КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технике вакуумного нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения: антикоррозионных, износостойких, декоративных, термостойких и др. и может быть применено в машиностроении, преимущественно для нанесения покрытий на протяженные изделия.

Известны электродуговые испарители металлов для нанесения покрытий на протяженные изделия [1] Такие устройства имеют катодные узлы с протяженными вытянутыми катодами для испаряемого материала с длиной, равной или большей одного из поперечных размеров обрабатываемого изделия, а ширину много меньшую.

Для получения однородных по толщине покрытий катодное пятно вынуждают 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 датчика конечного положения катодного пятна, расположенного у конца катода, возникает электрический сигнал, который через систему управления воздействует на ключи в цепях токоподводов, переключая их. Катодное пятно при переключении ключей начинает двигаться в противоположном направлении. Если катод выполнен без системы охлаждения, которая во всех существующих электродуговых испарителях является составной частью катода, то в процессе работы происходит перегрев катода и в потоке плазмы, генерируемом катодным пятном, появляется большое число макрочастиц материала катода, что снижает качество наносимого покрытия.

Известен катодный узел электродугового испарителя, который содержит собственно катод из испаряемого металла, имеющий поверхность испарения и противолежащую ей охлаждаемую поверхность. Катод охлаждаемой поверхностью устанавливается на охлаждающее основание, которое представляет собой открытый с одной стороны кожух. Этой открытой стороной кожух крепится к катоду, и с помощью вакуумного уплотнения катод и кожух герметизируются по периметру. К кожуху подводятся трубки средства подвода-отвода охлаждающей среды, которые одновременно выполняют функцию токоподводов к катоду. Эксплуатация такого катодного узла показала недостаточную степень управляемости катодным пятном вакуумной дуги при наличии двух переключаемых токоподводов к катоду, характеризующуюся тем, что при работе, особенно в окислительной атмосфере, катодное пятно не всегда движется в сторону включенного ключа [2]
Цель изобретения создание такого катодного узла электродугового испарителя, в котором сочетались бы хорошее охлаждение собственно катода и высокая степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода.

Экспериментально показано, что управляемость катодным пятном зависит от величины магнитного поля, чем больше магнитное поле, тем выше управляемость. При использовании для охлаждения катода охлаждающего основания уменьшается ток, текущий по собственно катоду, за счет шунтирования его электропроводящим основанием. Ток, протекающий по катодному узлу, суммируется из токов, протекающих по собственно катоду и охлаждаемому основанию. Поскольку стенка охлаждающего основания, по которой протекает шунтирующий ток, удалена от поверхности испарения катода, то величина управляющего катодным пятном магнитного поля снижена.

Таким образом с физической точки зрения целью изобретения является повышение величины магнитного поля на поверхности испарения катода.

Цель достигается тем, что катодный узел электродугового испарителя, содержащий собственно катод с поверхностью испарения и расположенной противоположно ей охлаждаемой поверхностью, охлаждающее катод основание, выполненное в виде открытого с одной стороны кожуха коробчатой формы, герметично присоединенного к охлаждаемой поверхности катода с образованием полости для охлаждающей среды, средства подвода-отвода охлаждающей среды, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда, согласно изобретению, снабжен средствами контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, установленными вблизи поверхности испарения, которая выполнена вытянутой формы, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде двух отдельных токоподводов, присоединенных к концевым участкам катода с возможностью их поочередного подключения к источнику электропитания разряда через управляемые ключи, средства контроля положения катодного пятна выполнены с собственными токоподводами для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей через блок управления, а охлаждающее катод основание электрически изолировано от охлаждаемой поверхности катода и от токоповодов к нему.

При таком конструктивном выполнении катодного узла достигается хорошее охлаждение, поскольку охлаждающая среда непосредственно подается под охлаждаемую поверхность катода и, в то же время, весь ток разряда проходит по собственно катоду, создавая при данной геометрии катода максимальное магнитное поле.

На фиг. 1 показан катодный узел с отдельными токоподводами к собственно катоду и электроизолированным от последнего охлаждающим основанием; на фиг. 2 катодный узел электродугового испарителя с электроизолированными от охлаждающего основания трубками подвода-отвода охлаждающей среды, продольный разрез.

Катодный узел электродугового испарителя, изображенный на фиг. 1 содержит собственно катод 1 из испаряемого материала с поверхностью 2 испарения и охлаждаемой поверхностью 3, который через электроизолятор 4, установленный по всему периметру собственно катода 1, стыкуется с охлаждающим основанием 5, которое выполнено в виде кожуха коробчатой формы, открытого с одной стороны. Собственно катод 1 стыкуется с охлаждающим основанием 5 через вакуумные уплотнения 6 и 7. Трубки 8 и 9, которые являются средством подвода-отвода охлаждающей среды в полость охлаждающего основания 5, соединены с последним и с фланцем 10 без электрической развязки. Токоподводы к собственно катоду 1 выполнены в виде скоб 11 и 12 и электровводов в виде проводников 13 и 14, электроизолированных от фланца 10 изоляторами 15 и 16. Токоподводы предназначены для осуществления электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда (на фиг. не показан) с возможностью поочередного их подключения к катоду 1 через управляемые ключи (на фиг. не показаны). Средство контроля положения катодного пятна выполнено в виде датчиков 17 и 18 конечного положения катодного пятна, установленных у концов катода 1 и имеющих собственные токоподводы 19 и 20, электроизолированные от фланца 10 посредством изоляторов 21 и 22. Датчики 17 и 18 предназначены для осуществления электрической связи с элементами управления управляемых ключей через блок управления (на фиг. не показано).

Катодный узел электродугового испарителя, изображенный на фиг. 2, отличается от катодного узла на фиг. 1 конструкцией токоподвода к катоду 1. В этом варианте исполнения функцию электровводов выполняют непосредственно трубки 8 и 9 подвода-отвода охлаждающей среды, электроизолированные от фланца 10, как и в первом варианте, посредством изоляторов 15 и 16, а от охлаждающего основания 5 посредством изоляторов 23 и 24. В обоих вариантах исполнения катодный узел укреплен на фланце 10.

Работает устройство следующим образом. С помощью системы поджига (на фигурах не показана) на поверхности 2 испарения катода 1 возбуждается катодное пятно вакуумной дуги. Катодное пятно движется в сторону включенного ключа. При достижении одного из концов катода 1 в датчиках 17 или 18 конечного положения катодного пятна появляется электрический сигнал, который через блок управления воздействует на ключи в цепи токоподводов к катоду 1 (фиг. 1), переключая их. Поскольку ток подается непосредственно на концы катода 1, а охлаждающее основание изолировано от катода, то весь ток разряда проходит через сечение собственно катода 1, не шунтируясь изолированным основанием. Поэтому управляющее магнитное поле достигает максимально возможного для данной геометрии катода значения, что способствует улучшению управляемости катодным пятном.

Экспериментальный катодный узел для проверки предложенного решения содержал катод из титана марки ВТ-1-1 размерами 20х100х800.

Охлаждающее основание было выполнено из дюралюминия. Между дюралюминиевым основанием и собственно катодом была установлена изолирующая прокладка из cтеклотекстолита.

Контроль за управляемостью катодным пятном производился замером расстояния, на которое смещалось катодное пятно от конца катода при включении одного управляемого ключа в цепи токоподвода к катоду. Чем больше величина магнитного поля на поверхности испарения катода, создаваемого током, проходящим по катоду, тем на меньшее расстояние от конца катода спонтанно (самопроизвольно) сместится катодное пятно при постоянном включении одного из ключей.

Эксперимент проводился с изолятором между охлаждающим основанием и катодом и без него. Результаты были следующие: при токе разряда 200 А без изолятора катодное пятно спонтанно смещается от конца катода на расстояние 250-300 мм, а с изолятором на 120-180 мм.

Таким образом, данное изобретение существенно улучшает управляемость катодным пятном вакуумной дуги.

Использование: в технике вакуумно-плазменного нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения преимущественно на протяженные изделия. Сущность изобретения: катод имеет поверхность испарения вытянутой формы и расположенную противоположно ей охлаждаемую поверхность. Охлаждающее катод основание выполнено в виде открытого с одной стороны кожуха коробчатой формы и герметично присоединено к охлаждаемой поверхности катода с образованием полости для охлаждения среды. К концевым участкам катода присоединены два токоподвода для осуществления электрической связи последнего с источником электропитания разряда с возможностью поочередного подключения токоподводов через управляемые ключи. Охлаждающее катод основание электрически изолировано от охлаждаемой поверхности катода и от токоподводов к нему. Вблизи поверхности испарения катода установлены средства контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, которые имеют собственные токоподводы для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей через блок управления. Средства подвода-отвода охлаждающей среды выполнены в виде трубок. Это обеспечивает высокую степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода при хорошем охлаждении последнего. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ, содержащий собственно катод с поверхностью испарения и противоположной ей охлаждаемой поверхностью, охлаждающее катод основание, выполненное в виде открытого с одной стороны кожуха коробчатой формы, герметично присоединенного к охлаждаемой поверхности катода с образованием полости для охлаждающей среды, средства подвода-отвода охлаждающей среды, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда, отличающийся тем, что он снабжен средствами контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, установленными вблизи поверхности испарения, которая имеет вытянутую форму, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде двух отдельных токоподводов, присоединенных к концевым участкам катода с возможностью их поочередного подключения к источнику электропитания разряда через управляемые ключи, средства контроля положения катодного пятна выполнены с собственными токоподводами для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей через блок управления, а охлаждающее катод основание электрически изолировано от охлаждаемой поверхности катода и от токоподводов к нему.