Устройство для нанесения покрытий в вакууме

 

Изобретение относится к устройствам для насения покрытий на материалы, а именно к устройствам для получения износостойких покрытий на рабочих поверхностях различных инструментов и изделий машиностроения. Сущность изобретения: устройство содержит вакуумную камеру, на которой герметично размещен электродуговой испаритель, соединенный с источником питания. Внутри камеры размещен подложкодержатель, соединенный с центральной жилой кабеля изменяемой длины. ВЧ-генератор одним из выводов через конденсатор переменной емкости соединен с центральной жилой кабеля изменяемой длины, другим выводом - с экраном кабеля. Применение ВЧ-генератора при согласовании его с нагрузкой (подложкодержателем с образцами) приводит к стабильности стехиометрического состава покрытий при нанесении их на образцы с температурой отпуска 150 - 500°С. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на материалы, а именно к устройствам для получения износостойких покрытий на рабочих поверхностях различных инструментов и изделий машиностроения с целью существенного повышения их работоспобности, надежности и долговечности. Устройство может быть использовано для нанесения таких покрытий как на инструментальные стали, так и на изделия из конструкционных сталей (У8, У10, 9ХС и др.), широко используемые в инструментальном производстве и машиностроении. Цель изобретения - повышение качества покрытий при нанесении их на материал с температурой отпуска 150-500^оС за счет улучшения стабильности стехиометрического состава и сплошности покрытия. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства для нанесения покрытий в вакууме. Устройство содержит вакуумную камеру 1, на которой герметично размещен электродуговой испаритель 2, соединенный с источником питания 3. Внутри камеры находится подложкодержатель 4 с образцом 5. Подложкодержатель размещен на электровводе 6, изолированном от корпуса камеры с помощью диэлектрической втулки 7. Электроввод подложкодержателя соединен с центральной жилой коаксиального кабеля изменяемой длины 8, экран которого соединен с рабочей камерой. ВЧ-генератор 9 одним из выводов через конденсатор переменной емкости 10 соединен с центральной жилой кабеля изменяемой длины, другим выводом - с экраном кабеля. Камера устройства и корпус ВЧ-генератора заземлены с помощью заземляющей шины (на чертеже не показана). Откачка вакуумной камеры осуществляется через горловину 11. На камере размещен игольчатый вентиль-натекатель 12 для регулируемого напуска реакционного газа (азот, метан и др.). Устройство работает следующим образом. При достижении в камере рабочего вакуума включают испаритель 2, который питается от источника 3, Испаритель является источником плазмы - дугового разряда, который развивается в парах эродирующего катода. Испарение материала катода осуществляется с катодных микропятен. Диаметр катодного пятна лежит в пределах 1-100 мкм, плотность тока составляет 10⁶-10⁸ А/см². Благодаря этому происходит практически мгновенный разогрев микроскопических пиков на поверхности катода, которые затем испаряются взрывом с образованием плотной металлической плазмы, содержащей достаточную для самостоятельного разряда долю ионов и электронов. На подложкодержатель 4 с образцом 5 подается ВЧ-напряжение с помощью ВЧ-генератора 9. Согласование ВЧ-генератора с нагрузкой осуществляется конденсатором переменной емкости 10, с помощью которого выбирается эффективная длина согласующего кабеля 8. Выбор ее можно проиллюстрировать следующим образом: i_k≈ = (2n-1)^-1, где l_k - длина кабеля; λ_к - длина волны в кабеле; λ_о - длина волны в вакууме; λ_o= , где С - скорость света; f_о - частота генератора; n - целые числа от 1 и более. Выбор частоты ВЧ-поля определяется, исходя из необходимости ускорения электронов до энергий, обеспечивающих ионизацию нейтрального (рабочего) газа V_е= , где V_e - скорость электрона; е - заряд электрона; Е - напряженность ВЧ-поля;
m_e - масса электрона. Осцилляция электронов в ВЧ-поле определяется по формуле
Z_е= , где Z_e - длина пробега электрона. При согласовании ВЧ-генератора с нагрузкой обеспечивается поглощение энергии плазмой, что приводит к увеличению энергии ее частиц и способствует повышению степени ионизации плазмы (появлению многозарядных ионов), а также к разpушению капель и микрочастиц, создаваемых электродуговым испарителем и, значит, к улучшению стабильности стехиометрического состава покрытия. Процесс нанесения покрытий предусматривает операции ионной бомбардировки разрушаются тонкие окисные пленки на поверхности образца, а также обеспечивается повышение температуры, не превышающей температуру отпуска данного материала образца. После окончания ионной бомбардировки через вентиль-натекатель 12 в камеру 1 подают легирующий газ. В результате плазмохимической реакции на поверхности образца осаждается покрытие. Вследствие воздействия ВЧ-поля на плазму происходит существенное увеличение уровня ионизации плазмы как за счет распада нейтральных макрочастиц (капель) на отдельные ионы в результате воздействия на них электронов с изменяемой энергией, так и появление многозарядных ионов элементов, вступающих в плазмохимическую реакцию. Это приводит к дополнительной активации поверхностного слоя на образце 5, что обеспечивает осаждение покрытий с хорошей адгезией, отсутствием капель, высокой сплошностью и стабильным стехиометрическим составом. Достоверность вышесказанного была проверена экспериментально. Приведены сравнительные эксперименты по нанесению износостойких покрытий, полученных в настоящем изобретении и установке-прототипе. В качестве ВЧ-генератора используют генератор мощностью 1 кВт в стационарном режиме и частотой 1-10 МГц, конденсатор с емкостью 15-350 пФ. а кабель длиной 10 м. Работоспособность режущего и штампового инструмента с покрытием оценивают в условиях производства. В качестве критерия стойкости выбрано время, отработанное инструментом с покрытием, нанесенным с помощью предложенного устройства. П р и м е р 1. На пуансоны из стали 9ХС наносят покрытие ТiN по следующей технологии. В вакуумную камеру загружают пуансоны, предварительно обезжиренные последовательной промывкой в бензине, ацетоне, спирте. Затем с помощью вакуумной системы создают в камере вакуум 5х10^-5 мм рт.ст. Затем включают электродуговой испаритель, на подложку подают ВЧ-напряжение. Ток дуги l_g = 75 А, U_в.ч. = 300 В. В таком режиме проводят ионную бомбардировку и очистку поверхности изделий в течение 2 мин. Затем напряжение ВЧ снижают до 100 В, напускают в камеру азот и осаждают покрытие. Парциальное давление азота составляет 1,3^.10^-3 мм рт.ст., время осаждения покрытия 30 мин. Температура подложки 180^оС. В процессе осаждения температура подложки практически не меняется. Работоспособность пуансона из стали 9ЗС после нанесения покрытия ТiN с помощью предложенного устройства 120 ч, в то время как обработанные на установке-прототипе детали с такой маркой стали неработоспособны (изменяются физико-механические свойства материала). П р и м е р 2. По приведенной технологии наносят покрытие на матрицы из стали Х12М. В данном случае работоспособность матрицы из материала с низкой температурой отпуска составляет также 120 ч. П р и м е р 3. На метчики М14х1, изготовленные из стали 9ХС, наносят покрытие ТiN, указанным в примере 1 способом. П р и м е р 4. На мелкоразмерные сверла диаметром 1 мм, 1,1 мм из материала Р18 наносят покрытие ZrN + TiN на заявляемой установке и на установке-прототипе. Производственные испытания показывают, что сверла, упрочненные на установке-прототипе, имеют более низкую работоспособность, чем сверла из исходного материала без покрытия, в то время как сверла, упрочненные на предложенном устройстве, показывают увеличение стойкости в среднем в 2,5 раза при обработке стали ХВСГ. П р и м е р 5. Аналогично примеру 4 на метчики-раскатчики (материал Р6М5) наносят покрытие ZrN + TiN. Увеличение стойкости составляет 2,8 раза. П р и м е р 6. На твердосплавные пластины ВК-6 наносят покрытие TiN на предложенном устройстве. Время ионной бомбардировки 3 мин, ток дуги l_g 100А, напряжение ВЧ U_в.ч. 300 В. Осаждение производят при токе дуги 100 А напряжении ВЧ 100 В, время нанесения покрытия 5 мин, толщина покрытия 5 мкм. П р и м е р 7. На аналогичные пластины наносят покрытие на установке-прототипе. Ток дуги 100 А. В режиме ионной бомбардировки напряжение составляет 1 кВ, время ионной бомбардировки 10 мин при достижении температуры 550^оС. В процессе осаждения l_g = 110 А, U_n = 170 В, время осаждения 1 ч 30 мин, толщина покрытия 5 мкм. Результаты испытаний инструмента из материалов с низкой и высокой температурой отпуска приведены в таблице. Из таблицы видно, что на пуансоны, матрицы, метчики, изготовленные из сталей 9ХС, Х12М с низкой температурой отпуска, а также на мелкоразмерный инструмент покрытия наносились только на предложенном устройстве, причем эти изделия имели высокую работоспособность. Нанесение покрытий на установке-прототипе с хорошей адгезией возможно только при 400-500^оС, что в случаях с указанными сталями недопустимо, так как это привело бы к существенному ухудшению физико-механических свойств материалов. Пластины из материала марки ВК-6 (с высокой температурой отпуска) с покрытием, нанесенным на предлагаемом устройстве, имеют работоспособность выше, чем пластины с покрытием, нанесенным на известном устройстве. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет получать покрытия со стабильными стехиометрическим составом и высокой адгезией на материалах с температурой отпуска 150-500^оС.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ, содержащее рабочую камеру с размещенными в ней электродуговым испарителем и подложкодержателем, отличающееся тем, что, с целью повышения качества покрытий, в него введен ВЧ-генератор с согласующей системой, состоящей из конденсатора переменной емкости, соединенного с коаксиальным кабелем изменяемой длины, центральная жила которого соединена с подложкодержателем, а экран - с рабочей камерой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---