Устройство электродугового испарения металлов
Изобретение относится к области вакуумного нанесения металлических покрытий различного назначения: антикоррозионных износостойких, декоративных , термостойких и др. и может быть применено в различных областях, в частности в машиностроении Цель - уменьшение габаритов установки и упрощение конструкции Сущность изобретения устройство электродугового испарения металлов содержит четырехугольный катод с поверхностью испарения токоподводы у противоположных концов катода управляемые ключи в цепях токоподводов, датчик текущего положения катодного пятна, выполненный из двух идентичных наборов проводников, и снабжено однойпарой токоподводов , управляемыми ключами в их цепи и системой управления положением катодного пятна Это позволяет обеспечить независимое управление положением катодного пятна по двум координатам, оси которых совпадают с диагоналями катода 2 ил
(51) Ю ц п т ;;., ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4931909/21 (22) 29.04.91 (46) 30.10.93 Бюл. Nu 39-40 (71) Научно-производственное предприятие
"Новатех" (73) Научно-производственное предприятие
"Новатех" (54) УСТРОЯСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСГ1АРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ (57) Изобретение относится к области вакуумного нанесения металлических покрытий различного назначения антикоррозионных износостойких декоративнык термостойких и др. и може быть применено в различных областях в частности в маши(в) КЦ (и) 2001970 С1 ностроении. Цель — уменьшение габаритов установки и упрощение конструкции Сущность изобретения: устройство электродугового испарения металлов содержит четырехугольный катод с поверхностью испарения, токоподводы у противоположных концов катода, управляемые ключи в цепях токоподводов, датчик текущего положения катодного пятна, выполненный из двух идентичных наборов проводников, и снабжено одной парой токоподводов, управляемыми ключами в их цепи и системой управления положением катодного пятна
Это позволяет обеспечить независимое управление положением катодного пятна по двум координатам. оси которых совпадают с диагоналями катода 2 ил
2001970
55 ника;
Изобретение относится к технике вакуумного нанесения металлических покрытий различного назначения: антикоррозионных, износостойких, декоративных, термостойких и др, и может быть применено в машиностроении.
Известно устройство электродугового испарения металлов, предназначенное для нанесения покрытий на протяженные изделия. Такое устройство имеет протяженный вытянутый катод длиной, равной или большей одного из поперечных размеров обрабатываемого иэделия, а шириной, много меньшей. Для получения однородных по толщине покрытий вынуждают катодное пятно 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 концевого датчика, расположенн ого у кон ца катода, возникает электрический сигнал, который через систему управления воздействует на ключи в цепях токоподводов. переключая их. Катодное пятно при переключении клк1чей начинает двигаться в противоположном направлении, Недостатком этого испарительного устройства является то, что катодное пятно совершает возвратно-поступательное движение по всему катоду с равномерной скоростью и не представляется возможным регулировать местоположение катадных пятен по катоду с целью получения покрытий переменной толщины по длине изделия или даже просто однородных по толщине покрытий на поверхности протяженного иэделия, Прототипом изобретения является электродуговой испаритель металлов, содержащий протяженный катод из испаряемого металла, имеющий поверхность испарения и токоподводы к противоположным основаниям катода, подключенные к управляемым ключам, переключение которых вызывает возвратно-поступательные движения катодного пятна по координате X катода, совпадающей с его продольной осью, анод, источник постоянного тока, сис ему управления положением катодного пятна по координате X катода, состоящую из датчика текущего положения катодного пятна и источника управляющего напряжв5
50 ния, подключенных к выходам операционного усилителя, выход которого соединен с управляемыми ключами. Датчик текущего положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, величина которого однозначно определяется .координатой Х положения катодного пятна на катоде. Выход операционного усилителя соединен с управляемыми ключами так, что независимо от знака разности приложенных к входу операционного усилителя напряжений всегда включен ключ, вызывающий движение квтодного пятна в направлении, при котором разность сигналов на входе операционного усилителя напряжений стремится к нулю, а при нулевой разности сигналов на входе включены оба ключа. При таком решении катодное пятно дуги занимает на катоде тв кую координату Х, в которой выполняется соотношение Од Оупр 0 (1), где Од— напряжение на выходе датчика, являющееся функцией координаты X положения катодного пятна; Uynp — управляющее напряжение.
При изменении величины управляющего напряжения равенство (1) сохраняется при новом значении Од, т. е. при новой координате Х положения катодного пятна на катоде. В электродуговом испарителе (прототипе) в качестве датчика текущего положения катодного пятна использован протяженный проводник длиной не менее длины катода, изготовленный иэ материала с высоким удельным сопротивлением и двумя токоподводами на концах. Проводник своими токоподводами подключен к балластным резисторам. которые своими свободными концами соединяются вместе и подключаются к источнику постоянного тока. При работе испарителя катодное пятно дуги генерирует плазменный поток в виде расходящегося конуса с вершиной в катодном пятне дуги, который, касаясь проводника. замыкает электрическую цепь источника постоянного тока. Балластные резисторы и ветви протяженного проводника с перемещающимся по ним плазменным шнуром образуют измерительный мост, с диагонали которого (концы протяженного проводника) снимается напряжение, величина которого однозначно определяет положение катодного пятна на катоде. Напряжение на диагонали моста
Од = RU(2r - r) / (В + гх) (R + г-гх), где R — величина сопротивления балластного резистора в цепях протяженного проводr — сопротивление протяженного проводника;
2001970 г„и r-r, — сопротивление ветвей протяженного проводника по обе стороны от плазменного шнура;
0 — напряжение, подводимое к измерительному мосту.
Иэ выражения (2) следует, что при постоянстве величин R, г и U напряжение Од целиком определяется величиной r>< (т. е, координатой положения катодного пятна на катоде).
К недостатку электродугового испарителя следует отнести то, что при нанесении покрытий на изделия с соизмеримыми поперечными размерами необходимо перемещать соизмеримыми поперечными размерами необходимо перемен}ат>. иэделие относительно испарителя и Iàádðè(û установки должны быть, KJK минимум, вдвое больше габаритов иэделия, Целью изобретения является уменьшение габаритов установки и упрощение конструкции при нанесении покрытий на протяженные иэделил с соизмеримь ми поперечными размерами.
Цель достигаетсл в устройстве электродугооого испарения металлов, содержащем четыреху>ольный ко)од иэ испарлемог0 металла, имеющий поверхность испарения и токоподводы g противоположных концов, управляемые к !ючи в цепях токсподвсдсв, анод, систему управления положением кэтодного пятна, состоящу<о иэ датчика текущего положенил катодного TI>t < на, источника управлл>ощего напрлхкc>«LII и операционного усилителя, два охода которого соединены с датчиком текущего положения катодного пятна и itñòî÷ti»êoè управляюще(о напряжения, а выход- с yitравляемыми ключами. Новым явллетсл то, что устройство снабже}}о одной парей 1окоподоодов, управляемыми ключами и их цепи и системой управления положение>t катодного пятна, при этом токоподвсды уста><овлены в зоне оершин катода, а два идентичных датчика текущего положе>!ия катодного пятна выполнены о ниде >-.эбора неконтактиру!Ощих друг с другом пров(дников, параллельных другдругу и ((сверк>(Ости испарения катода. каждый набор установлен нормально соответствующей д(<л О (али катода и подключен к цепочкам иэ последовательно соединенных реэисторпв, первый проводник набора — к началу цепочки. Qcтальные — к соединению двух соседних рсзисторов.
Идея работы заявляемого электродугового испарителя эакл>очается в >>еээв(1с11мом управлении положением K<3}oäifotо пятна по двум координатам, оси ко)орых совпадают с диагона,,ями катода. Совпадение осей с диагоналями катода объясняется тем, что токоподводы к катоду находятся в зоне вершин катода, поэтому каждая пара ключей в цепях противоположно располо5 женных токоподводов при переключении вызывает возвратно-поступательное движение катодного пятна вдоль диагонали катода. При совместной рабоге двух пар ключей можно добиться расг>оложения об10 ласти перемещения катодных пятен на любом участке поверхности испарения четырехугольного катода. Если токоподводы к катоду установлены не в вершинах катода, а. например, посередине оснований, 15 то область перемещения катодных пятен по
i((tT0,. 1",ОГрд!111че!!а rI lÐ< (1к>1<3 т>:IП, эак<)>Оче>>ной между линиям,::е>ец:1>(лющ(11!и cQрод.1н}< Отнсев!<11й, т, (. . (1сис<(<, чс(;. Io
20 угольного катода. Ко>(струкц(1..! дат LIYo )екущ=гс (}Опожс><11 ка>одногп ". ëò>,L3 IL гиде иаеб>г I o с>>>(ь>х к Ll(, TlO <К:; !1 3 П ОСЛ<, .I<) <3 J Т .Л ЬI|О СО<Э L!1! !ЕН I (ЫХ РР
Э|<СTСРО(3, f!ОЭLO. !Л(lт С/.;>!|1|. t L Э (>PО ОД>IL}КОВ
25 на(|>,>ра, росио Lf)x(;tt>tt > ; ><б<)ле. бли)кп к катодисму илт>г,:. оосп!)<1>!т»!ать п11 <ê илаэMI.| ИЗ УЭГОД|IО! О >1<а !1 «:т>ЕД 3РЗТ}. В(|Э!(И
КаX)L
Lj<-:ПэчкУ 113 IIOСЛС, (| I<.; :L. <>Ь><О СИ(- Дй|I| >(НЫХ
30 1(-.:;«.т,-.>- -в. } L»<, i <, . с |:и (ер . !)<<э<}сто
;<>,„ i- ли г<ь<брв! в г,<:,L> | р Э,}Рте! С. H
:3!|! "i, |ем с у л<., (|<3 с и!)О "и(л(3<<ие !)Ол«<-.тс;. <(< |; |
>5 с <сi l <<3 |1() I(r .ат -, (| |
;! <| ° l .,|, U<дэ - l i ii l, <,, — ll,, (:)) (де }, i! (},,; -- наи;)л»,1 -ие на е ниах дат40
11)хе<>) ТE>,>,.;ë-о (1;>:;11;;:р<11}л ка}одного п>1тна
И .Р:IOL; И Ь ОРОИ ДИЭ(ОИ(!т!.1 Ка}<)Д|., Г!1 Lt п2 пс!)л|ДКОвый >io>!CP ПРОILL!!LIILLX3, r1v;L ксторым наход!Ттсл катоднсе пятно длл лэт"!1ксв и" с "сй L, втo . и 13;дгс, iаi;;| содт"
В.: 1: | |<в
t< LL< IlO
o i — - 0)лр! / г l + !1/2 . l; п U)
< Йс J< лл! 11 Uyавлл io< iji. е tip; | !" <>жQ55 }tL1t1 1<,тсч>1ика УГ(РавллIОЩсго 1! |,!P:,:|.<.,s«
t1o пе}>(3О>1 и в(орой д>}а(о>!алям кат,: |<в сос |ве ство>< | !о.
Иэ оыраже>(1131 (!) следует, «)L! (.".:;.>, >!1>е катодногс ил1!!а !}а ха<од; Одноэнач О
ОП(>РДЕЛ>ТЕТСЛ ВЕЛИЧИНаМИ УИ!)1}В(!.;Ю:<1<1л ><Л
2001970
40
55 пряжений, задаваемых с помощью источников управляющих напряжений по первой и второй диагонали катода, Поскольку резисторы находятся вне зоны потока плазмы, та их величина может регулироваться в широких пределах. При этом становится возможным подключить цепочку к отрицательному полюсу источников питания. Использование для индикации положения катод»ого пятна ионного компонента плазмы (цепочка подсоединена к источнику отрицательного напряжения) предпочтительней, поскольку ионный компонент не так чувствителен к магнитным полям, в там числе и к собственным, создааде»III током разряда, искажающим индикацию истинно1о положения катадного пятна. Знач11гель11ое уменьшение ионного тока (пол»ый ионный TGK насыщения значительно меньше электронного) кампенсируеTñII г1рoI.IîрционалыIûI.I увеличением величины резисторов.
Изобретение позволяет разрешить задачу независимого управления положением катод»ого пятна по двум координатам на поверхности протяженного четырехугольного катода.
На >иг. 1 изображена схема электродугаваго испарителя металлов с протяженным прял1оугольныл1 катодом, вид сбоку; на фиг.
2 — катод злектрадугавого испарителя металлов в плане и блок-схема электропитания и управления испарителем. В вакуумной камере 1 установлен катод 2 электрадугавого испарителя четырехугольной формы. Катод имеет поверхность 3 испарения. В зоне вершин четырехугольного катода укреплены таковводы 4. Вся поверхность катода 2. за исключением поверхности 3 испарения, прикрыта экраном 5. Над паверхность1о испарения катода располо>кен датчик текущего положения кагадного
11ятна, ссстаящий иэ двух идентичных наборов проводников 6 и 7, состоящий из двух идентичных наборов проводников 6 и?, ус1aIIoI.ne11»ых с зазором друг от друга, параллельных друг другу и поверхности 3 испарения катода. Выводы проводников падклю1с»ы к цепочкам из последовательно соединенных резисторов 8 и 9. Концы цепоче, через токападвады 10 выведены наружу вакуумной камеры. Напыляел1ые изделия 11 усгановлены над поверхностью 3 испарения катода 2.
На фиг. 1 изображены возникающее в процессе работы катодное пятно 12 и генерируемый им поток металлической плазмы 13.
Нэ фиг. 2 показаны балластные резисторы (R) 14, подключенные к одному из полюсов источника 15 питания, другой полюс которого соединен с катодом 2. Электропитание испарителя производится от источника
16 постоянного тока, отрицательный полюс которого через управляемые ключи 17 соединен с электрическими вводами 4, Концы цепочки иэ последовательно включенных резисторов 8 и 9, являющиеся выходом 10 датчика текущего положения катодного пятна, соединены с входом 18 операционного усилителя 19. На вход 20 операционного усилителя 19 подается управляющее напряжение, вырабатываемое источником 21 управляющего напряжения. Выход операционного усилителя 19 через противоположно включенные диоды 22 и 23 соединен с управляющими элементами 24 управляемых ключей 17.
Работает электродуговой испаритель металлов следующим образом, После откачки вакуумной камеры 1 до давления не выше 10 Па с помощью системы поджига дуги (на фигурах не показана) на катоде возбуждается катодное пятно 12, которое генерирует поток плазмы 13, который, распространяясь нормальна к поверхности катода в виде расходящегося конуса, охватывает один из проводников 6, 7 датчиков текущего положения катодного пятна. Ток в датчике проходит по ветвям цепочки из резисторов 8 и 9 и вырабатывает сигнал на концах цепочки, являющейся диагональю моста из резисторов 14 и резисторов ветвей цепочки, Этот сигнал подается на вход 18 операционного усилителя 19. На второй вход 20 операционного усилителя 19 подается сигнал от источника 21 управляющего напряжения. Выход операционного усилителя 19 через противоположно включенные диоды 22 и 23 соединен с управляющими элементами 24 ключей 17, При равенстве разности напряжений на входе операционного усилителя Од — Uy p = 0 напряжение на его выходе равно нулю и ключи 17 в цепи катода включены. При включенных ключах движение катод»ого пятна хаотическое, Если Од — Отпр = О, на выходе операционного усилителя появляется сигнал, полярность которого определяется знаком вышеприведенного неравенства. При этом начинает проводить один из диодов 22 или 23 и один иэ ключей отключается. Ключи к такоподводам подключены так, что остается включенным тот ключ. который вызывает движение катодного пятна в направлении, уменьшающем выходной сигнал, При появлении на выходе операционного усилителя знака противоположной полярности остается включенным другой ключ, и катодное пятно возвращается в положение, при котором Од
2001970
55 — U>,Ill =- О, Таким образом, система управления поддерживает такое положение катодного пятна на катоде. при котором разность входных напряжений на входе операционного усилителя равна нулю. Такая регулировка осуществляется по каждой иэ координат по первой и второй диагоналям.
В результате при неизменном напряжении источника 21 управляющего напряжения положение кэтодного пятна строго зафиксировано. Изменяя управляющее напряжение, вынуждают катодное пятно двигаться по одной из координат первой и второй диагоналей. Изменяя выходное напряжение обоих источников управляющего напряжения, вынуждают катодное пятно дг11гэться одновременно по двум координатам. Подавая на входы операционных усилителей сигналы от источников управляющего напряжения, изменяющихся по определенной программе, вынуждают кэтодное пятно двигаться по программе, т, е. становится возможным нанесение покрытий с програл1мируемым профилем покрытия.
Работоспособность предлагаемого устройства проверялась нэ прямоугольном медном катоде с размерами 350 х 350 х 10 мм. Катодсостороны, противоположной поверхности испарения, прикрыт экраном. K вершинам катода с тыльной стороны были привинчены токоподводы, выходящие наружу вакуумной камеры, Токоподводы подключены к управляемым тиристорны л ключам. Датчики текущего положения катодного пятна для координат первой и второй диагонали выполнены из стальной проволоки диаметром 1 мм, натянутой между керамическими изоляторами, Проводники B количестве 8 шт. устанавливались нэ расстоянии 70 мм от поверхности испаре5
Формула изобретения
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО
ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ, содержащее четырехугольный катод из испаряемого металла, токоподеоды у противоположных концов катода, управляемые ключи в цепях токоподводов, анод, систему управления положением кагодного пятна, состоящую из датчика текущего положения катодного пятна, источника управляющего напряжения и операционного усилителя, двэ входа которого соединены с дэтчико л текуьцего положения катодного пятна и источником управляющего напряжения, э выход — с управляемыми ключами. отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов установки и упрощения конструкции при нанения катода. Расстояние между проводниками составляло 50 мм. Расстояние между двумя системами проводников составляло 7 мм, В процессе экспериментальной проверки проверялась подача на проволочные датчики положительного и отрицательного потенциала, При подаче положительного потенциала величина R выбиралась равной
160 Ом. При напряжении источника питания
100 B ток цепи датчика текущего положения катодного пятна составлял 1 А. Величина г выбиралась равной 0,3 Ом. При подаче отрицательного потенциала 80 В ток насыщения на датчике составлял 50 мА, величина R составляла 400 Ом, величина r — 60 Ом.
В качестве источника управляющего напряжения использовались потенциометрические делители напряжения, подключенные к гальваническим элементам. Для управления тиристорными ключами при ленен операционный усилитель на микросхеме К140УД1А, Ктиристорным ключам операционный усилитель подсоединяется с помощью оптронов. При фиксированных значениях опорного напряжения кэтодное пятно перемещается относительно некоторого центра с амплитудой перемещения, не превышающей 5 см, Изменением величин опорного напряжения можно перемещать кэтодное пятно на любой участок поверхности катода. (56) Авторское свидетельство СССР
N. 161163, кл. С 23 С 14/32, 1975.
Отчет об опытно-экспериментальной работе Комплексная ионно-плазменная обработка режущего инструмента из быстрорежущих сталей. Гос. регистр. М 2232, Харьков, 1989, с, 19-23. сении покрытий на протяженные иэделия с соизмеримыми поперечными размерами, оно дополнительно снабжено одной парой токаи.:дводов с управляемыми ключами в их цепи, системой управления положением кэтодного пятна, при этом токоподводы устаноалены B зоне вершин катода, датчик текущего положения катодного пятна выполнен в виде набора неконтактирующих один с другил проводников, параллельных друг другу и поверхности испарения кэтодгь подкл ю енных одноименными кон цэми к цепо ко из последовательно соединенных резисторов, при этом первый проводник набора подсоединен к началу цепочки, а остальные - к соединению двух соседних резисторов, с входом операционного усилителя соединены одноименные концы
2001970
12 еи8.3
Составитель Л. Саблев
Редактор Т. Юрчикова Техред М. Моргентал Корректор М. Керецман
Тираж Подписное
НПО "Поиск" Роспатента
113035;Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Заказ 3157
Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, уп.Гагарина, 101 крайних проводников набора. причем проводники каждого набора установлены нормал ьно соот ветствукзщей диагонали катода,
