УСТАНОВКА ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технике вакуумно-дугового напыления пленок и может быть использовано для изготовления на металлических и неметаллических подложках различных защитных и декоративных покрытий. Защитные покрытия, обладающие высокими прочностными свойствами, применяются в различных областях машиностроения и бытовой техники.

Известно применение установок вакуумно-дугового напыления для получения покрытий с высокой коррозионной стойкостью, механической прочностью, а также покрытий со светозащитными, декоративными и другими свойствами. Эти покрытия представляют собой, в основном, оксиды, карбиды, нитриды, карбонитриды тугоплавких металлов (например, титана), поток плазмы которых формируется дуговым испарением этих металлов в среде химически активных газов (азота, кислорода и т. д). Процесс напыления осуществляют в камерах, допускающих нанесение покрытий на большие поверхности, то есть обладающих высокой производительностью.

Установки вакуумно-дугового напыления характеризуются средствами формирования потока атомов напыляемых материалов, геометрией электродов, взаимным расположением относительно друг друга элементов установки.

Известны установки, в которых поток атомов напыляемых материалов в рабочей вакуумной камере создается путем испарения специального испарителя под воздействием низковольтного дугового разряда между катодом и анодом (например, патент США N 4333962, кл. 427-37, 1982 г. европ. заявка N 495447, кл. С 23 С 14/32, 1992 г.).

Изобретение относится к установкам, в которых поток атомов испаряемого материала создается в пространстве катод анод, как следствие испарения материала катода при дуговом разряде. Эти установки отличаются друг от друга различным выполнением формирующих дуговой разряд электродов, а также средствами для крепления напыляемых подложек. В некоторых установках катод и анод выполнены плоскими (например, "Защитные покрытия и технология их получения физическими методами", ч.II, под редакцией Л-Пранявичуса и др. Каунас, Каунасский политехнический институт, 1990 г. с.168), в других - коаксиальными (там же, с.176) или катод выполнен коническим, вогнутым и т.п. Средства для крепления напыляемых подложек располагают так, что поток частиц (атомов и ионов) испаряемого материала падает на подложку под углом, близким к 90^o. В варианте с коаксиально расположенными катодом и анодом средства крепления обеспечивают размещение подложек вдоль боковой поверхности цилиндрической рабочей камеры (см.там же).

Прототипом изобретения является установка, содержащая вакуумную камеру, в которой аксиально-симметричный катод установлен в перфорированном аксиально-симметричном аноде соосно ему, а средства для крепления напыляемых подложек выполнены в виде цилиндрического стакана и расположены соосно катоду (см. вышеназванную книгу, стр.176).

Свойства покрытий, определяемые фазовым составом, микроструктурой и строением поверхности, зависят от параметров установки, ее технологических режимов, в том числе от соотношения потоков частиц испаряемого материала и химически активного газа. В известных установках обеспечение рабочего режима (стабильности дугового разряда, равномерного испарения напыляемого материала с катода, снижение содержания крупнодисперсной фракции в потоке напыляемого материала) практически лишает возможности наилучшего влияния на свойства напыляемых покрытий такого параметра, как соотношение потоков частиц испаряемого материала и химически активного газа на подложку.

Настоящим изобретением решается задача создания в установке таких условий, при которых возможно улучшение свойств напыляемых покрытий за счет выбора некоторого соотношения потоков частиц испаряемого материала и химически активного газа на подложку. При решении этой задачи создана технологичная конструкция, удобная для загрузки-выгрузки рабочей камеры большого объема.

Это достигается тем, что установка вакуумно-дугового напыления, содержащая вакуумную камеру, в которой вдоль оси расположены аксиально-симметричные катод и перфорированный анод, а также средства для крепления кассет с напыляемыми подложками, в соответствии с изобретением средства для крепления напыляемых подложен выполнены в виде двух дисков с прорезями, которые установлены перпендикулярно оси и жестко скреплены траверсами, а кассеты с напыляемыми подложками установлены под углом к радиусу катода.

Прорези предназначены для размещения кассет с напыляемыми подложками. Ориентация прорезей относительно радиуса катода может быть любой, но в любом случае крепление кассет в прорезях должно быть таким, чтобы между плоскостью подложки и направлением потока частиц испаряемого с катода материала (т.е. радиусом катода) был угол 20 60^o. В том случае когда прорези выполнены под желаемым углом, не равным 90^o, кассеты закрепляют на краях прорезей, если же прорези выполнены вдоль радиуса катода, кассеты закрепляют между прорезями.

Угол между плоскостью подложки и направлением потока частиц испаряемого материала задает соотношение потоков частиц испаряемого материала и химически активного газа. Это позволяет в режиме оптимальных токов дугового разряда и давлений химически активного газа влиять на механические свойства напыляемых покрытий таким параметром, как соотношение потоков частиц напыляемого материала и химически активного газа, и тем самым получать покрытия с желаемыми свойствами, при этом улучшаются их механические свойства за счет уменьшения количества частиц тяжелой фракции, попадающих на напыляемую подложку.

Для каждой конкретной установки и напыления конкретных покрытий существует оптимальный угол между плоскостью подложим и направлением потока частиц испаряемого материала в диапазоне примерно 20-60°. Этот угол определяется экспериментально. Он зависит от геометрии установки, расстояния между катодом и подложкой, шириной подложки, а также от рабочих режимов установки: тока дуги, давления рабочего газа и др. Как уже говорилось выше, режим установки выбирается исходя из соблюдения требований на обеспечение стабильности дугового разряда, равномерности испарения материала катода. Режим установки по сути является фиксированным, поэтому оптимальный угол между плоскостью подложки и радиусом катода определяется соотношением между расстоянием катод подложка и шириной подложки.

При больших углах при заданных размерах и расстоянии между подложкой и катодом в потоке частиц на поверхности подложки возникает дефицит атомов химически активного газа. В этом случае возможно формирование покрытия с капельной фазой и высоким значением зерна. Такие покрытия характеризуются сравнительно высокой микротвердостью и повышенным коэффициентом трения. При меньших углах происходит относительное увеличение потока атомов химически активного газа на подложку и, соответственно, увеличение содержания их в покрытиях, что приводит к изменению фазового состава. При этом происходит рост внутренних сжимающих напряжений, вызывающих изменение структуры: измельчение зерна и изменения ориентировки кристаллов. Такие структурные изменения в покрытиях позволяют уменьшить коэффициент трения и повысить износостойкость изделий.

В случае очень малых углов газодинамические потоки от испаряемого материала могут существенно снизить в покрытии содержание атомов химически активного газа вследствие "сдувания" их с подложки, а также уменьшения коэффициента прилипания.

На фиг. 1 представлена установка вакуумно-дугового напыления в разрезе, на фиг. 2 внешний вид диска для крепления кассет с подложками с прорезями, ориентированными под углом к радиусу катода.

Установка содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены цилиндрический катод 2 из испаряемого материала и анод 3 в виде стакана с перфорированной стенкой. В плоскостях, перпендикулярных оси катода 2 и анода 3, установлены диски 4 с прорезями 5, ориентированные под углом к его радиусу. Диски 4 скреплены траверсами 6 и установлены в камере 1 на растяжках 7, при этом катод 2 расположен между дисками 4. Возможен вариант, когда диски 4 лежат в плоскостях, пересекающих катод 2 (не приведен). Для размещения кассет 8 с напыляемыми подложками 9 диски 4 ориентированы относительно друг друга так, что каждая вставленная в соответствующие прорези 5 кассета 8 с напыляемыми подложками 9 расположена вдоль оси катода 2 и лежит в плоскости, наклонной к его радиусу.

Расстояние между дисками 4, т.е. длина каждой кассеты 8, может быть больше длины катода 2, поскольку поток испаряемого материала имеет расходящуюся диаграмму, угол раскрыва которой определяется технологическими параметрами установки. Кассеты 8 снабжены подогревателями 10. Катод 2 закреплен на металлической трубе 11, изолированной от корпуса камеры 1. Анод 3 одной торцовой стороной закреплен через изолирующую прокладку на трубе 11, а другой торцовой стороной на центральном стержне 12, проходящем в трубе 11. Камера 1, анод 3 и стержень 12 заземлены, напряжение к катоду 2 подводится по трубе 11. Для поджига электродугового разряда используется высоковольтный искровой разряд по керамическому цилиндру 13, один конец которого закреплен на катоде 2, а другой соединен с проводом, проложенным внутри трубы 11 (не приведен).

Камера 1 соединена патрубком 14 с вакуумным насосом, а патрубком 15 с резервуаром рабочего газа.

Для повышения производительности установки за счет обеспечения эффективного и равномерного испарения материала катода 2, камера 1 установлена в продольном поле соленоида 16, ось которого ориентирована вдоль оси катода 2 и анода 3.

Загрузка разгрузка установки осуществляется через отверстие в стенке камеры 1 введением кассет 8 в соответствующие прорези дисков 4. Отверстие закрывается вакуумно плотно дверкой 17.

Установка работает следующим образом.

В вакуумную камеру 1 с установленными в ней под выбранным углом кассетами 8 с подложками 9 через патрубок 7 подается химически активный газ, поток атомов которого на поверхность подложки 9 определяется его давлением в камере 1 и задается требуемым технологическим режимом установки.

При подаче напряжения между катодом 2 и анодом 3 загорается электродуговой разряд. Магнитное поле соленоида 16 обеспечивает испарение материала катода 2 под воздействием электродугового разряда равномерно по всей поверхности катода 2. Частицы испаряемого материала с катода 2 движутся радиально, проходят через отверстия в стенке анода 3 и попадают на поверхность подложки 9 под углом, который соответствует необходимому соотношению потоков частиц испаряемого материала и химически активного газа на поверхности подложки 9 для получения желаемых свойств покрытия, а именно, износостойкости, твердости, декоративного вида и т.д.

Существом изобретения является установка вакуумно-дугового напыления, предназначенная для напыления защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на металлические и неметаллические изделия. Установка содержит вакуумную камеру 1, в которой установлены цилиндрический катод 2, перфорированный анод 3, скрепленные траверсами 6. В диске 4 выполнены прорези, в которых под углом к радиусу катода 2 устанавливаются кассеты 8 с напыляемыми подложками 9. Камера 1 размещена в магнитном поле соленоида 16. 2 ил.

Установка вакуумно-дугового напыления, включающая вакуумную камеру, установленные вдоль оси камеры аксиально-симметричный цилиндрический катод и перфорированный анод и средство для крепления напыляемых подложек, отличающаяся тем, что средство для крепления напыляемых подложек выполнено в виде двух дисков с прорезями для размещения в последних кассет с напыляемыми подложками под углом к радиусу катода, при этом диски установлены перпендикулярно вышеупомянутой оси камеры и жестко скреплены траверсами.