КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технике вакуумно-плазменного нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении, например, для нанесения упрочняющих покрытий на инструмент и детали машин.Известны электродуговые испарители металлов, содержащие катод и анод. Наиболее широкое распространение получили электродуговые испарители металлов с катодным узлом торцевого типа, у которых катод представляет собой диск или цилиндр диаметром до 200 мм. (см. патент США N 4563262, кл. С 23 С 14/26, 1986г.). При нанесении покрытий на протяженные изделия приходится на периферии вакуумной камеры располагать несколько испарителей с такими торцевыми катодными узлами. Это усложняет конструкцию установки.

Прототипом изобретения служит катодный узел электродугового испарителя металлов для нанесения покрытий на протяженные изделия (авторское свидетельство СССР N 461163 кл. С 23 С 14/32 1975г.).

Катодный узел этого испарителя имеет протяженный вытянутый катод с длиной, равной или большей одного из поперечных размеров обрабатываемого изделия, а ширину много меньшую, для получения однородных по толщине покрытий вынуждают катодное пятно 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 токопроводах 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 концевого датчика, расположенного у конца катода, возникает электрический сигнал, который через систему управления воздействует на ключи в цепях токоподводов к катоду, переключая их. Катодное пятно при переключении ключей начинает двигаться в противоположном направлении. При нанесении покрытий на протяженные изделия с соизмеримыми поперечными размерами изделие перемещают в направлении, нормальном продольной оси катода, это приводит к увеличению габарита установки и усложнению конструкции.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания простого по конструктивному выполнению катодного узла электродугового испарителя, при использовании которого было бы возможно осуществлять нанесение однородных по толщине покрытий на неподвижные протяженные изделия с соизмеримыми продольными и поперечными размерами обрабатываемых поверхностей. Если поверхность катода электродугового испарителя эквидистантна поверхности изделия, на которую наносится покрытие, а размеры поверхности катода, по крайней мере, не меньше размеров обрабатываемой поверхности и катодное пятно принудительно перемещается по всей поверхности катода, то покрытие на поверхности изделия достаточно однородно по толщине. Необходимая степень однородности обеспечивается за счет выбора размеров катода и расстояния последнего от обрабатываемой поверхности.

Конструктивно это достигается тем, что в катодном узле электродугового испарителя, содержащем собственно катод с протяженной по одной координате поверхностью испарения и двумя присоединенными к концевым участкам упомянутой поверхности токоподводами для осуществления электрической связи катода с источником электропитания разряда через управляемые ключи с возможностью поочередного их подключения, а также средства контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, установленные вблизи поверхности испарения катода и имеющие собственные токоподводы для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей через блок управления, согласно изобретению поверхность испарения катода выполнена протяженной по второй координате, катод имеет форму пластины с выполненными в ней на всю толщину прорезями, имеющими глухой конец, при этом глухие концы смежных прорезей направлены к противоположным сторонам пластины с образованием незамкнутой зигзагообразной поверхности испарения катода.

Средства контроля положения катодного пятна допустимо выполнять в виде датчиков конечного положения, установленных в зонах расположения токоподводов к катоду.

Катодный узел может быть снабжен охлаждающим основанием, установленным в непосредственном контакте с катодом со стороны, противоположной поверхности испарения, и выполненным с прорезями, по форме и расположению идентичными прорезям катода.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 показан общий вид катодного узла электродугового испарителя (вид в плане); на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1 (вариант выполнения с охлаждающим основанием); на фиг.3 принципиальная схема включения катодного узла в цепи электродугового испарителя.

Катодный узел (см. фиг. 1) содержит катод 1 с поверхностью 2 испарения, выполненный из испаряемого материала и имеющий плоскую прямоугольную форму с соизмеримыми поперечными размерами. Со стороны двух противолежащих оснований 3 и 4 катода 1 выполнены глухие с одного конца прорези 5 и 6 на всю толщину катода 1 (см. фиг. 2), направленные от оснований 3 и 4 катода, соответственно, с образованием незамкнутой зигзагообразной поверхности 2 испарения катода 1, в начале и конце которой установлены токоподводы 7 и 8 к катоду 1.

Средство контроля положения катодного пятна на поверхности 2 испарения катода 1 состоит из двух датчиков 9 и 10 конечного положения катодного пятна, выполненных, например, в виде проводников из проволоки, расположенных вблизи поверхности 2 испарения катода 1 в зонах расположения токоподводов 7 и 8.

Датчики 9 и 10 имеют собственные токоподводы 11 и 12 соответственно для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей 15,16 через блок 17 управления, выполненный, например, в виде триггера (см. фиг.3).

Электропитание электродугового испарителя, в составе которого используется описанный катодный узел, осуществляется от источника 18 постоянного тока.

Катодный узел может быть снабжен охлаждающим основанием 19, установленным в непосредственном контакте с катодом 1 и выполненным конструктивно идентично последнему.

Работает катодный узел в составе электродугового испарителя следующим образом.

На поверхности 2 испарения катода 1 с помощью системы поджига (на фигуре не показана) возбуждаются катодные пятна вакуумной дуги. Катодное пятно движется по зигзагообразной траектории в сторону включенного ключа (пусть в данный момент это будет ключ 15). При достижении конца зигзагообразной поверхности 2 испарения катода 1 в цепи датчика 9 появляется ток, подающий сигнал на вход блока 17 управления. С выхода блока 17 управления поступает сигнал на управляющие элементы 13, 14 для осуществления размыкания ключа 15 и замыкания ключа 16. В результате катодное пятно начинает двигаться в противоположном направлении, реверсирование движения катодного пятна многократно повторяется. Благодаря выполненным в катоде 1 прорезям 5 и 6 осуществляется принудительное сканирование катодного пятна по всей поверхности протяженного катода, что обеспечивает получение однородного по толщине покрытия на поверхности плоских изделий, установленных параллельно поверхности испарения катода (если размеры изделия не превышают размеров катода).

Экспериментальное определение работоспособности заявляемого катодного узла проводилось на экспериментальной модели электродугового испарителя, катод которого представлял собой титановую прямоугольную пластину с размерами 697хЗ00х6. Катод был установлен на водоохлаждаемом алюминиевом основании. В катоде и водоохлаждаемом основании со стороны длинных противолежащих сторон было прорезано 9 прорезей шириной 3 мм. Прорези были прорезаны на всю толщину пластины катода и не доходили до противолежащих сторон пластины на расстояние 67 мм. Ширина образованной зигзагообразной поверхности испарения составляла 67 мм. Анодом испарителя являлась вакуумная камера.

Эксперименты показали, что испаритель нормально работает при токе разряда 100-120 А. Неравномерность покрытия на изделии (плоский лист размером 200х600) составила 10-12% (в основном за счет краевого эффекта). Принудительное сканирование катодного пятна по поверхности катода происходит со скоростью 10м/сек.

Применение предлагаемого катодного узла позволяет создавать установки без механизма перемещения изделия, что упрощает их конструкцию и практически вдвое уменьшает габариты. ЫЫЫ2

Использование: в технике вакуумно-плазменного нанесения покрытий, преимущественно в машиностроении для нанесения упрочняющих покрытий на инструмент и детали машин с протяженной в плоскости геометрической формой обрабатываемой поверхности. Сущность изобретения: катод 1 электродугового испарителя выполнен с протяженной по двум координатам поверхностью испарения и имеет форму пластины с выполненными в ней на всю толщину прорезями 5 и 6, имеющими глухой конец. Глухие концы смежных прорезей направлены к противоположным сторонам пластины с образованием поверхности 2 испарения катода зигзагообразной формы. К концевым участкам поверхности 2 испарения катода 1 подсоединены два токоподвода 7 и 8 для осуществления электрической связи катода с источником электропитания разряда через управляемые ключи с возможностью поочередного их подключения. Вблизи поверхности испарения катода установлены средства контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода. Данные средства имеют собственные 11, 12 для осуществления электрической связи с 13,11 включения управляемых ключей через блок управления. Это позволяет осуществлять нанесение однородных по толщине покрытий на неподвижные протяженные изделия с соизмеримыми продольными и поперечными размерами обрабатываемых поверхностей. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Катодный узел электродугового испарителя, содержащий cобственно катод с протяженной по одной координате поверхностью испарения и двумя присоединенными к концевым участкам упомянутой поверхности токоподводами для осуществления электрической связи катода с источником электропитания разряда через управляемые ключи с возможностью поочередного их подключения, а также средства контроля положения катодного пятна на поверхности испарения катода, установленные вблизи поверхности испарения катода и имеющие собственные токоподводы для осуществления электрической связи с элементами включения управляемых ключей чеpeз блок управления, отличающийся тем, что поверхность испарения катода выполнена протяженной по второй координате, катод имеет форму пластины с выполненными в ней на всю толщину прорезями, имеющими глухой конец, при этом глухие концы смежных прорезей направлены к противоположным сторонам пластины с образованием незамкнутой зигзагообразной поверхности испарения катода. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что средства контроля положения катодного пятна выполнены в виде датчиков конечного положения, установленных в зонах расположения токоподводов к катоду. 3. Узел по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен охлаждающим основанием, установленным в непосредственном контакте с катодом со стороны, противоположной поверхности испарения, и выполненным с прорезями, по форме и расположению идентичными прорезям катода.