на распыл е- ;-,о- ,/лектроде);

I - ионный ток на распыл емый электрод .

.(2)

где j плотность ионного тока;

F - площадь рабочей поверхности распредел емого электрода.

Показано, что в двухступенчатом ваку- умно-дуговом разр де

J-O.OIb.(3)

где Эп - плотность электронного тока сквозь сечение разр да.5

Ьл

V

(4)

где 1р - ток разр да;

F р - сечение разр да.

Использу  вышеприведенные соотношени , можно показать, что в установке дл  нанесени  покрытий потоки металла от испарител  и распыл емых электродов соизмеримы при напр жени х на электродах в несколько сот вольт, если при качестве рабочего газа примен ть аргон. При необходимости получени  соединени  металла с газами в рабочий газ ввод т примесь легирующего газа на уровне 10-15 % от содер- жани  аргона.

В установке, изображенной на фиг.4, применен цилиндр 15, установленный на приспособлении дл  установки изделий. Этот цилиндр экранирует катод 2 от элект- рода 6 (анода). В результате формируетс  оптически непрозрачный щелевой зазор между катодом 2 и электродом 6. Без применени  цилиндра не обеспечиваетс  оптическа  изол ци  анода от катода и, как следствие, не возбуждаетс  двухступенчатый вакуумно-дуговой разр д.

В установке на фиг.5 с целью увеличени  производительности цилиндр изготовлен в виде обечайки из материала покрыти  и на него и на распыл емые электроды 8 подаетс  высоковольтный отрицательный потенциал. В результате возрастает суммарна  площадь рабочей поверхности распыл емых электродов, за счет чего возрастает новый ток и, как следствие, производительность и качество покрыти , так как увеличиваетс  дол  бескапельного атомарного компонента в покрытии.

В установке на фиг.З полностью исклю- чаетс  капельна  фаза за счет размещени  между катодом 2 и изделием 4 подвижного экрана 17. Если экран 17 перекрывает катод (как это изображено на фиг.5), то на изделие не попадает поток металла, генерируемый с поверхности испарени  катода 2. При отводе экрана от катода работа установки ничем не отличаетс  от работы установки, изображенной на фиг.1. При работе установки с перекрытым экраном ее производитель ность падает примерно в два раза.

Экспериментальна  установка дл  проверки предложенного принципа была построена по схеме, изображенной на фиг.З. Размеры: диаметр вакуумной камеры 650 мм, длина катода из титана 800 мм, длина вакуумной камеры 1000 мм, радиус распыл емых электродов 8 из титана 300 мм, длина одного электрода по окружности 300 мм, высота электрода 800 мм. Зазор между электродом и изделием, дл  имитации которого применена обечайка из стали 1 х 18Н10Т, составл л 30 мм (диаметр издели  540 мм). Ток разр да испарител  200 А , напр жение на распыл емых электродах 600 В.

Проведены экспериментальные напылени  на отполированные образцы из фольги , установленные вдоль образующей обечайки. При нанесении покрыти  в течение 1 ч толщина покрыти  на образце размером 20 х 20, установленном в центре обечайки, одним электродуговым испарителем без подачи напр жени  на распыл емый электрод составила 3,3 мкм, только с распыл емых электродов (подвижный экран в положении, изображенном на фиг.З) составила 3,5 мкм, совместно от катода электродугового испарител  и распыл емых электродов (подвижный экран 17 отведен от катода) составила 7 мкм.

Качество покрытий определ лось визуально по блеску покрыти . По блеску покрыти  располагались в следующем пор дке 2-3-1.

Таким образом, происходит повышение качества покрыти , визуально про вл ющеес  в увеличении блеска (коэффициента отражени  покрыти ) при нанесении покрыти  в предлагаемой установке, чем достигаетс  цель изобретени .

(56) Марахтанов М.К. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М.: Наука, 1984, с. 264.

Mostra delle tecnologie sovletlche, Genova, Badla S. Andrea, 12/16giugno, 1989, p. 99.

Claims (5)

1. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ, содержаща  вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа, расположенный в камере катод электродугового испарител , выполненный из напыл емого металла, установленный в центральной части камеры с возможностью вращени  держатель с размещенным на нем установочным участком дл  издели , анод, источник питани  электродугового испарител , отличающа с  тем, что

она снабжена источником питани  двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, изолированными от камеры и размещенными в ней электродами, первый из которыхрасположендиаметрально противоположно катоду и соединен с положительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, два других электрода соединены с отрицательным полюсом собственного источника питани , выполнены из распыл емого металла в виде прот женных вдоль периферии установочного участка держател  издели  дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держател  и противоположно друг другу по разные стороны от плоскости расположени  продольных осей симметрии катода и первого изолированного электрода , при этом установочный участок держател  расположенсимметрично относительно оси вращени  держател  с обеспечением возможности ограничени  зоны пр мой видимости поверхности испарени  катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода при установке в держатель издели .

2. Установка дл  нанесени  упрочн ющих покрытий методом электродугового испарени , содержаща  вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа, расположенные в камере катод электродугового испарител , выполненный из напыл емого металла, установленный в центральной части камеры с возможностью вращени  держатель с размещенными на нем установочными участками дл  изделий, источник питани  электродугового испарител , отличающа с  тем, что она снабжена источником питани  двухступенчатого вакуумно-дугового разр да, изолированными от камеры и размещенными в ней электродами, первый из которых расположен диаметрально противоположно катоду и соединен с положительнымполюсомисточника двухступенчатого вакуумно-дугового разр да , два других электрода соединены с отрицательным полюсом собственного источника питани , выполнены из распыл емого металла в виде прот женных вдоль периферии держател  дугообразных элементов , расположенных с радиальным заQ зором относительно держател  и противоположно друг другу по разные стороны от плоскости расположени  продольных осей симметрии катода и противолежащего ему изолированного

5 электрода, установочные участки дл  изделий размещены по периферии держател . при этом установка снабжена экранирующим цилиндрическим элементом, закрепленным в центральной части держател  с

0 возможностью ограничени  зоны пр мой видимости поверхности испарени  катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода через радиальныйзазормежду

5 взаимообращенными поверхност ми экранирующего цилиндрического элемента и противоположно расположенных электродов дугообразной формы.

3. Установка по п.1 или 2, отличающа 0 С  тем, что она снабжена поворотным экраном , расположенным между катодом и наружной поверхностью держател  дл  установки изделий.

с- 4. Установка по п.2, отличающа с  тем, что цилиндрический элемент выполнен в виде обечайки из материала наносимого покрыти  и соединен с отрицательным полюсом источника питани  электродов дуго0 образной формы.

5. Установка по п.2, отличающа с  тем, что установочные участки дл  изделий расположены на автономных элементах, установленных на держателе с возможностью

5 планетарного сращени  относительно его оси.

fff

cpt/e.1

ff

8

Ј ЗПСЬ

I

at

ZblGOZ

fO

s ia

фиа5