Способ вакуумного нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубчатого изделия

 

Использование: изобретение относится к нанесению покрытий в вакууме ионным распылением и может найти применение при получении покрытий на внутренней поверхности трубчатых изделий таких, как гильзы, втулки, цилиндры и т. п. Сущность изобретения: с целью расширения номенклатуры получаемых изделий путем формирования покрытия на внутреннюю поверхность трубчатых изделий малого диаметра в полость изделия вводят встречно-расположенные источник материала покрытия и газоподающее сопло, нагревают изделие, подают через сопло газ и подводят отрицательное напряжение на источник, зажигают газовый разряд, распыляют материал источника и затем путем его конденсации на внутреннюю поверхность изделия формируют покрытие. Изделие предварительно наращивают технологической втулкой, а после нагревания изделия между источником и соплом подводят переменное напряжение. Изделие вращают вокруг и перемещают возвратно-поступательно вдоль его оси. Отрицательное напряжение подводят в момент выхода источника из полости изделия. Для повышения качества покрытия за счет придания ему необходимого комплекса эксплуатационных свойств, изделие многократно перемещают возвратно-поступательно В момент выхода источника из полости изделия изменяют технологический режим. 1 ил.

Изобретение относится к нанесению покрытий в вакууме ионным распылением и может найти применение при получении покрытий на внутренней поверхности трубчатых изделий, таких как гильзы, втулки, цилиндры и т.п.

Известны способы нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых изделий, включающие распыление ионной бомбардировкой стержневой мишени, распложенной по оси трубчатого изделия, и конденсацию распыленного материала на защищаемой поверхности [1 и 2] Однако известные способы не пригодны для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых изделий с отверстием небольшого диаметра, так как расстояние между мишенью и поверхностью изделия очень мало. Тлеющий разряд источник ионов переходит в область высоких давлений, что резко увеличивает обратную диффузию (возвращение на мишень) распыленных атомов, препятствует их осаждению на поверхность изделия [3] Формирования покрытия практически не происходит.

Наиболее близким к изобретению является способ нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб с помощью дуговой плавки, при котором в полость трубы вводят встречно-расположенные источник материала покрытия (держатель с испаряемым материалом) и газоподающее сопло. Подавая через сопло газ и подводя напряжение на источник и сопло, зажигают газовый (дуговой) разряд, с помощью которого материал источника переводится в парообразное состояние и затем, конденсируясь на внутренней поверхности трубы, образует покрытие [4] Однако данный способ имеет недостатки: затруднена его практическая реализация, особенно для получения покрытий на внутренней поверхности трубчатых изделий, имеющих отверстие небольшого диаметра. При небольшом отверстии уменьшаются геометрические размеры (сечение) источника материала покрытия, ухудшаются условия его охлаждения, а плотность дугового разряда и выделяемая мощность на источнике остаются при этом высокими.

При таких условиях эксплуатации источник материала покрытия (держатель испаряемого материала) не в состоянии рассеивать большую энергию дугового разряда, выделяющуюся при плавлении испаряемого материала. Вследствие этого нарушается равновесие теплового баланса (между мощностью поступающей на источник и рассеиваемой им), что в итоге приводит к сильному оплавлению и разрушению источника. Кроме этого, большое количество энергии, выделяемое при дуговой плавке, вызывает значительный перегрев близко расположенной к зоне испарения (плавления) внутренней поверхности изделия, что приводит к изменению свойств и структуры материала покрываемой основы (трубы).

В рассматриваемом способе покрытие на поверхности трубы формируется преимущественно в области, расположенной напротив источника испаряемого материала и неравномерно по толщине. На трубах с малым отверстием зона формирования покрытия уменьшается, неравномерность покрытия возрастает. По этой причине известный способ не позволяет получать равномерное покрытие на всей внутренней поверхности трубчатого изделия.

Цель изобретения расшиpение номенклатуры получаемых изделий путем получения покрытия на внутренней поверхности трубчатых изделий малого диаметра.

Цель достигается тем, что в способе нанесения покрытия в вакууме на внутреннюю поверхность трубчатого изделия, при котором в полость изделия вводят встречно расположенные источник материала покрытия и газоподающее сопло, нагревают изделие, подают через сопло газ и подводят отрицательное напряжение на источник, зажигают газовый разряд, распыляют материал источника и затем путем его конденсации на поверхности изделия формируют покрытие, изделие предварительно наращивают втулкой, после нагревания изделия между источником материала покрытия и соплом прикладывают переменное напряжение, изделие вращают вокруг его оси и перемещают возвратно-поступательно вдоль его оси, а отрицательное напряжение подают на источник в момент его выхода из полости изделия.

Также с целью повышения качества покрытия за счет придания ему необходимого комплекса эксплуатационных свойств в момент выхода источника из полости изделия изменяют технологический режим.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция устройства, реализующего предлагаемый способ нанесения покрытия в вакууме на внутреннюю поверхность трубчатых изделий.

Устройство, расположенное в вакуумной камере, содержит трубчатое изделие 1, технологическую трубку 2, в полости которых установлены встречно анод трубчатый 3, соединенный с корпусом вакуумной установки и мишень 4 (источник материала покрытия). К мишени 4 подключаются высоковольтные источники 5 и 6 переменного и постоянного напряжения, нагреватель 7 трубчатого изделия и механизмы возвратно-поступательного перемещения и вращения изделия 1.

Механизм возвратно-поступательного перемещения изделия состоит из реверсивного привода 8, связанного через герметичный ввод вращения 9 с ходовым винтом 10, на котором посажена гайка 11, жестко соединенная с основанием 12. На основании устанавливается обрабатываемое изделие 1 и крепится нагреватель 7.

Механизм вращения трубчатого изделия 1 содержит реверсивный привод 13, который через герметичный ввод вращения 14 и гибкую передачу 15 соединен с цилиндрической шестерней 16, вращающей опору 17, закрепленную на радиально-упорном подшипнике 18, расположенном на основании 12. На опоре через изоляторы 19 установлена центрирующая втулка 20 в которой установлено изделие 1. Центрирующая втулка 20 через скользящий контакт 21 подсоединена к высоковольтному источнику переменного напряжения 5.

Способ реализуется следующим образом.

Во втулке 20 закрепляют изделие 1 с технологической втулкой 2. Механизм возвратно-поступательного перемещения устанавливают так, чтобы наконечник мишени 4 находился напротив одного из торцов обрабатываемого изделия 1. В полость изделия 1 напротив мишени 4 вводят анод трубчатый 3, производят высоковакумную откачку.

С помощью нагревателя 7 изделие 1 нагревают, включают его вращение. Вращение подвижной опоры 17, на которой в центрирующей втулке 20 размещено обрабатываемое изделие 1 осуществляют от реверсивного привода вращения 13 через герметичный ввод вращения 14, гибкую передачу 15 и зубчатое колесо 16.

После нагревания в полость изделия 1 подают рабочий газ через анод трубчатый 3. От источника 5 между мишенью 4 и изделием 1 прикладывают высокое переменное напряжение, зажигают тлеющий разряд. Далее изделие 1 перемещают относительно мишени 4, производя ионную очистку изделия и мишени. В один полупериод переменного напряжения производится ионная очистка поверхности изделия, а в другой полупериод мишени.

Включением привода 8 осуществляют перемещение изделия 1. Когда наконечник мишени 4 выходит из полости изделия, источник высокого переменного напряжения 5 выключают. Не прекращая подачу газа в полость изделия 1, от высоковольтного источника 6 на мишень 4 подают высокое отрицательное напряжение относительно анода трубчатого 3, соединенного с корпусом установки, осуществляя ионное распыление материала мишени 4. На внутренней поверхности трубчатого изделия начинает формироваться покрытие. Для получения покрытия на всей поверхности, изделие перемещают в направлении, противоположном движению при ионной очистке, включением реверса привода 8.

Возвратно-поступательное перемещение изделия может повторяться несколько раз, формируя при этом на внутренней поверхности изделия, многослойное покрытие.

При послойном наращивании покрытия, изменяя технические режимы нанесения отдельных слоев (температуру конденсации, скорость распыления и осаждения, время формирования слоя и т.д.) так, чтобы обеспечивалось осаждение слоев разного функционального назначения, формируют многослойное покрытие с высокими эксплуатационными характеристиками, удовлетворяющее всему комплексу требований.

В процессе осаждения покрытия изделие электроизолировано от корпуса установки и деталей устройства. Это позволяет подавать на изделие относительно корпуса установки потенциал различной величины и знака, благодаря чему улучшаются свойства наносимых покрытий.

Практическое применение предлагаемого способа проверено в процессе осаждения покрытия на внутреннюю поверхность стальных (Ст. 50РА ГОСТ 1050-74) втулок длиной 20 мм, с отверстием диаметром 10 мм катодным распылением хромовой мишени диаметром 6 мм.

Экспериментальное опробование заявляемого технического решения проводилось в сравнении с прототипом.

Согласно прототипу покрытие на внутреннюю поверхность втулки наносили способом дуговой плавки, включающем плавление испаряемого материала расходуемого электрода и конденсацию его на поверхности втулки.

Однако из-за малых геометрических размеров источника 6 мм, а отсюда и низкой эффективности его охлаждения, но при наличии высокой плотности дугового разряда, произошло оплавление, т.е. разрушение источника. Это не позволило сформировать качественное покрытие на внутренней поверхности втулки.

В отличие от прототипа предлагаемый способ позволил сформировать покрытие. Первоначально внутренняя поверхность втулки была подвергнута ионной очистке: напряжение разряда (переменное) 1 кВ; давление аргона 2 Па; ток разряда 1 мА; скорость перемещения втулки по вертикали 4 мм/мин; время ионной очистки 5 мин; частота вращения втулки 10 об/мин. Затем проведено нанесение покрытия: температура конденсации 500 К; напряжение разряда (постоянное) 5 кВ; давление аргона 7 Па; ток разряда 5 мА; скорость перемещения втулки по вертикали 0,4 мм/мин; частота вращения втулки 10 об/мин.

При выполнении примера практической реализации предлагаемого способа проверено также влияние технологической втулки 2 (фиг. 1).

В случае отсутствия технологической втулки наблюдается неравномерность покрытия, толщина покрытия к краю покрываемой втулки 1 уменьшается. Это объясняется тем, что нарушается направленная подача газа из трубчатого анода на мишень, газ при выходе трубчатого анода из полости втулки начинает рассеиваться и часть его уходит в общий объем вакуумной камеры. В результате этого уменьшается ток разряда, падают скорость распыления и скорость осаждения материала покрытия, уменьшается толщина покрытия.

Применение удлиняющей втулки устраняет указанный недостаток, проявление краевого эффекта не наблюдается, на всей длине втулки 1 покрытие получается равномерным.

Таким образом, результаты испытаний подтвердили достижение поставленной цели изобретения получение покрытия на внутренней поверхности трубчатых изделий малого диаметра и показали возможность практической реализации предлагаемого способа нанесения покрытия в вакууме на внутреннюю поверхность трубчатого изделия.

Применение предлагаемого способа нанесения покрытия в вакууме на внутреннюю поверхность трубчатых изделий в сравнении с прототипом позволяет получать полые изделия с отверстием небольшого размера, на внутренней поверхности которых нанесено покрытие, повышающее долговечность изделия в целом. Эффект достигается формированием покрытия катодным распылением в системе встречно-расположенных электродов.

Источники информации: 1. Заявка Японии N 55-38030, кл. С 23 С 15/00, от 01.10.80.

2. Заявка Японии N 61-16344, кл. С 23 С 14/34 от 30.04.86.

3. Технология тонких пленок. Справочник /Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. М. Советское радио, 1977, т. 1, с. 427.

4. Заявка Японии N 62-180064, кл. С 23 С 14/24, от 07.07.87 (прототип).

Формула изобретения

Способ нанесения покрытия в вакууме на внутреннюю поверхность трубчатого изделия, включающий нагрев изделия, напуск газа через сопло на источник материала покрытия, размещенные в полости изделия, подачи отрицательного относительно сопла напряжения на источник, зажигание газового разряда и осаждение распыленного материала на изделии, отличающийся тем, что предварительно изделие наращивают втулкой, а источник материала покрытия размещают в полости изделия со стороны его конца со втулкой, далее после завершения нагрева изделия производят очистку поверхностей источника и изделия путем пропускания между ними переменного напряжения, причем процессы очистки и осаждения осуществляют по меньшей мере один раз при непрерывном вращении изделия и его возвратно-поступательном движении, а переход от очистки к осаждению совпадает с моментом выхода источника из полости изделия и изменения направления возвратно-поступательного движения последнего и подачей на него отрицательного напряжения при снятии переменного напряжения между источником и изделием.

РИСУНКИ

Рисунок 1