RU2596533C2 - Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof - Google Patents
Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2596533C2 RU2596533C2 RU2014143588/02A RU2014143588A RU2596533C2 RU 2596533 C2 RU2596533 C2 RU 2596533C2 RU 2014143588/02 A RU2014143588/02 A RU 2014143588/02A RU 2014143588 A RU2014143588 A RU 2014143588A RU 2596533 C2 RU2596533 C2 RU 2596533C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- cathode
- electric arc
- aluminium
- aluminum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент или детали машин.The invention relates to the field of applying wear-resistant coatings to a cutting tool or machine parts.
Из существующего уровня техники известен катод электродугового испарителя для нанесения покрытия нитрида титана, который представляет собой монолит из титана (титанового сплава) (см. Верещака А.С. Повышение работоспособности режущих инструментов нанесением износостойких покрытий. Дисс… докт. техн. наук. - Москва, 1986. - 601 с.).The cathode of an electric arc evaporator for coating titanium nitride, which is a monolith of titanium (titanium alloy), is known from the prior art (see A. Vereshchak, Improving the operability of cutting tools by applying wear-resistant coatings. Diss ... Doctor of Technical Sciences. - Moscow , 1986 .-- 601 p.).
Недостатками данного технического решения является невозможность получения многокомпонентных покрытий при его использовании.The disadvantages of this technical solution is the inability to obtain multicomponent coatings when using it.
Способ изготовления таких катодов из титана (титанового сплава) включает непосредственно механическую лезвийную (токарную) обработку, так как используемый материал является пластичным и хорошо обрабатывается резанием.A method of manufacturing such cathodes from titanium (titanium alloy) includes directly mechanical blade (turning) processing, since the material used is plastic and is well processed by cutting.
Недостатком способа является невозможность получения таким образом катодов из хрупких и твердых материалов плохо обрабатывающихся с помощью лезвийной обработки.The disadvantage of this method is the impossibility of obtaining in this way the cathodes from brittle and hard materials poorly processed using blade processing.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является катод электродугового испарителя (прототип), изготавливаемый в виде титановой оболочки с находящимся внутри сплавом из алюминида титана (см. А.с. СССР №1637372 А1, опубл. 20.05.1999).Closest to the claimed technical solution is the cathode of an electric arc evaporator (prototype), manufactured in the form of a titanium shell with an alloy of titanium aluminide inside (see AS USSR No. 1637372 A1, publ. 05.20.1999).
Недостатком данного технического решения является неоднородность химического состава сплава по сечению катода, что связано непосредственно с различным проплавлением стенок титановой оболочки при изготовлении катода электродугового испарителя.The disadvantage of this technical solution is the heterogeneity of the chemical composition of the alloy over the cross section of the cathode, which is directly related to the different penetration of the walls of the titanium shell in the manufacture of the cathode of an electric arc evaporator.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, в котором компоненты шихты из титана и алюминия расплавляются непосредственно в титановой оболочке, а затем титановая оболочка подвергается механической обработке для закрепления и установки самого катода в электродуговой испаритель (см. А.с. СССР №1637372 А1, опубл. 20.05.1999).Closest to the claimed technical solution is a method in which the components of the charge of titanium and aluminum are melted directly in the titanium shell, and then the titanium shell is machined to fix and install the cathode itself in an electric arc evaporator (see AS USSR No. 1637372 A1 , publ. 05.20.1999).
Недостатками данного способа являются сложность и большая длительность процесса сплавления компонентов шихты, необходимость использования высокотемпературных вакуумных печей для предотвращения окисления компонентов шихты, невозможность точно контролировать химический состав полученного катода по всему объему вследствие различной степени проплавления стенок титановой оболочки.The disadvantages of this method are the complexity and length of the process of fusion of the components of the charge, the need to use high-temperature vacuum furnaces to prevent oxidation of the components of the charge, the inability to accurately control the chemical composition of the obtained cathode throughout the volume due to the varying degrees of penetration of the walls of the titanium shell.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции и способа изготовления катода электродугового испарителя.The problem to which the invention is directed is the development of a design and a method of manufacturing a cathode of an electric arc evaporator.
Технический результат - упрощение способа изготовления катода электродугового испарителя.The technical result is a simplification of the method of manufacturing a cathode of an electric arc evaporator.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что катод электродугового испарителя для нанесения износостойких покрытий на основе нитридов титана и алюминия содержит расходуемую часть из сплава титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 30-70, алюминий 30-70 и катододержатель, выполненный из титана с цилиндрической полостью глубиной 5-6 мм и имеющий внутренний радиус скругления буртика не менее 3 мм, а способ получения катода электродугового испарителя включает изготовление присадочного материала в виде цилиндрических прутков длиной 500-600 мм и диаметром 15-20 мм, состоящих из тонкостенной оболочки, выполненной в зависимости от химического состава из алюминиевой или титановой фольги, и находящейся внутри нее шихты, состоящей из титана в виде кусочков ленты размером 10×20 мм и алюминия в виде гранул размером 5-10 мм, подлежащих переплавке, при этом переплавку осуществляют с использованием неплавящегося вольфрамового электрода при токе 350-400 А и при подаче аргона 18-20 л/мин с получением слитков массой 40-70 грамм, а затем осуществление повторной переплавки полученных слитков в индукционной тигельной печи и заливку полученного сплава в катододержатель.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that the cathode of the electric arc evaporator for applying wear-resistant coatings based on titanium and aluminum nitrides contains a consumable part of an alloy of titanium and aluminum at their ratio, wt.%: Titanium 30-70, aluminum 30-70 and cathode holder made of titanium with a cylindrical cavity with a depth of 5-6 mm and having an inner radius of rounding of the bead of at least 3 mm, and a method for producing a cathode of an electric arc evaporator involves the manufacture of filler material in Idea of cylindrical rods 500-600 mm long and 15-20 mm in diameter, consisting of a thin-walled shell, made depending on the chemical composition of aluminum or titanium foil, and a charge inside it, consisting of titanium in the form of pieces of tape 10 × 20 mm in size and aluminum in the form of granules with a size of 5-10 mm to be remelted, while remelting is carried out using a non-consumable tungsten electrode at a current of 350-400 A and with an argon supply of 18-20 l / min to produce ingots weighing 40-70 grams, and then reuse smelting the obtained ingots in an induction crucible furnace and pouring the obtained alloy into a cathode holder.
Такая конструкция катода электродугового испарителя позволяет по всему объему получить однородную по химическому составу структуру расходуемой части катода, многократно использовать нерасходуемый катододержатель после окончания эксплуатации катода для заливки в него нового сплава и формирования новой расходуемой части, а технологический процесс изготовления катода позволяет упростить и сократить процесс сплавления компонентов шихты и отказаться от использования дорогостоящих высокотемпературных вакуумных печей.Such a design of the cathode of an electric arc evaporator allows one to obtain a structure of a consumable part of the cathode uniform in chemical composition throughout the volume, to reuse a non-consumable cathode holder after cathode operation is completed to fill in a new alloy and form a new consumable part, and the cathode manufacturing process can simplify and reduce the fusion process charge components and abandon the use of expensive high-temperature vacuum furnaces.
Сущность изобретений заключается в следующем. Для осаждения покрытия заданного химического состава необходимо, чтобы процесс испарения материалов расходуемой части катода происходил равномерно. В случае когда используется катод из титановой оболочки, содержащий вставку из другого сплава, вследствие различия их физико-химических свойств процесс испарения происходит с различной интенсивностью с разных участков катода. Кроме того, катод имеет области с химическим составом, отличающимся от состава расходуемой части катода и титановой оболочки, полученные при проплавлении последней. Все это приводит к тому, что при испарении катода осаждаемое покрытие может иметь химический состав, отличный от необходимого. Исключить это возможно лишь при использовании однородной по химическому составу расходуемой части катода. В то же время катододержатель должен быть изготовлен из материала, который хорошо обрабатывается резанием. Сплав титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 30-70, алюминий 30-70 является хрупким труднообрабатываемым сплавом. Поэтому наиболее подходящим материалом для изготовления катододержателя является титан. При этом необходимо, чтобы крепление расходуемой части и катододержателя было прочным и надежным.The invention consists in the following. For deposition of a coating of a given chemical composition, it is necessary that the process of evaporation of materials of the consumed part of the cathode occur evenly. In the case when a cathode of a titanium shell containing an insert of another alloy is used, due to the difference in their physicochemical properties, the evaporation process occurs with different intensities from different sections of the cathode. In addition, the cathode has regions with a chemical composition different from the composition of the sacrificial part of the cathode and titanium shell obtained by smelting the latter. All this leads to the fact that upon evaporation of the cathode, the deposited coating may have a chemical composition different from the necessary one. This can be eliminated only when using the consumable part of the cathode, homogeneous in chemical composition. At the same time, the cathode holder must be made of a material that is well processed by cutting. Alloy of titanium and aluminum in their ratio, wt.%: Titanium 30-70, aluminum 30-70 is a brittle, difficult to process alloy. Therefore, titanium is the most suitable material for the manufacture of a cathode holder. In this case, it is necessary that the fastening of the consumable part and the cathode holder be strong and reliable.
На чертеже схематично представлен катод электродугового испарителя. Он состоит из титанового катододержателя 1 и расходуемой части катода 2.The drawing schematically shows the cathode of an electric arc evaporator. It consists of a
В своем конструктивном исполнении катододержатель имеет внутреннюю цилиндрическую полость глубиной h для заливки расходуемой части катода при его изготовлении.In its design, the cathode holder has an inner cylindrical cavity of depth h for filling the consumable part of the cathode in its manufacture.
В связи с тем, что сплавление исходных компонентов в воздушной среде невозможно вследствие их активного взаимодействия с кислородом воздуха с последующим образованием тугоплавких оксидов, предлагается использовать электродуговой переплав в среде защитного газа аргона с использованием неплавящегося вольфрамового электрода. Такой метод позволяет также значительно интенсифицировать процесс сплавления и перемешивания исходных компонентов, так как для нагрева используется высокотемпературная электрическая дуга (температура дуги достигает нескольких тысяч градусов Цельсия, что значительно выше, чем при использовании печного вакуумного нагрева). Для реализации этого метода первоначально изготавливают присадочный материал в виде цилиндрических прутков длиной 500-600 мм и диаметром 15-20 мм, состоящих из тонкостенной оболочки, выполненной в зависимости от химического состава получаемого сплава из алюминиевой или титановой фольги, и находящейся внутри нее шихты, состоящей из компонентов, подлежащих переплавке. В качестве компонентов шихты для получения сплавов использовался алюминий марки ХЧ в виде гранул размером 5-10 мм и титан марки ВТ1-0 в виде кусочков ленты размером 10×20 мм.Due to the fact that the fusion of the starting components in air is impossible due to their active interaction with atmospheric oxygen with the subsequent formation of refractory oxides, it is proposed to use electric arc remelting in an argon shielding gas using a non-consumable tungsten electrode. This method also makes it possible to significantly intensify the process of fusion and mixing of the starting components, since a high-temperature electric arc is used for heating (the temperature of the arc reaches several thousand degrees Celsius, which is much higher than when using vacuum furnace heating). To implement this method, filler material is initially made in the form of cylindrical rods with a length of 500-600 mm and a diameter of 15-20 mm, consisting of a thin-walled shell made depending on the chemical composition of the alloy obtained from aluminum or titanium foil, and a charge inside from components to be remelted. As components of the charge for producing alloys, aluminum of the KhCh grade was used in the form of granules with a size of 5-10 mm and titanium of the VT1-0 grade in the form of pieces of tape 10 × 20 mm in size.
Переплавку полученного таким образом присадочного материала осуществляли на установке аргонодуговой сварки AWI TIG 500 неплавящимся вольфрамовым электродом при токе 350-400 А и подачей аргона 18-20 л/мин. После такой переплавки получали слитки массой 40-70 г.Smelting of the filler material obtained in this way was carried out on an AWI TIG 500 argon-arc welding unit with a non-consumable tungsten electrode at a current of 350–400 A and argon supply of 18–20 l / min. After such remelting, ingots weighing 40-70 g were obtained.
Полученные слитки подвергались повторной переплавке в индукционной тигельной печи. В качестве материала тигеля использовался графит. Плавка осуществлялась на воздухе. После расплавления и перегрева сплава выше температуры его плавления на 60…70°С он заливался в катододержатель, помещенный в огнеупорную форму. После остывания полученная заготовка извлекалась из формы и подвергалась механической обработке (шлифованию) для придания катоду окончательной формы.The obtained ingots were remelted in an induction crucible. Graphite was used as the material of the crucible. Melting was carried out in air. After melting and overheating of the alloy above its melting temperature by 60 ... 70 ° C, it was poured into a cathode holder placed in a refractory form. After cooling, the obtained billet was removed from the mold and subjected to mechanical processing (grinding) to give the cathode a final shape.
При таком способе изготовления катода электродугового испарителя крепление катододержателя 1 и расходуемой части катода 2 осуществляется за счет образующейся в процессе охлаждения посадки с натягом вследствие разности коэффициентов термического расширения материалов катододержателя - титана и расходуемой части катода - сплава титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 30-70, алюминий 30-70. Причем для рассматриваемого состава сплава коэффициент термического расширения меньше коэффициента термического расширения титана. Такое условие может не выполняться для других, отличных от заявленного состава, сплавов, что приведет к невозможности изготовления такой конструкции катода электродугового испарителя.With this method of manufacturing the cathode of the electric arc evaporator, the
Для крепления расходуемой части катода 2 к катододержателю 1 в последнем при его изготовлении растачивалась цилиндрическая полость глубиной h=5-6 мм. При этом радиус скругления буртика R имел размер не менее 3 мм.To attach the sacrificial part of the
Получение полости большей глубины приводит к уменьшению высоты расходуемой части катода, что приводит к сокращению его срока службы.Obtaining a cavity of greater depth leads to a decrease in the height of the spent part of the cathode, which leads to a reduction in its service life.
При получении полости меньшей глубины в ряде случаев изготовления катода наблюдалось появление трещин и разрушение расходуемой части катода в месте его крепления к катододержателю.Upon receipt of a cavity of a lesser depth, in some cases of cathode fabrication, the appearance of cracks and destruction of the sacrificial part of the cathode in the place of its attachment to the cathode holder were observed.
Такое же разрушение расходуемой части катода с образованием трещин наблюдалось и при уменьшении радиуса скругления буртика R менее 3 мм в связи с концентрацией напряжений в этой области.The same destruction of the sacrificial part of the cathode with the formation of cracks was also observed with a decrease in the fillet radius of the shoulder R less than 3 mm due to the stress concentration in this region.
Таким образом, глубина цилиндрической полости h=5-6 мм при радиусе скругления буртика R не менее 3 мм является необходимым и достаточным условием для данного способа изготовления катода электродугового испарителя.Thus, the depth of the cylindrical cavity h = 5-6 mm with a fillet radius R of at least 3 mm is a necessary and sufficient condition for this method of manufacturing the cathode of an electric arc evaporator.
Готовый катод устанавливали в вакуумно-дуговой испаритель установки «Булат-6» и наносили покрытия на многогранные неперетачиваемые пластины из твердого сплава М8. Период стойкости режущих пластин с покрытиями, нанесенными с использованием катода данной конструкции, не уступает периоду стойкости режущего инструмента с покрытиями, наносимыми при распылении катодов, изготовленных по известному способу.The finished cathode was installed in the vacuum arc evaporator of the “Bulat-6” installation and coatings were applied on the many-sided non-turning plates made of M8 hard alloy. The durability period of cutting inserts with coatings deposited using a cathode of this design is not inferior to the durability period of a cutting tool with coatings applied by spraying cathodes made by a known method.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить способ изготовления катода электродугового испарителя, содержащего расходуемую часть из сплавов титана и алюминия.Thus, the present invention allows to simplify the method of manufacturing a cathode of an electric arc evaporator containing a consumable part from titanium and aluminum alloys.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014143588/02A RU2596533C2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014143588/02A RU2596533C2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014143588A RU2014143588A (en) | 2016-05-20 |
RU2596533C2 true RU2596533C2 (en) | 2016-09-10 |
Family
ID=56011873
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014143588/02A RU2596533C2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2596533C2 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3056740A (en) * | 1956-10-12 | 1962-10-02 | Edwards High Vacuum Ltd | Vapourisation of metals |
US4559121A (en) * | 1983-09-12 | 1985-12-17 | Vac-Tec Systems, Inc. | Method and apparatus for evaporation arc stabilization for permeable targets |
RU2110107C1 (en) * | 1996-02-05 | 1998-04-27 | Институт физики прочности и материаловедения СО РАН | Material of cathode for heavy-current accelerator |
SU1637372A1 (en) * | 1989-03-30 | 1999-05-20 | Ульяновский политехнический институт | CATHOD OF ELECTRIC ARC EVAPORATOR AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE |
RU51618U1 (en) * | 2005-06-14 | 2006-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | ELECTRIC ARC EVAPORATOR CATHODE |
RU2340426C1 (en) * | 2007-04-16 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for receiving cast tubal cathode made of alloys based on aluminum for ion-plasma sprayed coating |
-
2014
- 2014-10-28 RU RU2014143588/02A patent/RU2596533C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3056740A (en) * | 1956-10-12 | 1962-10-02 | Edwards High Vacuum Ltd | Vapourisation of metals |
US4559121A (en) * | 1983-09-12 | 1985-12-17 | Vac-Tec Systems, Inc. | Method and apparatus for evaporation arc stabilization for permeable targets |
SU1637372A1 (en) * | 1989-03-30 | 1999-05-20 | Ульяновский политехнический институт | CATHOD OF ELECTRIC ARC EVAPORATOR AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE |
RU2110107C1 (en) * | 1996-02-05 | 1998-04-27 | Институт физики прочности и материаловедения СО РАН | Material of cathode for heavy-current accelerator |
RU51618U1 (en) * | 2005-06-14 | 2006-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | ELECTRIC ARC EVAPORATOR CATHODE |
RU2340426C1 (en) * | 2007-04-16 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for receiving cast tubal cathode made of alloys based on aluminum for ion-plasma sprayed coating |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014143588A (en) | 2016-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2490350C2 (en) | METHOD FOR OBTAINING BASIC β-γ-TiAl-ALLOY | |
EP3180144B1 (en) | Method of creating coatings having a porous matrix for high temperature components | |
JP2009538991A (en) | Dissolution method using graphite dissolution vessel | |
CN106457479A (en) | Metal-core welding wire and method for forming the same | |
RU2515411C1 (en) | Method of titanium-based alloys production | |
CN106132590B (en) | The manufacturing method of platinum family based alloy | |
CN107405681B (en) | Method for manufacturing a turbomachine component, a blank and a final component | |
RU2599929C2 (en) | System and methods for casting metallic materials | |
RU2596533C2 (en) | Cathode of electric arc evaporator and preparation method thereof | |
CN105229179A (en) | The manufacture method of zinc alloy | |
US3973750A (en) | Casting mold for directional solidification of an alloy | |
JP5006161B2 (en) | Ingot manufacturing method for TiAl-based alloy | |
CN109609975A (en) | It is electrolysed the method that aluminium alloy is prepared in situ | |
CN109853000A (en) | The preparation method of aluminium alloy extrusions | |
EP3154742A1 (en) | Method to eliminate recast material | |
EP2841224A1 (en) | Shot tube plunger tip portion | |
RU2722380C2 (en) | Method of reduction of intermetallic compounds along interface of coupling of matrix bit by method of reduced temperature | |
JP5822519B2 (en) | Melting furnace for metal melting | |
US2890109A (en) | Melting refractory metals | |
WO2007059568A1 (en) | A method of manufacturing metallic composites in an inert atmosphere and composites produced thereby | |
CN105296941B (en) | The preparation and the application in vacuum arc plating coating of a kind of Ni-based sleeve cathode target | |
WO2002013996A1 (en) | A method of manufacturing metallic composites and composites produced thereby | |
RU2770807C1 (en) | Method for producing blanks from low-alloy copper-based alloys | |
RU2756092C1 (en) | Method for manufacturing bimetallic welding electrode by freeze-casting | |
RU2697287C1 (en) | Method for production of ingots from alloys based on titanium and aluminum intermetallic compound |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161029 |