RU2046153C1

RU2046153C1 - Electric arc evaporator cathodic unit

Info

Publication number: RU2046153C1
Application number: RU93043136A
Authority: RU
Inventors: Л.П. Саблев; С.Н. Григорьев; В.И. Дракин
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: vacuum- plasma deposition of metal-bearing versatile coatings applied onto elongate products. SUBSTANCE: cathode has elongate evaporation surface and cooled surface opposed to evaporation surface. Cathode cooling base is made in the form box-shaped housing open at one side and connected in hermetically sealed relation to cathode surface to be cooled so that medium cooling cavity is defined. Two current leads are connected with cathode ends for providing electric connection of cathode with discharge power supply source for alternative connection of leads through controllable keys. Cathode cooling base is electrically insulated from cathode surface to be cooled and from leads. Control unit for controlling position of cathode spot on evaporation surface is disposed adjacent to cathode evaporation surface. Control unit has independent leads for providing electrical connection with control key switch elements through control device. Cooling medium supply-discharge devices are made in the form of tubes. EFFECT: increased efficiency of unit by enhanced stability in control of cathode spot position on cathode evaporation surface and sufficient cooling of cathode. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике вакуумного нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения: антикоррозионных, износостойких, декоративных, термостойких и др. и может быть применено в машиностроении, преимущественно для нанесения покрытий на протяженные изделия. The invention relates to techniques for vacuum deposition of metal-containing coatings for various purposes: anti-corrosion, wear-resistant, decorative, heat-resistant, etc. and can be used in mechanical engineering, mainly for coating extended products.

Известны электродуговые испарители металлов для нанесения покрытий на протяженные изделия [1] Такие устройства имеют катодные узлы с протяженными вытянутыми катодами для испаряемого материала с длиной, равной или большей одного из поперечных размеров обрабатываемого изделия, а ширину много меньшую. Known electric arc evaporators of metals for coating extended products [1] Such devices have cathode assemblies with extended elongated cathodes for the vaporized material with a length equal to or greater than one of the transverse dimensions of the workpiece, and a much smaller width.

Для получения однородных по толщине покрытий катодное пятно вынуждают сканировать по всей длине поверхности испарения катода, а изделие перемещают в направлении, нормальном продольной оси вытянутого катода. Сканирование катодного пятна по катоду осуществляется с помощью электрических ключей, установленных на токоподводах к концам катода. Катодное пятно дуги под воздействием магнитного поля тока, текущего по катоду, всегда движется в сторону включенного ключа. Когда катодное пятно достигает конца катода, в цепи датчика конечного положения катодного пятна, расположенного у конца катода, возникает электрический сигнал, который через систему управления воздействует на ключи в цепях токоподводов, переключая их. Катодное пятно при переключении ключей начинает двигаться в противоположном направлении. Если катод выполнен без системы охлаждения, которая во всех существующих электродуговых испарителях является составной частью катода, то в процессе работы происходит перегрев катода и в потоке плазмы, генерируемом катодным пятном, появляется большое число макрочастиц материала катода, что снижает качество наносимого покрытия. To obtain coatings uniform in thickness, the cathode spot is forced to scan along the entire length of the cathode evaporation surface, and the product is moved in the direction normal to the longitudinal axis of the elongated cathode. Scanning the cathode spot along the cathode is carried out using electric keys mounted on current leads to the ends of the cathode. The cathode spot of the arc, under the influence of the magnetic field of the current flowing through the cathode, always moves towards the switched on key. When the cathode spot reaches the end of the cathode, an electric signal arises in the circuit of the end position sensor of the cathode spot located at the end of the cathode, which, through the control system, acts on the keys in the current supply circuits, switching them. When switching the keys, the cathode spot begins to move in the opposite direction. If the cathode is made without a cooling system, which is an integral part of the cathode in all existing electric arc evaporators, then during operation the cathode overheats and a large number of particles of the cathode material appear in the plasma stream generated by the cathode spot, which reduces the quality of the applied coating.

Известен катодный узел электродугового испарителя, который содержит собственно катод из испаряемого металла, имеющий поверхность испарения и противолежащую ей охлаждаемую поверхность. Катод охлаждаемой поверхностью устанавливается на охлаждающее основание, которое представляет собой открытый с одной стороны кожух. Этой открытой стороной кожух крепится к катоду, и с помощью вакуумного уплотнения катод и кожух герметизируются по периметру. К кожуху подводятся трубки средства подвода-отвода охлаждающей среды, которые одновременно выполняют функцию токоподводов к катоду. Эксплуатация такого катодного узла показала недостаточную степень управляемости катодным пятном вакуумной дуги при наличии двух переключаемых токоподводов к катоду, характеризующуюся тем, что при работе, особенно в окислительной атмосфере, катодное пятно не всегда движется в сторону включенного ключа [2]
Цель изобретения создание такого катодного узла электродугового испарителя, в котором сочетались бы хорошее охлаждение собственно катода и высокая степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода.Known cathode assembly of an electric arc evaporator, which contains the actual cathode of the evaporated metal having an evaporation surface and the opposite cooling surface. The cathode with a cooled surface is mounted on a cooling base, which is a casing open on one side. With this open side, the casing is attached to the cathode, and by means of a vacuum seal, the cathode and casing are sealed around the perimeter. To the casing are tubes of means for supplying and discharging a cooling medium, which simultaneously serve as current leads to the cathode. The operation of such a cathode assembly showed an insufficient degree of controllability of the vacuum arc by the cathode spot in the presence of two switchable current leads to the cathode, characterized in that when operating, especially in an oxidizing atmosphere, the cathode spot does not always move toward the switched key [2]
The purpose of the invention is the creation of such a cathode assembly of an electric arc evaporator, which combines good cooling of the cathode itself and a high degree of stability in controlling the position of the cathode spot on the cathode evaporation surface.

Экспериментально показано, что управляемость катодным пятном зависит от величины магнитного поля, чем больше магнитное поле, тем выше управляемость. При использовании для охлаждения катода охлаждающего основания уменьшается ток, текущий по собственно катоду, за счет шунтирования его электропроводящим основанием. Ток, протекающий по катодному узлу, суммируется из токов, протекающих по собственно катоду и охлаждаемому основанию. Поскольку стенка охлаждающего основания, по которой протекает шунтирующий ток, удалена от поверхности испарения катода, то величина управляющего катодным пятном магнитного поля снижена. It has been experimentally shown that controllability of the cathode spot depends on the magnitude of the magnetic field, the larger the magnetic field, the higher the controllability. When a cooling base is used for cooling the cathode, the current flowing through the cathode proper decreases due to its shunting by the electrically conductive base. The current flowing along the cathode assembly is summed from the currents flowing along the cathode itself and the cooled base. Since the wall of the cooling base, along which the shunt current flows, is removed from the evaporation surface of the cathode, the magnitude of the magnetic field controlling the cathode spot is reduced.

Таким образом с физической точки зрения целью изобретения является повышение величины магнитного поля на поверхности испарения катода. Thus, from a physical point of view, the aim of the invention is to increase the magnitude of the magnetic field on the evaporation surface of the cathode.

Цель достигается тем, что катодный узел электродугового испарителя, содержащий собственно катод с поверхностью испарения и расположенной противоположно ей охлаждаемой поверхностью, охлаждающее катод основание, выполненное в виде открытого с одной стороны кожуха коробчатой формы, герметично присоединенного к охлаждаемой поверхности катода с образованием полости для охлаждающей среды, средства подвода-отвода охлаждающей среды, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда, согласно изобретению, снабжен средствами контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, установленными вблизи поверхности испарения, которая выполнена вытянутой формы, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде двух отдельных токоподводов, присоединенных к концевым участкам катода с возможностью их поочередного подключения к источнику электропитания разряда через управляемые ключи, средства контроля положения катодного пятна выполнены с собственными токоподводами для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей через блок управления, а охлаждающее катод основание электрически изолировано от охлаждаемой поверхности катода и от токоповодов к нему. The goal is achieved in that the cathode assembly of the electric arc evaporator, containing the cathode itself with the evaporation surface and the opposite cooling surface, the cooling cathode base, made in the form of a box-shaped casing open on one side, hermetically attached to the cooled surface of the cathode with the formation of a cavity for the cooling medium , means for supplying and discharging a cooling medium, means for electrically connecting the cathode with a discharge power supply, according to the invention, is equipped with a medium By means of monitoring the position of the cathode spot on the cathode’s evaporation surface, installed near an elongated evaporation surface, the cathode’s electrical communication with the discharge power source is made in the form of two separate current leads connected to the end sections of the cathode with the possibility of connecting them to the discharge power source through controlled keys, means for controlling the position of the cathode spot are made with their own current leads for electrically connection with the switching elements of the controlled keys through the control unit, and the cooling cathode base is electrically isolated from the cooled surface of the cathode and from the current leads to it.

При таком конструктивном выполнении катодного узла достигается хорошее охлаждение, поскольку охлаждающая среда непосредственно подается под охлаждаемую поверхность катода и, в то же время, весь ток разряда проходит по собственно катоду, создавая при данной геометрии катода максимальное магнитное поле. With this structural design of the cathode assembly, good cooling is achieved, since the cooling medium is directly supplied under the cooled surface of the cathode and, at the same time, the entire discharge current passes through the cathode itself, creating a maximum magnetic field with this cathode geometry.

На фиг. 1 показан катодный узел с отдельными токоподводами к собственно катоду и электроизолированным от последнего охлаждающим основанием; на фиг. 2 катодный узел электродугового испарителя с электроизолированными от охлаждающего основания трубками подвода-отвода охлаждающей среды, продольный разрез. In FIG. 1 shows a cathode assembly with separate current leads to the cathode proper and a cooling base electrically insulated from the latter; in FIG. 2 cathode assembly of an electric arc evaporator with pipes for supplying and removing cooling medium, electrically insulated from the cooling base, longitudinal section.

Катодный узел электродугового испарителя, изображенный на фиг. 1 содержит собственно катод 1 из испаряемого материала с поверхностью 2 испарения и охлаждаемой поверхностью 3, который через электроизолятор 4, установленный по всему периметру собственно катода 1, стыкуется с охлаждающим основанием 5, которое выполнено в виде кожуха коробчатой формы, открытого с одной стороны. Собственно катод 1 стыкуется с охлаждающим основанием 5 через вакуумные уплотнения 6 и 7. Трубки 8 и 9, которые являются средством подвода-отвода охлаждающей среды в полость охлаждающего основания 5, соединены с последним и с фланцем 10 без электрической развязки. Токоподводы к собственно катоду 1 выполнены в виде скоб 11 и 12 и электровводов в виде проводников 13 и 14, электроизолированных от фланца 10 изоляторами 15 и 16. Токоподводы предназначены для осуществления электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда (на фиг. не показан) с возможностью поочередного их подключения к катоду 1 через управляемые ключи (на фиг. не показаны). Средство контроля положения катодного пятна выполнено в виде датчиков 17 и 18 конечного положения катодного пятна, установленных у концов катода 1 и имеющих собственные токоподводы 19 и 20, электроизолированные от фланца 10 посредством изоляторов 21 и 22. Датчики 17 и 18 предназначены для осуществления электрической связи с элементами управления управляемых ключей через блок управления (на фиг. не показано). The cathode assembly of the electric arc evaporator shown in FIG. 1 contains the actual cathode 1 of the evaporated material with the evaporation surface 2 and the cooled surface 3, which, through the electrical insulator 4 installed around the entire perimeter of the cathode 1 itself, is joined with the cooling base 5, which is made in the form of a box-shaped casing open on one side. Actually, the cathode 1 is joined to the cooling base 5 through vacuum seals 6 and 7. Tubes 8 and 9, which are a means of supplying and discharging the cooling medium into the cavity of the cooling base 5, are connected to the latter and to the flange 10 without electrical isolation. The current leads to the cathode 1 itself are made in the form of brackets 11 and 12 and the electric leads are in the form of conductors 13 and 14, insulated from the flange 10 by insulators 15 and 16. The current leads are designed to carry out electrical connection of the cathode 1 with the discharge power supply (not shown in Fig.) With the possibility of alternately connecting them to the cathode 1 through controlled keys (not shown in FIG.). The means for controlling the position of the cathode spot is made in the form of sensors 17 and 18 of the final position of the cathode spot installed at the ends of the cathode 1 and having their own current leads 19 and 20, insulated from the flange 10 by means of insulators 21 and 22. Sensors 17 and 18 are designed to carry out electrical communication with control elements of managed keys through the control unit (not shown in Fig.).

Катодный узел электродугового испарителя, изображенный на фиг. 2, отличается от катодного узла на фиг. 1 конструкцией токоподвода к катоду 1. В этом варианте исполнения функцию электровводов выполняют непосредственно трубки 8 и 9 подвода-отвода охлаждающей среды, электроизолированные от фланца 10, как и в первом варианте, посредством изоляторов 15 и 16, а от охлаждающего основания 5 посредством изоляторов 23 и 24. В обоих вариантах исполнения катодный узел укреплен на фланце 10. The cathode assembly of the electric arc evaporator shown in FIG. 2 differs from the cathode assembly in FIG. 1 by the design of the current supply to the cathode 1. In this embodiment, the function of the electrical inputs is performed directly by the pipes 8 and 9 of the supply / removal of the cooling medium, insulated from the flange 10, as in the first embodiment, by means of insulators 15 and 16, and from the cooling base 5 by means of insulators 23 and 24. In both versions, the cathode assembly is mounted on the flange 10.

Работает устройство следующим образом. С помощью системы поджига (на фигурах не показана) на поверхности 2 испарения катода 1 возбуждается катодное пятно вакуумной дуги. Катодное пятно движется в сторону включенного ключа. При достижении одного из концов катода 1 в датчиках 17 или 18 конечного положения катодного пятна появляется электрический сигнал, который через блок управления воздействует на ключи в цепи токоподводов к катоду 1 (фиг. 1), переключая их. Поскольку ток подается непосредственно на концы катода 1, а охлаждающее основание изолировано от катода, то весь ток разряда проходит через сечение собственно катода 1, не шунтируясь изолированным основанием. Поэтому управляющее магнитное поле достигает максимально возможного для данной геометрии катода значения, что способствует улучшению управляемости катодным пятном. The device operates as follows. Using the ignition system (not shown in the figures), a cathode spot of a vacuum arc is excited on the evaporation surface 2 of the cathode 1. The cathode spot moves toward the included key. When one of the ends of the cathode 1 reaches the end position of the cathode spot in the sensors 17 or 18, an electric signal appears, which through the control unit acts on the keys in the circuit of the current leads to the cathode 1 (Fig. 1), switching them. Since the current is supplied directly to the ends of the cathode 1, and the cooling base is isolated from the cathode, the entire discharge current passes through the cross section of the cathode 1 itself, without being shunted by the isolated base. Therefore, the control magnetic field reaches the maximum possible value for a given cathode geometry, which improves the controllability of the cathode spot.

Экспериментальный катодный узел для проверки предложенного решения содержал катод из титана марки ВТ-1-1 размерами 20х100х800. The experimental cathode assembly for checking the proposed solution contained a VT-1-1 titanium cathode with dimensions of 20x100x800.

Охлаждающее основание было выполнено из дюралюминия. Между дюралюминиевым основанием и собственно катодом была установлена изолирующая прокладка из cтеклотекстолита. The cooling base was made of duralumin. An insulating spacer made of fiberglass was installed between the duralumin base and the cathode itself.

Контроль за управляемостью катодным пятном производился замером расстояния, на которое смещалось катодное пятно от конца катода при включении одного управляемого ключа в цепи токоподвода к катоду. Чем больше величина магнитного поля на поверхности испарения катода, создаваемого током, проходящим по катоду, тем на меньшее расстояние от конца катода спонтанно (самопроизвольно) сместится катодное пятно при постоянном включении одного из ключей. The controllability of the cathode spot was controlled by measuring the distance by which the cathode spot was shifted from the end of the cathode when one controlled key was turned on in the current supply circuit to the cathode. The greater the magnitude of the magnetic field on the evaporation surface of the cathode created by the current passing through the cathode, the smaller the distance from the end of the cathode spontaneously (spontaneously) the cathode spot will shift when one of the keys is constantly turned on.

Эксперимент проводился с изолятором между охлаждающим основанием и катодом и без него. Результаты были следующие: при токе разряда 200 А без изолятора катодное пятно спонтанно смещается от конца катода на расстояние 250-300 мм, а с изолятором на 120-180 мм. The experiment was conducted with and without an insulator between the cooling base and the cathode. The results were as follows: at a discharge current of 200 A without an insulator, the cathode spot spontaneously shifts from the end of the cathode by a distance of 250-300 mm, and with an insulator by 120-180 mm.

Таким образом, данное изобретение существенно улучшает управляемость катодным пятном вакуумной дуги. Thus, this invention significantly improves the controllability of the cathode spot of the vacuum arc.

Claims

ELECTRIC ARC EVAPORATOR CATHODE ASSEMBLY containing the cathode proper with a vaporization surface and a cooling surface opposite to it, a cooling cathode base made in the form of a box-shaped casing open on one side, hermetically attached to the cathode surface to be cooled to form a cavity for the cooling medium, means for supplying and removing the cooling medium, means of electrical communication of the cathode with a discharge power supply, characterized in that it is equipped with means for controlling the position of the cathode spots on the evaporation surface of the cathode installed near the evaporation surface, which has an elongated shape, the means of electrical communication of the cathode with the discharge power supply are made in the form of two separate current leads connected to the end sections of the cathode with the possibility of alternately connecting them to the discharge power source through controlled keys, means the position control of the cathode spot is made with its own current leads for electrical communication with the switching elements x keys through the control unit, and a cooling base cathode is electrically insulated from the cooled surface of the cathode and by electrical connections thereto.