УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к области вакуумно-плазменного напыления и может быть использовано для нанесения упрочняющих покрытий на инструмент, детали машин и иные изделия, преимущественно длинномерные.

Известна установка для нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен интегрально-холодный катод вакуумно-дугового разряда, анод, оптически непрозрачный, но непроницаемый для электронов, экран для возбуждения двуступенчатого разряда с разделенными посредством экрана металлогазовой и газовой ступенями, распыляемые электроды, расположенные в зоне газовой ступени разряда, и держатели изделий, расположенные оппозитно распыляемой поверхности электродов [1]
Недостатком известной установки является то, что она не позволяет наносить равномерное по толщине покрытие на длинномерные изделия, так как плотность тока разряда вдоль распыляемой поверхности электродов в значительной степени изменяется в направлении от анода к катоду.

Цель изобретения повышение однородности покрытий по толщине при обработке длинномерных изделий и повышение производительности.

Цель достигается тем что в установке для нанесения покрытий, содержащей вакуумную камеру, в которой установлен интегрально-холодный катод вакуумно-дугового разряда, анод, оптически непрозрачный, но проницаемый для электронов экран для возбуждения двуступенчатого разряда с разделенными посредством экрана металлогазовой и газовой ступенями, распыляемые электроды, расположенные в зоне газовой ступени разряда, и держатели изделий, расположенные оппозитно распыляемой поверхности электродов, вакуумная камера снабжена перегородкой, разделяющей камеру на две симметричные полости, один конец перегородки расположен с зазором относительно стенки камеры, расположенной противоположно катоду, анод и катод размещены со стороны второго, закрепленного на соответствующей стенке конца перегородки по разные стороны от нее, распыляемые электроды и держатели изделий расположены вдоль перегородки по обе стороны от нее, причем распыляемые электроды расположены со смещением в сторону стенок камеры, расположенных параллельно перегородке.

В качестве перегородки может быть использована непосредственно обрабатываемая деталь. Камера установки для нанесения покрытий в поперечном сечении может быть выполнена прямоугольной формы, распыляемые электроды в виде пластин. Камера установки для нанесения покрытий в поперечном сечении может быть выполнена круглой формы, а распыляемые электроды в виде протяженных элементов с дугообразным поперечным сечением.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в установке благодаря вышеописанному конструктивному исполнению от анода к катоду протекают два встречно направленных тока.

Эти встречно направленные токи создают магнитные поля, которые отклоняют электронный поток, проводящий ток в промежутке анод-катод, в направлении распыляемых электродов, увеличивая плотность ионного тока в зоне электродов, а следовательно, производительность установки.

Симметрия линий тока в установке в зоне распыляемых электродов предполагает близость по абсолютным величинам значений плотности тока на различных участках распыляемых электродов и, как следствие, одинаковую скорость распыления их участков. Все вышеперечисленное способствует однородности покрытий по толщине на изделиях, установленных эквидистантно распыляемым электродам.

На фиг.1 изображена установка с камерой прямоугольной или цилиндрической формы, сечение; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 схема установки, в которой роль перегородки выполняет обрабатываемое изделие; на фиг.4 экспериментальный макет установки, на котором проводились испытания.

Установка (фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1, имеющую в сечении вид прямоугольника или цилиндра. Посредине камеры 1 установлена перегородка 2, начинающаяся у основания 3 и недоходящая до противоположного основания 4. Между перегородкой 2 и основанием 4 имеется щелевой зазор 5, через который соединяются обе полости вакуумной камеры 1. На основании 3 вакуумной камеры 1 установлены интегрально-холодный катод 6 вакуумно-дугового разряда и анод 7. Рабочая поверхность катода отделена от объема вакуумной камеры оптически непрозрачным но проницаемым для электронов разряда экраном 8. Перегородка 2 вынуждает ток вакуумно-дугового разряда I_р течь в сечении пути, обозначенном на фиг.1 штриховкой.

У стенок 9 и 10 вакуумной камеры, вдоль линии тока разряда установлены распыляемые электроды 11 и 12. Напротив распыляемых электродов 11 и 12 установлены плоские протяженные изделия 13 и 14.

Питание установки осуществляется посредством источников 15, 16, 17, причем источники 16 и 17 подключены к электродам 11, 12 через управляемые ключи 18 и 19.

На фиг. 2 показаны вакуумная камера 1 цилиндрической формы, распыляемые электроды 11 и 12 выполнены в форме сегментов, установленных у стенок камеры противоположно перегородке 2.

На фиг. 3 показан вариант выполнения установки с изделием 13, которое одновременно выполняет роль перегородки 2.

На фиг. 4 изображены: короб 20, два анода 7 отверстие 21 в коробе 20, экран 8 и зонды Ленгмюра 22, 23, 24.

Работает заявляемая установка для нанесения покрытий следующим образом.

Вакуумная камера системой высоковакуумной откачки (не показана) откачивается до давления 5х10^-3 Па, а затем в нее через систему напуска рабочего газа (не показана) производится напуск газа до давления (1-5) х 10^-1 Па. Таким рабочим газом может быть, например, аргон или смесь аргона с реактивным газом (азотом, кислородом, углеводородом). В вакуумной камере установки с помощью системы запуска (не показана) возбуждается вакуумно-дуговой разряд, благодаря перегородке 2 путь разряда в установке имеет вид, показанный штриховкой. Экран 8 отделяет рабочее пространство вакуумной камеры от потока металла, генерируемого катодным пятном вакуумной дуги. Ток разряда по обе стороны от перегородки течет в противоположных направлениях.

Возникающие при протекании тока разряда магнитные поля расталкивают плоский плазменный токовый шнур к стенкам камеры, где установлены плоские электроды из распыляемого металла. Благодаря магнитному взаимодействию ветвей разрядного тока плотность тока разряда у распыляемых электродов максимальная, а поэтому максимальна плотность ионного тока, извлекаемого из плазмы на распыляемые электроды. Благодаря симметричному обтеканию распыляемых электродов линией тока плотности ионного тока на электродах, на их различных участках примерно одинаковые, что обуславливает равномерность распыления электродов, а следовательно, и однородность покрытия по толщине. Работа установок, изображенных на фиг.1 и 3, идентична.

Для проверки работоспособности предлагаемых установок была изготовлена модель (фиг. 4) в виде короба размерами 400х100х70. Пунктирными стрелками показаны короткий и длинный пути тока разряда (короткий до правого анода, длинный до левого анода).

В короб устанавливалась стеклянная перегородка, которая делила разрядную полость на две части шириной по 50 мм каждая, и одна из стенок короба, вдоль которой проходит перегородка, была стеклянной для возможности визуального наблюдения за токовым шнуром.

Зазор между перегородкой и основанием короба составлял 50 мм.

В каждой из полостей короба на основании устанавливался анод 7. У одного из оснований короба имелось отверстие размером 70х50. Вдоль пути разряда, вблизи стенок установлены зонды Ленгмюра 22, 23, 24. Проводились замеры плотности ионного тока при последовательном подключении положительного полюса источника питания к одному из анодов 7.

Данные испытаний сведены в таблицу.

Ток разряда 100 А.

Давление аргона 5 х 10^-1 Па.

Эксперимент показывает увеличение плотности ионного тока на зонд вблизи стенки, у которой устанавливается распыляемый электрод.

Использование: для вакуумно-плазменной обработки инструмента, деталей машин и прочих изделий из различных материалов. Вакуумная камера разделена на две симметричные полости посредством перегородки, закрепленной на стенке камеры, а между вторым концом перегородки и противолежащей стенкой камеры имеется зазор, через который сообщаются упомянутые полости. Анод и катод двуступенчатого вакуумно-дугового разряда расположены на стенке камеры со стороны закрепленного конца перегородки по обе стороны от нее. В каждой из упомянутых полостей камеры, параллельно перегородке установлены распыляемые электроды со смещением относительно осей симметрии полостей к соответствующей стенке камеры, параллельной перегородке. В качестве перегородки может быть использована непосредственно обрабатываемая деталь, установленная на соответствующим образом расположенном держателе. Данное конструктивное выполнение позволяет создать два встречно направленных тока разряда, протекающих от анода к катоду. Встречно направленные токи создают магнитные поля, которые отклоняют электронный поток в направлении распыляемой мишени (распыляемых электродов), тем самым увеличивая плотность ионного тока на мишень и, соответственно, производительность установки. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.

1. Установка для нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен интегрально-холодный катод вакуумно-дугового разряда, анод, оптически непрозрачный, но проницаемый для электронов экран для возбуждения двухступенчатого разряда с разделенными посредством экрана металлогазовой и газовой ступенями, распыляемые электроды, расположенные в зоне газовой ступени разряда, и держатели изделий, расположенные оппозитно распыляемой поверхности электродов, отличающаяся тем, что вакуумная камера снабжена перегородкой, разделяющей камеру на две симметричные полости, один конец перегородки расположен с зазором относительно стенки камеры, расположенной противоположно катоду, анод и катод размещены со стороны второго, закрепленного на соответствующей стенке, конца перегородки по разные стороны от нее, распыляемые электроды и держатели изделий расположены вдоль перегородки по обе стороны от нее, причем распыляемые электроды расположены со смещением в сторону стенок камеры, расположенных параллельно перегородке. 2. Установка для нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен интегрально-холодный катод вакуумно-дугового разряда, анод, оптически непрозрачный, но проницаемый для электронов экран для возбуждения двухступенчатого разряда с разделенными посредством экрана металлогазовой и газовой ступенями, держатель изделий и распыляемые электроды, расположенные в зоне газовой ступени, отличающаяся тем, что держатель изделия расположен с возможностью установки на нем изделия-перегородки с зазором относительно стенки камеры, расположенной оппозитно катоду, и разделения камеры на две симметричные полости, сообщающиеся через указанный зазор, анод и катод размещены на общей стенке камеры, расположенной противоположно упомянутому зазору по обе стороны от изделия-перегородки, а распыляемые электроды расположены вдоль изделия-перегородки по обе стороны от нее и установлены со смещением относительно продольной оси соответствующей симметричной полости в сторону стенок камеры, параллельных изделию-перегородке. 3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что камера в поперечном сечении выполнена прямоугольной формы, распыляемые электроды в виде пластин. 4. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что камера в поперечном сечении выполнена круглой формы, а распыляемые электроды в виде протяженных элементов с дугообразным поперечным сечением.