RU2022056C1

RU2022056C1 - Coating application unit

Info

Publication number: RU2022056C1
Authority: RU
Inventors: Л.П. Саблев; А.А. Андреев; С.Н. Григорьев
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1991-09-11
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: vacuum-plasma treatment of tools. SUBSTANCE: coating application unit has vacuum chamber serving as anode and accommodating internally at least two cathodes of arc evaporators. Positioned inside vacuum chamber between cathodes is item holder with insulated current carrying conductor. Besides, unit is provided with power sources in number of arc evaporators. Placed between cathode and holder is optically opaque rotary screen. Required mode of operation is selected with the aid of double-pole key and reversing key. One of poles of reversing key is connected with switch of double pole key and the other with vacuum chamber. Power source is connected to switches of reversing key. One of poles of double-pole key is connected with holder. During exposition of heated item to be treated in nitric plasma (nitriding) positive pole of power source is connected with cathode with the aid of double-pole and reversing keys. In this case screen is closed. In the course of application of hardening coating cathode is connected with negative pole by means of reversing key and negative potential is fed from power source to holder. In this case screen is open. EFFECT: improved wear resistance of items. 1 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке инструмента и деталей машин и может быть применено в машиностроении. The invention relates to vacuum-plasma processing of tools and machine parts and can be applied in mechanical engineering.

Известны установки для комплексной обработки инструмента и деталей машин (комплексная обработка включает в себя азотирование с последующим нанесением износостойкого покрытия). Процесс комплексной поверхностной обработки производится в установке двух типов: установках ионного азотирования [1] и в установках ионно-плазменного напыления (например, в установках типа "Булат"). При проведении процесса комплексной обработки в двух установках производительность процесса падает практически в два и более раз. Known installations for the integrated processing of tools and machine parts (complex processing includes nitriding with subsequent application of a wear-resistant coating). The complex surface treatment process is carried out in a plant of two types: ion nitriding plants [1] and in ion-plasma spraying plants (for example, in Bulat plants). When carrying out the complex processing process in two plants, the productivity of the process drops almost two or more times.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для нанесения упрочняющих покрытий, содержащая при электродуговых испарителя, установленных на фланцах вакуумной камеры, получающих электропитание от трех источников постоянного тока [2]. The closest in technical essence and the achieved result is the installation for the application of hardening coatings, containing with electric arc evaporators mounted on the flanges of the vacuum chamber, receiving power from three DC sources [2].

К недостатку установки следует отнести ограниченность ее технологических возможностей. В установке возможно нанесение только упрочняющих покрытий. При этом особенностью установки является то, что прогрев изделий осуществляется бомбардировкой ионами металла. При обработке большой массы металлических изделий время прогрева велико и за это время происходит растравливание поверхности изделия. При необходимости комплексной поверхностной обработки инструмента, включающей химико-термическую обработку с последующим нанесением износостойкого покрытия, обработку проводят в двух установках: установке ионного азотирования с последующим нанесением покрытия в установке типа "Булат". В результате производительность процесса в целом уменьшается. The disadvantage of the installation is the limited nature of its technological capabilities. In the installation, it is possible to apply only hardening coatings. At the same time, a feature of the installation is that the products are heated by bombardment by metal ions. When processing a large mass of metal products, the heating time is long and during this time the surface of the product is etched. If necessary, a comprehensive surface treatment of the tool, including chemical-thermal treatment followed by the application of a wear-resistant coating, the treatment is carried out in two installations: ion nitriding unit followed by coating in the installation of the type "Bulat". As a result, the overall performance of the process decreases.

Цель изобретения - расширение технологических функций установки за счет обеспечения возможности выполнения дополнительных технологических операций химико-термической обработки и электронного нагрева изделий. The purpose of the invention is the expansion of the technological functions of the installation by providing the ability to perform additional technological operations of chemical-thermal processing and electronic heating of products.

Цель достигается тем, что в установке, содержащей являющуюся анодом вакуумную камеру с расположенными в ней по меньшей мере двумя катодами электродуговых испарителей из испаряемого материала, источники питания по числу катодов электродуговых испарителей и держатель изделий с изолированным токоподводом, дополнительно установлен оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между держателем изделий и одним из катодов, двухполюсный и реверсирующий ключи, при этом один из полюсов двухполюсного ключа соединен с катодом, который не закрыт экраном, а другой - с токоподводом держателя изделий, переключатель двухполюсного ключа соединен с одним из переключаемых полюсов реверсирующего ключа, другой полюс которого соединен с вакуумной камерой, а источник питания катода, соединенного с полюсом двухполюсного ключа, подключен к переключателям реверсирующего ключа. The goal is achieved by the fact that in the installation containing the anode of the vacuum chamber with at least two cathodes of electric arc evaporators located in it, the power sources according to the number of cathodes of electric arc evaporators and the product holder with an insulated current supply, an optically opaque rotary screen located between the product holder and one of the cathodes, bipolar and reversing keys, while one of the poles of the bipolar key is connected to the cathode, which not covered by a screen, and the other with the current supply of the product holder, the bipolar switch switch is connected to one of the reversible pole of the reversing key, the other pole of which is connected to the vacuum chamber, and the cathode power supply connected to the pole of the bipolar switch is connected to the reversing switch switches.

На чертеже представлена конструктивная схема установки. The drawing shows a structural diagram of the installation.

Установка содержит вакуумную камеру 1, одновременно являющуюся анодом. В вакуумной камере установлены катоды 2-4 электродуговых испарителей металлов, которые получают электропитание от источников 5-7 постоянного тока. The installation contains a vacuum chamber 1, which is simultaneously an anode. The cathodes of 2-4 metal arc evaporators are installed in the vacuum chamber, which receive power from 5-7 DC sources.

Изделия 8 установлены в держателе 9, имеющем изолированный от камеры токоподвод 10. Источник 7 подключен к переключающим полюсам реверсивного ключа 11 и соединен с электродом испарителя с помощью двухполюсного ключа 12. Между катодом 2 и держателем 9 установлен поворотный оптически непрозрачный экран 13, выполненный в виде двух раздвигающихся в разные стороны половин. В установке также имеются высоковольтный источник 14 и ключ 15. Products 8 are mounted in a holder 9 having a current supply 10 isolated from the camera 10. A source 7 is connected to the switching poles of the reversing key 11 and connected to the evaporator electrode using a two-pole key 12. A rotary optically opaque screen 13 is installed between the cathode 2 and the holder 9, made in the form two halves sliding apart. The installation also has a high-voltage source 14 and a key 15.

Работает установка следующим образом. The installation works as follows.

При проведении процесса комплексной поверхностной обработки инструмента (азотирование поверхностного слоя и нанесение износостойкого покрытия) вакуумная камера 1 откачивается системой высоковакуумной откачки до давления 1˙10^-3 Па и затем в нее производится напуск азота до давления 1˙10^-1 Па. При проведении процесса азотирования экран 13 перекрывает катод 2 от изделий 8. Пластины экрана сдвинуты. Для проведения процесса азотирования необходимо прогреть изделия до рабочей температуры и затем выдержать при этой температуре в течение определенного времени, задаваемого техпроцессом. Прогрев изделия в среде азотной плазмы до рабочей температуры осуществляется электронами двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР). ДВДР возбуждается между катодом 2 электродугового испарителя и катодом 4 электродугового испарителя, расположенным напротив катода 2 и который при возбуждении ДВДР является анодом. При возбуждении ДВДР реверсивный переключатель 11 находится в положении А. В этом положении положительный полюс источника 7 питания подключен к переключателю двухполюсного ключа 12, а отрицательный - к вакуумной камере ДВДР с помощью ключа 12 может быть подключен либо к катоду 4, либо к токоподводу 10 держателя 9 изделий. При прогреве изделий ключ 12 находится в положении В (разряд возбуждается между катодом 2 и изделием 8). ДВДР в пространстве вакуумной камеры образует два разнородных в физическом отношении пространства: пространство между катодом 2 и экраном 13 заполнено металлогазовой плазмой и пространство между экраном и остальной областью вакуумной камеры заполнено чисто газовой плазмой, поскольку ионы металла, двигающиеся от катода по прямолинейным траекториям, в "заэкранное" пространство не попадают. При подаче положительного потенциала от источника 7 электроны азотной плазмы ДВДР бомбардируют поверхность изделия и прогревают ее. При прогреве изделий электронным ударом растравливание поверхности изделия не происходит. Когда температура изделий достигнет рабочей, система контроля температуры (оптический пирометр на чертеже не показан) переключает ключ 12 в положение Г. При этом разряд переходит с изделий 8 на электрод 4. В то же время изделия находятся в азотной плазме. После достижения рабочей температуры начинается процесс изотермической выдержки, в течение которого азот диффундирует в поверхностный слой изделия, насыщая ее. Процесс стимулируется атомами атомарного азота, возникающими в положительном столбе плазмы ДВДР, Поддержание температуры производится переключением ключа 12 из положения В в Г и наоборот. После проведения процесса химико-термической обработки производится процесс нанесения упрочняющего покрытия (например, из нитрида титана). Для проведения этого процесса ключ 12 переводится в положение Г, реверсивный ключ 11 - в положение Б, а половины экрана 13 разводятся в разные стороны, открывая путь потоку металлической плазмы от катода 2 к изделиям 8, и включается также источник 6 питания, замыкается ключ 15 и включается источник 14. При проведении этих операций анод ДВДР 4 становится катодом электродугового испарителя, а на изделия 8 подается от источника 14 отрицательный потенциал.By proceeding in a comprehensive surface treatment tool (nitriding the surface layer and applying a wear-resistant coating), the vacuum chamber 1 is evacuated high-vacuum pumping system to a pressure 1˙10 ^-3 Pa and then it is made to overlap nitrogen pressure 1˙10 ^-1 Pa. During the nitriding process, the screen 13 overlaps the cathode 2 from the products 8. The screen plates are shifted. To carry out the nitriding process, it is necessary to warm up the product to operating temperature and then withstand at this temperature for a certain time specified by the manufacturing process. The product is heated in a nitrogen plasma medium to operating temperature by electrons of a two-stage vacuum-arc discharge (DVDR). A TDDR is excited between the cathode 2 of the electric arc evaporator and the cathode 4 of the electric arc evaporator, located opposite the cathode 2 and which, when excited by the DDR, is the anode. When initiating the DVDR, the reversing switch 11 is in position A. In this position, the positive pole of the power supply 7 is connected to the switch of the bipolar switch 12, and the negative pole to the vacuum chamber of the DVDR using the key 12 can be connected either to the cathode 4 or to the current supply 10 of the holder 9 products. When the products are heated, the key 12 is in position B (the discharge is excited between the cathode 2 and the product 8). The FDR in the space of the vacuum chamber forms two physically heterogeneous spaces: the space between the cathode 2 and the screen 13 is filled with metal-gas plasma and the space between the screen and the rest of the vacuum chamber is filled with purely gas plasma, since metal ions moving along the rectilinear paths from the cathode into off-screen space does not fall. When applying a positive potential from source 7, the electrons of the nitrogen plasma of the DDR bombard the surface of the product and warm it. When products are heated by electron impact, etching of the product surface does not occur. When the temperature of the products reaches the operating temperature, the temperature control system (an optical pyrometer is not shown in the drawing) switches the key 12 to position G. In this case, the discharge passes from the products 8 to the electrode 4. At the same time, the products are in a nitrogen plasma. After reaching the operating temperature, the process of isothermal aging begins, during which nitrogen diffuses into the surface layer of the product, saturating it. The process is stimulated by atomic nitrogen atoms arising in the positive column of the plasma of the DDR. The temperature is maintained by switching the key 12 from position B to D and vice versa. After carrying out the process of chemical-thermal treatment, the process of applying a hardening coating (for example, from titanium nitride) is carried out. To carry out this process, the key 12 is moved to position G, the reversing key 11 to position B, and the halves of the screen 13 are moved apart, opening the way for the flow of metal plasma from the cathode 2 to the products 8, and the power supply 6 is also turned on, the key 15 is closed and the source 14 is turned on. During these operations, the anode of the DVDR 4 becomes the cathode of the electric arc evaporator, and a negative potential is supplied to the products 8 from the source 14.

Проверку работоспособности предложенного технического решения проводили на модернизированной установке "Булат 6". В установке был изготовлен раздвигающийся экран 13 в виде двух полудисков из нержавеющей стали. В качестве реверсируемого ключа использовали два контактора. Переключение контактора не производилось под током. В качестве ключа 12 также использовали два контактора. Процессу комплексной поверхностной обработки в установке подвергались режущие пластины из ст. Р6М5.Пластины устанавливали на барабане, расположенном на столе вращения установки "Булат 6". Нагрев пластин электронами проводился при токе ДВДР 100 А и напряжении 80 В. Температура прогрева пластин 510^оC. Время изотермической выдержки - 15 мин. Толщина азотированного слоя - 15 мкм. После азотирования проводилось нанесение слоя из нитрида титана толщиной 5 мкм. В процессе комплексной обработки повысилось качество нанесенного покрытия. Износостойкость режущих пластин, прошедших комплексную поверхностную обработку, при точении стали 40Х возросла по сравнению с необработанными пластинами в 7 раз, что в два раза выше, чем износостойкость пластин только с покрытием из нитрида титана.The performance check of the proposed technical solution was carried out on the upgraded installation "Bulat 6". In the installation, a sliding screen 13 was made in the form of two half-disks made of stainless steel. As a reversible key, two contactors were used. Contactor switching was not carried out under current. As the key 12 also used two contactors. The complex surface treatment process in the installation was subjected to cutting inserts from st. P6M5. The plates were mounted on a drum located on the rotational table of the Bulat 6 installation. The heating plates electrons conducted at a current DVDR 100 A and a voltage of 80 V. Heating Temperature plates ⁵¹⁰ C. isothermal holding time - 15 min. The thickness of the nitrided layer is 15 microns. After nitriding, a 5 μm thick titanium nitride layer was applied. In the course of complex processing, the quality of the applied coating increased. The wear resistance of cutting inserts that underwent complex surface treatment when turning 40X steel increased 7 times compared with untreated inserts, which is two times higher than the wear resistance of inserts with a titanium nitride coating only.

Claims

INSTALLATION FOR APPLICATION OF COATINGS by the method of electric arc evaporation, containing a vacuum chamber, which is an anode with at least two cathodes of electric arc evaporators located in it, the power sources according to the number of cathodes of electric arc evaporators and a product holder with an insulated current supply, characterized in that it contains optically an opaque rotary screen located between the product holder and one of the cathodes, bipolar and reversing keys, while one of the poles is bipolar the key is connected to one of the cathodes that are not closed by the screen, and the other to the current supply of the product holder, the bipolar switch switch is connected to one of the switched poles of the reversing key, the other pole of which is connected to the vacuum chamber, and the cathode power supply connected to the pole of the bipolar key, connected to the reversing key switches.