КАТОД ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК C23C14/32 

Предлагаемое изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения покрытий на режущий инструмент, детали машин с помощью электрической дуги в вакууме в атмосфере химически активных газов.

Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий корпус из немагнитного материала, внутри которого дополнительно закреплены катоды из металлов, входящих в состав многокомпонентного покрытия, и магнитный экран, охватывающий боковую поверхность катодов, причем катоды выполнены в виде усеченного конуса с углом при вершине не менее 14^o, рабочей поверхностью которого служит меньшее основание (авторское свидетельство СССР 368807, С 23 С 13/12, 1978г.).

Однако недостатком указанного устройства является тот факт, что устройство не позволяет наносить покрытие, однородное по физико-химическому составу. Кроме того, при выходе из строя одного из испарителей невозможно получать покрытие заданного физико-химического состава. Для того чтобы получить покрытие из гафния, циркония, хрома необходимо изготавливать катоды из дорогостоящих, дефицитных материалов. А это в свою очередь повышает себестоимость покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, а потому принятому за прототип является катод электродугового испарителя в виде цилиндра из испаряемого материала с охлаждаемыми торцами (авторское свидетельство СССР 367755, кл. С 23 С 13/12, 1970г.).

Но для получения многокомпонентных покрытий необходимо устанавливать несколько катодов в установку с несколькими испарителями. Ввиду того, что направление потоков не совпадает, этот факт приводит к нанесению неоднородного покрытия по поверхности изделия. Кроме того, при выходе из строя одного из испарителей невозможно реализовать покрытие заданного физико-химического состава.

Задачей заявляемого технического решения является расширение технологических возможностей за счет нанесения многокомпонентных покрытий заданного физико-химического состава, однородного по толщине.

Поставленная задача достигается тем, что в известном катоде электродугового испарителя, выполненном в виде цилиндра из основного испаряемого материала с испаряемыми и охлаждаемыми торцами, в испаряемом торце концентрично цилиндрической поверхности выполнены дополнительно глухие отверстия, в отверстия запрессованы круглые стержни, изготовленные из хрома, молибдена, циркония, гафния, ниобия, причем диаметр стержней относится к диаметру катода, как 0,046:0,09, отношение расстояния между охлаждающим торцом круглого стержня и охлаждающим торцом катода к диаметру катода соответственно, как (1: 65)-(2:65), суммарная площадь торцов стержней составляет 40-50% от площади испаряемого торца катода.

На фиг.1 изображен общий вид катода электродугового испарителя 1 в разрезе, а на фиг.2 - вид сверху катода электродугового испарителя.

Катод электродугового испарителя (1) выполнен в виде цилиндра из титана, в котором выполнены испаряемые и охлаждаемые расточки. В испаряемом торце катода концентрично цилиндрической поверхности выполнены глухие отверстия, в которые запрессованы круглые стержни (2), изготовленные из металлов IV^a - VI^a подгрупп таблицы Менделеева, например циркония, ниобия, гафния, хрома, молибдена.

Обоснование отношения диаметра круглового стержня к диаметру катода, как 0,046-0,009
Для обоснования отношения диаметра круглого стержня к диаметру катода были изготовлены 15 катодов из титана, в которые устанавливали стержни различных диаметров от 0,5 до 12 мм из циркония, ниобия и молибдена. Затем катоды попеременно устанавливали в вакуумную камеру установки "Булат-6" и наносили покрытие в реактивной среде азота на образцы, изготавленные из стали 3. После нанесения покрытия химический состав покрытия анализировался на микроанализаторе типа "Comeca". Результаты анализа представлены в таблице 1.

Условие:
1) d катода = 65 мм,
2) суммарная площадь торцов стержней - 45% от площади испаряемого торца катода.

3) расстояние между отверстиями - 2 диаметра отверстия.

Как видно из таблицы 1, только отношение диаметра стержней к диаметру катода, как 0,046 - 0,09, обеспечивает получение покрытия заданного физико-химического состава.

Для обоснования выполнения концентричных отверстий были изготовлены катоды из титана, в которые были установлены стержни из циркония, алюминия, молибдена. Причем площадь стержней была равна 50% площади торца титанового катода (суммарная площадь стержней равна 50% площади торца катода). Затем катоды попеременно устанавливали в вакуумную камеру установки "Булат-6", в которой наносили покрытие на образцы из стали 10. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, только расположение стержней концентрично цилиндрической поверхности катода позволяет получать покрытие заданного физико-химического состава.

Обоснование суммарной площади торцов стержней 45-50% от площади испаряемого торца катода.

Для обоснования суммарной площади торцов стержней были изготовлены 9 катодов, в которых установлены стержни из алюминия, площадь торцов стержней была равна соответственно 10%, 15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%. Катоды попеременно устанавливали в вакуумную камеру установки "Булат", где наносили покрытие из нитрида титана и алюминия на образцы из стали 10. Химический состав покрытия анализировался на микроанализаторе типа "Comeca". Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Площадь одного стержня составляет 1% площади торца катода.

Как видно из представленной таблицы 3, только катоды, в которых суммарная площадь стержней составляет 40%-50%, позволяют получать покрытие заданного физико-химического состава.

Обоснование расстояния между охлаждающим торцом круглого стержня и охлаждаемым торцом катода (см. табл. 4).

Расстояние между охлаждающим торцом круглого стержня и охлаждающим торцом катода относится к диаметру катода соответственно как 1:65-2:65.

Таким образом, как видно из таблицы 4, только расстояние между охлаждающим торцом круглого стержня и охлаждающим торцом катода относится к диаметру катода 1: 65-2: 65, обеспечивается интенсивное охлаждение катода и стабильное горение дуги. А это в свою очередь позволяет наносить многокомпонентные покрытия, однородные по толщине.

Нанесение многокомпонентных покрытий заданного физико-химического состава производится следующим образом. Катод электродугового испарителя выполнен диаметром, равным 65 мм, из титана. В торце катода концентрично цилиндрической поверхности выполнены глухие отверстия. Глубина глухого отверстия такова, что расстояние от охлаждающего торца круглого стержня до охлаждающего торца катода составляет 1,5-2 мм. Это обеспечивает надежное охлаждение круглых стержней и стабильное горение дуги. Известно, что электрическая дуга стабильно горит в парах испаряемого металла. Чем холоднее катод, тем стабильнее горит дуга. Недостаточное охлаждение приводит к нестабильному горению дуги либо к расплавлению легкоплавких стержней. А это приводит к выходу из строя электродугового испарителя. Затем катод устанавливают в вакуумную камеру установки "Булат-6". В камере зажигают электрическую дугу, которая горит между торцом катода и камерой. Образовавшееся катодное пятно хаотично перемещается по торцу катода, испаряет материал катода и материал стержней. Ввиду того, что катод и стержни находятся в однородном магнитном поле, происходит нанесение однородного многокомпозиционного покрытия заданного физико-химического состава.

Использование предлагаемой конструкции катода по сравнению с прототипом имеет следующее преимущество:
1. Позволяет получать однородные по толщине многокомпонентные покрытия заданного физико-химического состава.

2. Позволяет получать любой состав покрытия на основе MeCN, где Me - титан, цирконий, гафний, ниобий, хром.

3. Упрощает процесс нанесения многокомпозиционных покрытий за счет исключения необходимости регулирования испарения отдельных компанентов.

4. Снижает себестоимость нанесения многокомпазиционных покрытий, так как в титановый катод необходимо устанавливать только стержни из циркония, гафния, молибдена, хрома и нет необходимости изготавливать катоды из заготовки.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 368807, кл. С 23 С 13/12, заявл. 1978г.

2. Авторское свидетельство СССР 367755, кл. С 23 С 13/12, заявл. 1970г.

Изобретение относится к области нанесения покрытия и может быть использовано для нанесения покрытий на режущий инструмент с помощью электрической дуги в вакууме в атмосфере химически активных газов. Изобретение направлено на расширение технологических возможностей за счет нанесения многокомпонентных покрытий заданного физико-химического состава, однородного по толщине. Катод представляет собой цилиндр, на торцах которого выполнены расточки в форме кругового цилиндра. В испаряемом торце концентрично цилиндрической поверхности выполнены дополнительно глухие отверстия, в отверстия запрессованы круглые стержни, изготовленные, например, из хрома, молибдена, циркония, гафния, ниобия, причем диаметр стержней относится к диаметру катода, как (0,046-0,09), отношение расстояния между охлаждающим торцом катода относится к диаметру катода соответственно как (1:65) - (2:65), суммарная площадь торцов стержней составляет 40-50% от площади испаряемого торца катода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

1. Катод электродугового испарителя, выполненный в виде цилиндра из основного испаряемого материала с испаряемыми и охлаждающими торцами, отличающийся тем, что в испаряемом торце концентрично цилиндрической поверхности выполнены дополнительно глухие отверстия, в отверстия запрессованы круглые стержни, изготовленные из тугоплавких металлов, причем диаметр стержней относится к диаметру катода как (0,046-0,090), отношение расстояния между охлаждающим торцом круглого стержня и охлаждаемым торцом катода относится к диаметру катода соответственно как (1: 65)-(2: 65), суммарная площадь торцов стержней составляет 40-50% от площади испаряемого торца катода. 2. Катод электродугового испарителя по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавких металлов для стержней используются хром, молибден, цирконий, гафний, ниобий.