RU2026417C1

RU2026417C1 - Device for vacuum-plasma working gas application of nonconducting coatings on the articles

Info

Publication number: RU2026417C1
Authority: RU
Inventors: Л.П. Саблев; С.Н. Григорьев
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: vacuum-plasma processes. SUBSTANCE: space for formation of gas plasma is created in the vacuum chamber by means of mean impermeable for metal ions. Metal-gas plasma of cathode substance is generated between integrally cold cathode and anode of arc discharge. Gas plasma is then created in the above space, and the articles to be treated are submerged in the zone of metal-gas plasma between the gas plasma space and cathode. As a result, sections of the surface of device elements performing the function of anode and free of dielectric film of material deposited on the article exist in the zone of gas plasma in the course of the whole cycle of treatment. This allows variation of discharge parameters with respect to current and voltage to be eliminated in the course of treatment and quality of applied coating to be considerably increased. EFFECT: enhanced efficiency of application of non- conducting coatings. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке изделий, в частности к нанесению неэлектропроводящих покрытий на изделия. The invention relates to vacuum-plasma processing of products, in particular to the application of non-conductive coatings on products.

Известен способ вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, при котором осуществляют генерацию между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда металлогазовой плазмы вещества катода и погружение в нее обрабатываемых изделий [1]. Недостатком этого способа является то, что при нанесении на изделия неэлектропроводящих покрытий на поверхности анода образуется диэлектрическая пленка, появление которой влечет за собой изменение параметров разряда по току и напряжению, что существенно влияет на качество наносимого слоя покрытия ввиду спонтанного неуправляемого изменения процесса технологического режима обработки. При большой продолжительности технологического цикла обработки происходит резкое снижение тока разряда и его погасание, что соответственно ведет к выбраковке всей партии изделий. There is a method of vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings on products in a working gas medium, in which the cathode substance is generated between the integrally-cold cathode and the anode of an electric arc discharge of a metal-gas plasma [1]. The disadvantage of this method is that when non-conductive coatings are applied to the products, a dielectric film is formed on the surface of the anode, the appearance of which leads to a change in the discharge parameters by current and voltage, which significantly affects the quality of the applied coating layer due to a spontaneous uncontrolled change in the process of the processing mode. With a long duration of the processing cycle, there is a sharp decrease in the discharge current and its extinction, which accordingly leads to rejection of the entire batch of products.

Известно устройство для вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий в среде рабочего газа, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда, соединенные с источником электропитания, а также держатель для изделий [2]. Недостатком этого устройства является то, что оно обладает низкой надежностью, при нанесении на изделия неэлектропроводящих покрытий что объясняется отсутствием средств, препятствующих появлению на аноде диэлектрической пленки, влияние которой на надежность и качество обработки описано выше. A device for vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings in a working gas medium containing a vacuum chamber, which contains an integrated cold cathode and anode of an electric arc discharge connected to a power source, as well as a holder for products [2]. The disadvantage of this device is that it has low reliability when applying non-conductive coatings to products due to the lack of means that prevent the appearance of a dielectric film on the anode, the effect of which on the reliability and quality of processing is described above.

Целью изобретения является повышение надежности и качества наносимого слоя покрытия при вакуумно-плазменном нанесении неэлектропроводящих покрытий. The aim of the invention is to increase the reliability and quality of the applied coating layer during vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings.

Достигается это тем, что в способе вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, включающем генерацию между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда металлогазовой плазмы вещества катода и погружение в нее обрабатываемых изделий, согласно изобретению, перед генерацией металлогазовой плазмы в зоне, по меньшей мере, одного участка поверхности анода создают область для образования газовой плазмы, газовую плазму в упомянутой области образуют после возбуждения электродугового разряда путем сепарации электронов из металлогазовой плазмы разряда и ионизации упомянутыми электронами рабочего газа, при этом обрабатываемые изделия погружают в зону металлогазовой плазмы между областью газовой плазмы и катодом. This is achieved by the fact that in the method of vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings on products in a working gas medium, comprising generating between the integrally-cold cathode and the anode of an electric arc discharge of a metal-gas plasma of a cathode substance and immersing the processed products in it, according to the invention, before generating a metal-gas plasma in the area of at least one portion of the surface of the anode create a region for the formation of a gas plasma, a gas plasma in the mentioned region is formed after excitation ugovogo discharge by separation of electrons from metallogazovoy plasma discharge and ionization of the working gas by said electrons, the workpieces are immersed in the plasma zone between metallogazovoy gas plasma region and the cathode.

Достигается это также тем, что устройство для вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, содержащее вакуумную камеру, соединенные с источником электропитания интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда, а также держатель для изделий, согласно изобретению, оснащено непроницаемым для ионов металла средством, сформированным в зоне, по меньшей мере, одного из участков поверхности анода с возможностью образования оппозитно упомянутому участку поверхности области газовой плазмы, а держатель для изделий размещен между непроницаемым для ионов металла средством и катодом. При этом анод может быть выполнен в виде электроизолированного от вакуумной камеры электрода, расположенного с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры, а непроницаемое для ионов металла средства сформировано участком поверхности упомянутого электрода, обращенным в сторону катода для обеспечения возможности использования тыльного по отношению к катоду участка поверхности электрода в качестве рабочей поверхности. Анодом может являться непосредственно внутренняя поверхность вакуумной камеры, а непроницаемое для ионов металла средство может быть выполнено в виде экрана, расположенного противоположно катоду с зазором относительно соответствующего участка внутренней поверхности вакуумной камеры, с возможностью использования упомянутого участка в качестве рабочей поверхности анода. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в зоне, по меньшей мере, одного участка поверхности анода создают область для образования газовой плазмы, между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда генерируют металлогазовую плазму вещества катода, затем в вышеупомянутой области образуют газовую плазму путем сепарации электронов из металлогазовой плазмы разряда через непроницаемое для ионов металла средство и ионизации упомянутыми электронами рабочего газа, при этом в зону металлогазовой плазмы между непроницаемым для ионов металла средством и катодом погружают обрабатываемое изделие. This is also achieved by the fact that the device for vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings on products in a working gas environment, containing a vacuum chamber, an integrated cold cathode and an arc discharge anode connected to a power source, as well as a product holder, according to the invention, is impermeable to metal ions by means formed in the region of at least one of the surface sections of the anode with the possibility of forming an opposite to the surface portion of the gas region azma, and the holder for the products is placed between the impervious to metal ions and the cathode. In this case, the anode can be made in the form of an electrode insulated from the vacuum chamber located with a gap relative to the inner surface of the vacuum chamber, and the means impermeable to metal ions are formed by the surface section of the said electrode facing the cathode to enable the use of a rear surface section relative to the cathode electrode as a work surface. The anode can be directly the inner surface of the vacuum chamber, and impervious to metal ions, the means can be made in the form of a screen located opposite the cathode with a gap relative to the corresponding section of the inner surface of the vacuum chamber, with the possibility of using the said section as the working surface of the anode. The essence of the proposed method lies in the fact that in the area of at least one part of the surface of the anode create a region for the formation of gas plasma, between the integral-cold cathode and the anode of the electric arc discharge generate a metal-gas plasma of the cathode substance, then in the aforementioned region they form a gas plasma by separation electrons from the metal-gas plasma of the discharge through a means impermeable to metal ions and ionization of the working gas electrons by the said electrons, while to the metal-gas plasma zone between permeable to metal ions and the cathode immerse the workpiece.

В результате этого, по меньшей мере, на части поверхности анода образуется область, на которую не осаждается неэлектропроводящее покрытие за счет экранирования этой области от ионов напыляемого на изделия вещества, распространяющегося по прямолинейным траекториям из зоны генерирующего их катодного пятна с рабочей поверхности катода. As a result of this, at least on a part of the anode surface a region forms on which the non-conductive coating does not deposit due to the screening of this region from the ions of the substance sprayed onto the products, which propagates along straight paths from the zone of the cathode spot that generates them from the working surface of the cathode.

При низком давлении остаточных газов в вакуумной камере (ниже чем 10^-2 Па) электронный ток может протекать только в тех частях объема вакуумной камеры, в которых существует плазма напыляемого вещества, как правило металлическая плазма. Эта плазма занимает пространство вакуумной камеры, находящееся в пределах прямой видимости с рабочей поверхности катода (или его отдельных участков). В остальное пространство вакуумной камеры плазма вещества катода не проникает, поскольку ионы этой плазмы движутся от катода к аноду по прямолинейным траекториям с высокой скоростью. При наличии рабочего газа в объеме с давлением выше, чем 10^-2 Па, после образования диэлектрической пленки на поверхности анода, не прикрытой средством, непроницаемым для ионов металла, ток разряда перебрасывается на участок анода, прикрытый от ионов вышеупомянутым средством, образуя в пространстве между незапыленным участком анода и непроницаемым для ионов металла средством область газовой плазмы, сквозь которую проходит электрический ток.At a low pressure of residual gases in the vacuum chamber (lower than 10 ^-2 Pa), the electron current can flow only in those parts of the volume of the vacuum chamber in which there is a plasma of the sprayed substance, usually a metal plasma. This plasma occupies the space of the vacuum chamber, which is within direct line of sight from the working surface of the cathode (or its individual sections). The plasma of the cathode substance does not penetrate into the remaining space of the vacuum chamber, since the ions of this plasma move from the cathode to the anode along straight paths at a high speed. If there is a working gas in a volume with a pressure higher than 10 ^-2 Pa, after the formation of a dielectric film on the surface of the anode that is not covered by a tool impermeable to metal ions, the discharge current is transferred to a section of the anode that is covered from the ions by the aforementioned tool, forming in the space between the area of the gas plasma through which an electric current passes through a dustless portion of the anode and impermeable to metal ions.

Ток в пространстве камеры проходит сквозь пространство, заполненное плазмой вещества катода и граничащее с ним пространство газовой плазмы, примыкающее к заэкранированному от катода участку анода. Поскольку заэкранированный участок анода не покрывается диэлектрической пленкой в процессе работы, то дуговой разряд не прекращает своего существования, что способствует надежности осуществления способа вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий. The current in the chamber space passes through the space filled with the plasma of the cathode substance and the gas plasma space adjacent to it, adjacent to the anode portion shielded from the cathode. Since the screened portion of the anode is not covered by a dielectric film during operation, the arc discharge does not cease to exist, which contributes to the reliability of the method of vacuum-plasma deposition of non-conductive coatings.

На фиг.1 изображено устройство, в котором в качестве анода служит непосредственно вакуумная камера; на фиг.2 - устройство, в котором в качестве анода служит изолированный от вакуумной камеры электрод. Figure 1 shows a device in which the vacuum chamber directly serves as the anode; figure 2 is a device in which an electrode isolated from a vacuum chamber is used as an anode.

На фиг.1 показаны: вакуумная камера 1, в которой расположены интегрально-холодные катоды 2, держатель 3 для установки изделий 4, непроницаемое для ионов металла средство в виде экрана 5, установленного с зазором от поверхности вакуумной камеры 1. На фиг.1 показан слой 6 диэлектрического покрытия. Участок 7 внутренней поверхности вакуумной камеры 1, на которой не осаждается диэлектрическое покрытие, является анодом. Между участком 7 внутренней поверхности вакуумной камеры 1 и экраном 5 расположена область газовой плазмы. Источники 8 питания постоянного тока подключены своими клеммами к катоду 2 и вакуумной камере 1 - аноду. Figure 1 shows: a vacuum chamber 1, in which integrally-cold cathodes 2 are located, a holder 3 for mounting products 4, and a metal-impermeable means in the form of a screen 5 mounted with a gap from the surface of the vacuum chamber 1. Figure 1 shows dielectric coating layer 6. A portion 7 of the inner surface of the vacuum chamber 1, on which the dielectric coating does not deposit, is an anode. Between section 7 of the inner surface of the vacuum chamber 1 and the screen 5 is a region of gas plasma. Sources of DC power 8 are connected by their terminals to the cathode 2 and the vacuum chamber 1 to the anode.

В устройстве на фиг.2 в качестве анода использован электроизолированный от вакуумной камеры 1 электрод 9, который расположен с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры 1. Участок 10 поверхности электрода 9 является анодом, а непроницаемым для ионов металла средством является участок 11 поверхности электрода 9. In the device of FIG. 2, an electrode 9 electrically insulated from the vacuum chamber 1 is used as an anode, which is positioned with a gap relative to the inner surface of the vacuum chamber 1. The surface area 10 of the electrode 9 is the anode, and the surface area 11 of the electrode 9 is impermeable to metal ions.

Работа устройства проверялась на серийно выпускаемой установке "Булат-6". Вакуумная камера установки цилиндрической формы имеет размеры: диаметр 500 мм, длина 500 мм. На боковой поверхности цилиндра установлено два испарителя титана. На противоположной им поверхности вакуумной камеры устанавливалась полоса шириной 150 мм, длина 400 мм, с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры 70 мм. В вакуумной камере производилось нанесение покрытия в среде кислорода при давлении 5х10^-1 Па. Положительный полюс источника питания подключался к вакуумной камере. Ток разряда поддерживался на уровне 100 А.The operation of the device was tested on a mass-produced installation "Bulat-6". The vacuum chamber of the cylindrical installation has dimensions: diameter 500 mm, length 500 mm. Two titanium evaporators are installed on the side surface of the cylinder. A strip with a width of 150 mm and a length of 400 mm was installed on the opposite surface of the vacuum chamber with a gap of 70 mm relative to the inner surface of the vacuum chamber. In a vacuum chamber, a coating was applied in an oxygen medium at a pressure of 5x10 ^-1 Pa. The positive pole of the power source was connected to a vacuum chamber. The discharge current was maintained at 100 A.

При первоначальном включении (на поверхности камеры отсутствуют окисные пленки) напряжение на разряде составляло 22 В. В процесс работы установки напряжение разряда монотонно увеличивалось до значения 45 В, после чего подъем напряжения прекратился. Upon initial switching on (there are no oxide films on the surface of the chamber), the voltage at the discharge was 22 V. During the installation, the discharge voltage monotonically increased to 45 V, after which the voltage increase stopped.

Подъем напряжения свидетельствует об образовании диэлектрической пленки на поверхности вакуумной камеры - аноде, затрудняющей прохождение электронного тока. Когда напряжение на электродах достигло значения зажигания разряда между границей плазмы из вещества катода и анодом, которым является не покрытая диэлектрической пленкой часть вакуумной камеры, подъем напряжения на электродах разряда прекращается. При этом ухудшение стабильности разряда не наблюдалось в течение 5-ти дней работы установки. The increase in voltage indicates the formation of a dielectric film on the surface of the vacuum chamber - the anode, which impedes the passage of electronic current. When the voltage at the electrodes has reached the ignition value of the discharge between the plasma boundary from the cathode substance and the anode, which is the part of the vacuum chamber that is not covered with a dielectric film, the voltage rise at the discharge electrodes stops. In this case, a decrease in the stability of the discharge was not observed within 5 days of operation of the installation.

Аналогичный опыт проводился со снятой полосой. Так же, как и в предыдущем опыте начальное напряжение на электродах было 22 В, и происходило монотонное повышение напряжения. Однако отличие заключалось в том, что напряжение и после 45 В продолжало увеличиваться, что привело сначала к снижению тока разряда, а затем к погасанию разряда. A similar experiment was carried out with the strip removed. As in the previous experiment, the initial voltage at the electrodes was 22 V, and a monotonic increase in voltage occurred. However, the difference was that the voltage continued to increase even after 45 V, which led first to a decrease in the discharge current, and then to the extinction of the discharge.

Claims

1. DEVICE FOR VACUUM-PLASMA APPLICATION OF NON-ELECTRIC COATING COATINGS ON PRODUCTS IN A MEDIA OF A WORKING GAS, comprising a vacuum chamber, an integrated cold cathode and an anode of an electric arc discharge, and a holder for products, characterized by a smaller amount of part of the anode surface from the metal-gas plasma of the cathode substance and installed inside the vacuum chamber with a gap relative to it, and the holder is placed between the shielding means and the cathode.

2. The device according to claim 1, characterized in that the anode is made in the form of a housing of a vacuum chamber.

3. The device according to claim 1, characterized in that the shielding means is an anode, and the shielded part of the anode surface faces the housing of the vacuum chamber.