Устройство для вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа

 

Использование: в вакуумно-плазменной технологии обработки изделий, в частности для упрочняющей поверхностной обработки инструмента и деталей машин посредством нанесения тонкопленочных покрытий. Сущность изобретения: в вакуумной камере создают область для образования газовой плазмы посредством непроницаемого для ионов металла средства. Между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда генерируют металлогазовую плазму вещества катода. Затем в вышеупомянутой области создают газовую плазму, а обрабатываемые изделия погружают в зону металлогазовой плазмы между областью газовой плазмы и катодом. В результате чего в зоне газовой плазмы в процессе всего цикла обработки существуют участки поверхности элементов устройства, выполняющие функцию анода, свободные от диэлектрической пленки напыляемого на изделия материала. Это позволяет исключить изменение параметров разряда по току и напряжению в процессе обработки и соответственно позволяет существенно повысить качество наносимого покрытия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке изделий, в частности к нанесению неэлектропроводящих покрытий на изделия.

Известен способ вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, при котором осуществляют генерацию между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда металлогазовой плазмы вещества катода и погружение в нее обрабатываемых изделий [1]. Недостатком этого способа является то, что при нанесении на изделия неэлектропроводящих покрытий на поверхности анода образуется диэлектрическая пленка, появление которой влечет за собой изменение параметров разряда по току и напряжению, что существенно влияет на качество наносимого слоя покрытия ввиду спонтанного неуправляемого изменения процесса технологического режима обработки. При большой продолжительности технологического цикла обработки происходит резкое снижение тока разряда и его погасание, что соответственно ведет к выбраковке всей партии изделий.

Известно устройство для вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий в среде рабочего газа, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда, соединенные с источником электропитания, а также держатель для изделий [2]. Недостатком этого устройства является то, что оно обладает низкой надежностью, при нанесении на изделия неэлектропроводящих покрытий что объясняется отсутствием средств, препятствующих появлению на аноде диэлектрической пленки, влияние которой на надежность и качество обработки описано выше.

Целью изобретения является повышение надежности и качества наносимого слоя покрытия при вакуумно-плазменном нанесении неэлектропроводящих покрытий.

Достигается это тем, что в способе вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, включающем генерацию между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда металлогазовой плазмы вещества катода и погружение в нее обрабатываемых изделий, согласно изобретению, перед генерацией металлогазовой плазмы в зоне, по меньшей мере, одного участка поверхности анода создают область для образования газовой плазмы, газовую плазму в упомянутой области образуют после возбуждения электродугового разряда путем сепарации электронов из металлогазовой плазмы разряда и ионизации упомянутыми электронами рабочего газа, при этом обрабатываемые изделия погружают в зону металлогазовой плазмы между областью газовой плазмы и катодом.

Достигается это также тем, что устройство для вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия в среде рабочего газа, содержащее вакуумную камеру, соединенные с источником электропитания интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда, а также держатель для изделий, согласно изобретению, оснащено непроницаемым для ионов металла средством, сформированным в зоне, по меньшей мере, одного из участков поверхности анода с возможностью образования оппозитно упомянутому участку поверхности области газовой плазмы, а держатель для изделий размещен между непроницаемым для ионов металла средством и катодом. При этом анод может быть выполнен в виде электроизолированного от вакуумной камеры электрода, расположенного с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры, а непроницаемое для ионов металла средства сформировано участком поверхности упомянутого электрода, обращенным в сторону катода для обеспечения возможности использования тыльного по отношению к катоду участка поверхности электрода в качестве рабочей поверхности. Анодом может являться непосредственно внутренняя поверхность вакуумной камеры, а непроницаемое для ионов металла средство может быть выполнено в виде экрана, расположенного противоположно катоду с зазором относительно соответствующего участка внутренней поверхности вакуумной камеры, с возможностью использования упомянутого участка в качестве рабочей поверхности анода. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в зоне, по меньшей мере, одного участка поверхности анода создают область для образования газовой плазмы, между интегрально-холодным катодом и анодом электродугового разряда генерируют металлогазовую плазму вещества катода, затем в вышеупомянутой области образуют газовую плазму путем сепарации электронов из металлогазовой плазмы разряда через непроницаемое для ионов металла средство и ионизации упомянутыми электронами рабочего газа, при этом в зону металлогазовой плазмы между непроницаемым для ионов металла средством и катодом погружают обрабатываемое изделие.

В результате этого, по меньшей мере, на части поверхности анода образуется область, на которую не осаждается неэлектропроводящее покрытие за счет экранирования этой области от ионов напыляемого на изделия вещества, распространяющегося по прямолинейным траекториям из зоны генерирующего их катодного пятна с рабочей поверхности катода.

При низком давлении остаточных газов в вакуумной камере (ниже чем 10^-2 Па) электронный ток может протекать только в тех частях объема вакуумной камеры, в которых существует плазма напыляемого вещества, как правило металлическая плазма. Эта плазма занимает пространство вакуумной камеры, находящееся в пределах прямой видимости с рабочей поверхности катода (или его отдельных участков). В остальное пространство вакуумной камеры плазма вещества катода не проникает, поскольку ионы этой плазмы движутся от катода к аноду по прямолинейным траекториям с высокой скоростью. При наличии рабочего газа в объеме с давлением выше, чем 10^-2 Па, после образования диэлектрической пленки на поверхности анода, не прикрытой средством, непроницаемым для ионов металла, ток разряда перебрасывается на участок анода, прикрытый от ионов вышеупомянутым средством, образуя в пространстве между незапыленным участком анода и непроницаемым для ионов металла средством область газовой плазмы, сквозь которую проходит электрический ток.

Ток в пространстве камеры проходит сквозь пространство, заполненное плазмой вещества катода и граничащее с ним пространство газовой плазмы, примыкающее к заэкранированному от катода участку анода. Поскольку заэкранированный участок анода не покрывается диэлектрической пленкой в процессе работы, то дуговой разряд не прекращает своего существования, что способствует надежности осуществления способа вакуумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий.

На фиг.1 изображено устройство, в котором в качестве анода служит непосредственно вакуумная камера; на фиг.2 - устройство, в котором в качестве анода служит изолированный от вакуумной камеры электрод.

На фиг.1 показаны: вакуумная камера 1, в которой расположены интегрально-холодные катоды 2, держатель 3 для установки изделий 4, непроницаемое для ионов металла средство в виде экрана 5, установленного с зазором от поверхности вакуумной камеры 1. На фиг.1 показан слой 6 диэлектрического покрытия. Участок 7 внутренней поверхности вакуумной камеры 1, на которой не осаждается диэлектрическое покрытие, является анодом. Между участком 7 внутренней поверхности вакуумной камеры 1 и экраном 5 расположена область газовой плазмы. Источники 8 питания постоянного тока подключены своими клеммами к катоду 2 и вакуумной камере 1 - аноду.

В устройстве на фиг.2 в качестве анода использован электроизолированный от вакуумной камеры 1 электрод 9, который расположен с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры 1. Участок 10 поверхности электрода 9 является анодом, а непроницаемым для ионов металла средством является участок 11 поверхности электрода 9.

Работа устройства проверялась на серийно выпускаемой установке "Булат-6". Вакуумная камера установки цилиндрической формы имеет размеры: диаметр 500 мм, длина 500 мм. На боковой поверхности цилиндра установлено два испарителя титана. На противоположной им поверхности вакуумной камеры устанавливалась полоса шириной 150 мм, длина 400 мм, с зазором относительно внутренней поверхности вакуумной камеры 70 мм. В вакуумной камере производилось нанесение покрытия в среде кислорода при давлении 5х10^-1 Па. Положительный полюс источника питания подключался к вакуумной камере. Ток разряда поддерживался на уровне 100 А.

При первоначальном включении (на поверхности камеры отсутствуют окисные пленки) напряжение на разряде составляло 22 В. В процесс работы установки напряжение разряда монотонно увеличивалось до значения 45 В, после чего подъем напряжения прекратился.

Подъем напряжения свидетельствует об образовании диэлектрической пленки на поверхности вакуумной камеры - аноде, затрудняющей прохождение электронного тока. Когда напряжение на электродах достигло значения зажигания разряда между границей плазмы из вещества катода и анодом, которым является не покрытая диэлектрической пленкой часть вакуумной камеры, подъем напряжения на электродах разряда прекращается. При этом ухудшение стабильности разряда не наблюдалось в течение 5-ти дней работы установки.

Аналогичный опыт проводился со снятой полосой. Так же, как и в предыдущем опыте начальное напряжение на электродах было 22 В, и происходило монотонное повышение напряжения. Однако отличие заключалось в том, что напряжение и после 45 В продолжало увеличиваться, что привело сначала к снижению тока разряда, а затем к погасанию разряда.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ НЕЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ В СРЕДЕ РАБОЧЕГО ГАЗА, содержащее вакуумную камеру, подключенные к источнику электропитания интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда и держатель для изделий, отличающееся тем, что оно снабжено средством, экранирующим по меньшей мере часть поверхности анода от металлогазовой плазмы вещества катода и установленным внутри вакуумной камеры с зазором относительно нее, а держатель размещен между экранирующим средством и катодом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде корпуса вакуумной камеры.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство экранирования является анодом, а экранированная часть анодной поверхности обращена в сторону корпуса вакуумной камеры.