Установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения

 

Использование: при нанесении металлсодержащих упрочняющих покрытий, преимущественно в машиностроении при нанесении покрытий различного назначения на детали машин и режущий инструмент . Сущность изобретения: установка содержит вакуумную камеру и расположенные о ней средства возбуждения двухступенчатого вакуумнодугового разряда с вращающимся держателем для установки изделий. Изделие устанавливается на держателе так, что ограничивается зона прямой видимости положительно заряженного электрода вакуумно-дугового разряда со стороны катода, те. изделие выполняет функцию экрана Это позволяет обеспечить возбуждение в вакуумной камере двухступенчатого разряда. Последний позволяет повысить качество покрытия за счет уменьшения в нем доли капельной фазы при увеличении атомарного компонента в осаждаемом на поверхности изделия потоке. Предусмотрен вариант исполнения установки для обработки нескольких расположенных по окружное) и изделий, а также вариант с дополнительным поворотным экраном 2 с и 3 эпф-лы. 5 ил

(19) RÖ (11) (51) 5 С23С14 32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5002318/21 (22) 11.09.91 (46) 30.10.93 Бюл. NQ 39-40 (71) Научно-производственное предприятие

"Новатех" (73) Научно-производственное предприятие

"Новатех" (54) УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ (S7) Использование: при нанесении металлсодержащих упрочняющих покрытий, преимущественно в машиностроении при нанесении покрытий различного назначения на детали машин и режущий инструмент. Сущность изобретения: установка содержит вакуумную камеру и расположенные в ней средства возбуждения двухступенчатого вакуумнодугового разряда с вращающимся держателем для установки изделий. Изделие устанавливается на держателе za)(, что ограничивается эона прямой видимости положительно заряженного электрода вакуумно-дугового разряда со стороны катода, т.е. изделие выполняет функци о экрана. Это позволяет обеспечить возбуждение в вакуумной камере двухступенчатого разряда. Последний позволяет повысить качество покрытия за счет уменьшения в нем доли капельной фазы при увеличении атомарного компонента в осаждаемом на поверхности иэделия потоке. Предусмотрен вариант исполнения установки для обработки нескольких расположенных по окружнопи изделий, а также вариант с дополнительным поворотным экраном. 2 с и 3 з.л.ф-лы. 5 ил.

2001972

Изобретение относится к технике нанесения металлосодержащих покрытий(чисто металлических и соединений металлов с различными газами) и может быть использовано в машиностроении при нанесении покрытий различного назначения.

Известны установки. в которых покрытия получают с помощью распылительных устройств магнетронного типа. Покрытия, полученные в установках такого типа, обладают высоким качеством, однако они конструктивно сложны (из-за наличия магнитных систем) и не образуют плазму с высокой степенью ионизации в зоне обрабатываемого изделия, Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения "Пуск", Установка содержит вакуумную камеру с размещенным в ней катодом из испаряемого металла, установленным напротив вращающегося приспособления для установки иэделия. При возбуждении электрической дуги с поверхности катода происходит испарение металла, который осаждается на иэделиях, установленных напротив катода на вращающемся приспособлении для установки иэлелий. Недостатком известной установки является наличие макрочастиц в наносимом покрытии, обусловленное характерной для электродугового испарителя капельной эрозией поверхности испарения катода. Продукты эрозии материала катода представляют ионизированные пары металла и металлические капли. размеры которых могут быть до 10 мкм.

Цель изобретения — повышение качества покрытия за счет уменьшения в нем доли капельной фазы при увеличении атомарного компонента в осаждаемом на поверхности изделия потоке.

Цель реализуется посредством того, что установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения, содержащая вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа, катод электродугового испарителя, выполненный иэ напыляемого металла и установленный в центральной части камеры с возможностью вращения, держатель изделия с установочным участком для последнего, анод, источник питания электродугового испарителя, снабжена источником питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, изолированными от камеры и размещенными внутр нее электродами, один из которых расположен диаметрально противоположно катоду и

55 соединен с положительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. а два других соединены с отрицательным полюсом собственного источника питания, выполнены из распыляемого металла в виде протяженных вдоль периферии установочного участка держателя изделия дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держателя и противоположно относительно друг друга по разные стороны от плоскости расположения продольных осей симметрии катода и первого изолированного электрода, при этом установочный участок держателя расположен симметрично относительно оси вращения держателя с обеспечением возможности ограничения зоны прямой видимости поверхности испарения катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода при установке в держатель иэделия.

Установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения может быть также снабжена источником питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, изолированными от камеры и размещенными внутри нее электродами, один из которых расположен диаметрально противоположно катоду и соединен с положительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, два других соединены с отрицательным полюсом собственного источника питания, выполнены из распыляемого металла в виде протяженных вдоль периферии держателя дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держателя и противоположно относительно друг друга по разные стороны от плоскости расположения продольных осей симметрии катода и противолежащего ему изолированного электрода, установочные участки для изделий размещены по периферии держателя. При этом установка снабжена экранирующим цилиндрическим элементом, закрепленным в центральной части держателя с возможностью ограничения зоны прямой видимости поверхности испарения катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода через радиальный зазор между взаимно обращенными поверхностями экранирующего цилиндрического элемента и противоположно расположенных электродов дугообразной формы.

Кроме того, установка снабжена поворотным экраном, расположенным между катодом и наружной поверхностью держателя для установки изделий. Цилиндрический элемент выполнен в виде обечайки из мате2001972

55 риала наносимого покрытия и соединен с отрицательным полюсом источником питания электродов дугообразной формы. Установочные участки для изделий расположены на автономных элементах, установленных на держателе с возможностью планетарного вращения относительно его оси.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными соответствует критериям патентноспособности. поскольку заявленные признаки, отраженные в формуле изобретения, как в отдельности, так и их совокупности не были обнаружены в данной и смежных областях науки и техники для решения поставленной задачи, На фиг.1 представлена установка с одним изделием, укрепленным на приспособлении для установки иэделий; на фиг:2— электродная система установки. изображенной на фиг,1, в аксонометрии; на фиг,3 — установка, в которой достигается высокое качество покрытия за счет полного отсутствия капельной фазы в наносимом покрытии; на фиг,4 — установка для обработки нескольких изделий, установленных на периферии приспособления для установки изделий; на фиг,5 — установка с дополнительным внутренним распыляемым электродом.

Установка, изображенная на фиг.1 содержит вакуумную камеру 1, в которой установлены катод 2 электродугового испарителя из распыляемого металла, приспособление 3 с вращающимся держателем (на фиг.1 не показан) для установки изделий

4, источник 5 питания электродугового испарителя металлов, электрод б, изолированный от камеры, источник 7 питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, электроды 8 из распыляемого материала, охватывающие с двух сторон держатель для установки иэделий и иэделие 4, установленные в пространстве вакуумной камеры 1 между катодом 2 и электродом б. Электропитание распыляемых электродов осуществляется от источника 9 питания. Вакуумная камера снабжена системой 10 подачи рабочего газа. В зазоре между электродами 8 и изделием; две разнородные в физическом отношении области: область 11, заполненная металлогазовой плазмой, и область 12, заполненная чисто газ вой плазмой.

На фиг,2 электроды показаны о аксонометрии.

На фиг.4 изображен вариант исполнения с вращающимся держателем 13 для установки иэделий 14, расположенных по периферии держателя 13. В центральной части держателя 13 установлен цилиндр 15, 5

45 ограничивающий зону прямой видимости между катодом 2 и электродом 6. Цилиндр

15 формирует щелевой зазор между катодом 2 и электродом 6.

На фиг.5 распыляемый цилиндр 16 изготовлен из материала покрытий.

На фиг.3 дополнительный подвижный экран 17 установлен между катодом и держателем для установки изделий и изделием 4.

Установка, изображенная на фиг,1 работает следующим образом.

Камера 1 откачивается системой высоковакуумной откачки и в нее производится напуск рабочего газа (например, аргона) до давления 8 10 Па. При включении источников 5 и 7 питания между катодом 2 и электродом 6 возбуждается двухступенчатый ва куумно-дуговой разряд. Двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд характеризуется наличием двух различных в физическом отношении областей; области 11, заполненной металлогазовой плазмой, и области 12 заполненíой чисто газовой плазмой. Эти области заполняют щелевой зазор между изделием 4 и электродами 8. Область металлогазовой плазмы ограничена пределами прямой видимости со стороны расположения электрода б поверхности напряжения катода 2 через щелевой зазор. Ионы металлической плазмы, генерируемой катодом, не проникают в остальное пространство щелевого зазора, поскольку распространяются от катода по прямолинейным траекториям.

Пр л подаче высоковольтного отрицательного потенциала между камерой 1 и электродами 8 ионы металлогаэовой плазмы из области 11 и ионы газовой плазмы иэ области 12 бомбардируют поверхность электрода 8 и распыляют ее, Распыленный в атомарном состоянии металл в щелевом зазора ионизируется и осаждается на издеnvå 4. Скорость распыления в результате ионной бомбардировки определяется как

P =- 0,037 ASI, г/ч, где А — атсмныи вес вещества;

S — коэффициент самораспыления, зависящий от рода распыляемого металла и бсмбагдпрующего газа, энергии бомбардирующ го иона (напряжения на распыляе ;ектроде);

I — ионный ток на распыляемый электрод, I J F, (2) где J — плотность ионного тока;

F — площадь рабочей поверхности распределяемого электрода.

2001972

Показано, что в двухступенчатом вакуумно-дуговом разряде

J = 0,01 )эл, (3) где J n — плотность электронного тока сквозь сечение разряда, Ið

)эл= у —, (4)

Р где lp — ток разряда;

Р р — сечение разряда.

Используя вышеприведенные соотношения, можно показать, что в установке для нанесения покрытий потоки металла от испарителя и распыляемых электродов соизмеримы при напряжениях на электродах в несколько сот вольт, если при качестве рабочего газа применять аргон. При необходимости получения соединения металла с газами в рабочий гаэ вводят примесь легирующего газа на уровне 10-15;ь от содержания аргона.

В установке, изображенной на фиг,4, применен цилиндр 15, установленный на приспособлении для установки иэделий.

Этот цилиндр экранирует катод 2 от электрода 6 (анода). В результате формируется оптически непрозрачный щелевой зазор между катодом 2 и электродом 6, Без применения цилиндра не обеспечивается оптическая изоляция анода от катода и, как следствие, не возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд.

В установке на фиг.5 с целью увеличения производительности цилиндр изготовлен в виде обечайки из материала покрытия и на него и на распыляемые электроды 8 подается высоковольтный отрицательный потенциал, В результате возрастает суммарная площадь рабочей поверхности распыляемых электродов, за счет чего возрастает новый ток и, как следствие, производительность и качество покрытия. так как увеличивается доля бескапельного атомарного компонента в покрытии.

В установке на фиг.3 полностью исключается капельная фаза за счет размещения между катодом 2 и изделием 4 подвижного экрана 17. Если экран 17 перекрывает катод (как это изображено на фиг.5), то на изделие не попадает поток металла, генерируемый с поверхности испарения катода 2. При отвоФормула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ

ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ, содержащая вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа. расположенный в камере катод элект5

45 де экрана от катода работа установки ничем не отличается от работы установки, изображенной на фиг.1. При работе установки с перекрытым экраном ее производительность падает примерно в два раза.

Экспериментальная установка для проверки предложенного принципа была построена по схеме, изображенной на фиг.3.

Размеры: диаметр вакуумной камеры 650 мм, длина катода из титана 800 мм, длина вакуумной камеры 1000 мм, радиус распыляемых электродов 8 иэ титана 300 мм, длина одного электрода по окружности 300 мм, высота электрода 800 мм. Зазор между электродом и иэделием, для имитации которого применена обечайка иэ стали 1 х l8H10T, составлял 30 мм (диаметр изделия 540 мм).

Ток разряда испарителя 200 А, напряжение на распыляемых электродах 600 В.

Проведены экспериментальные напыления на отполированные образцы иэ фольги, установленные вдоль образующей обечайки. При нанесении покрытия в течение 1 ч толщина покрытия на образце размером 20 х 20, установленном в центре обечайки. одним электродуговым испарителем без подачи напряжения на распыляемый электрод составила 3.3 мкм, только с распыляемых электродов (подвижный экран в положении, изображенном на фиг,3) составила 3,5 мкм. совместно от катода злектродугового испарителя и распыляемых электродов (подвижный экран 17 отведен от катода) составила 7 мкм.

Качество покрытий определялось визуально по блеску покрытия. По блеску покрытия располагались в следующем порядке

2-3-1.

Таким образом, происходит повышение качества покрытия, визуально проявляющееся в увеличении блеска (коэффициента отражения покрытия) при нанесении покрытия в предлагаемой установке, чем достигается цель изобретения. (56) Марахтанов М.К. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. M.: Наука, 1984, с.

264.

Mostra delle tecnologle sovletlche, Оепоча, Badla $, Andrea, 12/16 giugno, 1989, р. 99. родугового испарителя, выполненный из напыляемого металла, установленный в центральной части камеры с возможностью вращения держатель с размещенным на нем установочным участком для иэделия. анод, источник питания электродугового испарителя, отличающаяся тем, что

2001972

5

40

45 оси, она снабжена источником питания двухступенчатого вакуум но-дугового разряда, изолированными от камеры и размещенными в ней электродами, первый из которых расположен диаметрально противоположно катоду и соединен с положительным полюсом источника двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, два других электрода соединены с отрицательным полюсом собственного источника питания, выполнены из распыляемого металла в виде протяженных вдоль периферии установочного участка держателя изделия дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держателя и противоположно друг другу по разные стороны от плоскости расположения продольных осей симметрии катода и первого изолированного электрода, при этом установочный участок держателя расположен симметрично относительно оси вращения держателя с обеспечением возможности ограничения зоны прямой видимости поверхности испарения катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода при установке в держатель изделия.

2. Установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения, содержащая вакуумную камеру с системами высоковакуумной откачки и подачи рабочего газа, расположенные в камере катод электродугового испарителя, выполненный из напыляемого металла. установленный в центральной части камеры с воэможностью вращения держатель с размещенными на нем установочными участками для изделий, источник питания электродугового испарителя, отличающаяся тем, что она снабжена источником питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, изолированными от камеры и размещенными в ней электродами, первый из которых расположен диаметрально противоположно катоду и соединен с положительным ПОЛЮСОМ иСточника двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. два других электрода соединены с отрицательным полюсом собственного источника питания, выполнены из распыляемого металла в виде протяженных вдоль периферии держателя дугообразных элементов, расположенных с радиальным зазором относительно держателя и противоположно друг другу по разные стороны от плоскости расположения продольных осей симметрии катода и противолежащего ему изолированного электрода, установочные участки для изделий размещены по периферии держателя, при этом установка снабжена экранирующим цилиндрическим элементом, закрепленным в центральной части держателя с возможностью ограничения зоны прямой видимости поверхности испарения катода со стороны противоположно расположенного изолированного электрода через радиальный зазор между взаимообращенными поверхностями экранирующего цилиндрического элемента и противоположно расположенных электродов дугообразной формы, 3. Установка по п,1 или 2, отличающаяся тем, что она снабжена поворотным экраном, расположенным между катодом и наружной поверхностью держателя для установки изделий.

4. Установка по ll.2, отличающаяся тем, что цилиндрическии элемент выполнен в виде обечайки из материала наносимого покрытия и соединен с отрицательным полюсом источника питания электродов дугообразной формы, 5, Установка по п.2, отличающаяся тем, что установочные участки для иэделий расположены на автономных элементах, установленных на держателе с возможностью планетарного вращения относительно его,2001972

r2 оо яп ф с 7

2001972

Составитель Л. Саблев

Редактор Т. Юрчиковэ Техред M. Моргентал Корректор М. Куль

Заказ 3157

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб„4i5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул,Гагарина, 101