Установка модифицирования поверхности заготовок для режущих пластин Российский патент 2021 года по МПК C23C14/56 C23C14/50 C23C14/06 C23C14/24 

Изобретение относится к технике нанесения покрытий, а именно к ионно-плазменным установкам, которые могут быть использованы в качестве средства технологического оснащения при производстве металлорежущих многогранных твердосплавных пластин.

Известна установка для вакуумного ионно -плазменного нанесения покрытий из патента РФ №2287610, C23C 14/34, C23C 14/56, опубл. 20.11.2006 [1].

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной обработке поверхностей, в частности, к установке для вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий, и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов, диэлектриков и других материалов и для модифицирования поверхности конструкционных материалов и инструмента. Установка содержит вакуумную камеру, источники плазмы, системы вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источники питания и блок управления. Каркас камеры имеет отверстия. В них установлены крышки с возможностью ограниченного вращения вокруг своей оси относительно вакуумной камеры и герметичного соединения с ее каркасом. На крышках установлены источники плазмы. Каркас камеры снабжен поворотными рамами с направляющими, в которых с возможностью ограниченного вращения шарнирно закреплены с возможностью фиксации на каркасе камеры крышки, выполненные в виде круговых фланцев. Установка обеспечивает обработку сложных пространственных деталей или большого количества деталей, расположенных в вакуумной камере с высоким качеством покрытий.

Недостатком известной установки является сложность его конструкции, низкая производительность из-за необходимости в процессе обработки производить смену различных источников напыления. и других технологических модулей, предусмотренных конструкцией установки.

Известна установка для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей из патента РФ №2294395, C23C 14/34, C23C 14/56, опубл. 27.02.2007 [2].

Изобретение относится к технике покрытий деталей машин и материалов, более конкретно к вакуумной ионно-плазменной обработке поверхностей, и может быть использовано в оборудовании для нанесения покрытий на изделиях из металла и сплавов, диэлектриков и других материалов. Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей включает вакуумную камеру, источники плазмы, системы вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источники питания и блок управления. Камера имеет проемы с крышками, несущими источники плазмы и герметично соединяемыми с камерой. Источники плазмы выполнены в виде технологических модулей, включающих технологические блоки, набор и компоновка которых обеспечивает выполнение заданного технологического цикла. Крышки выполнены в виде фланцев, установленных на поворотных рамах, шарнирно закрепленных и фиксируемых на корпусе камеры. Такая конструкции установки обеспечивает обработку сложных пространственных деталей или большого количества деталей, расположенных в вакуумной камере с высоким качеством покрытий.

Недостатком известной установки также является сложность его конструкции, низкая производительность из-за необходимости в процессе обработки производить смену различных источников напыления. и других технологических модулей, предусмотренных конструкцией установки.

Известна установка для ионно -плазменного модифицирования и нанесения покрытий на моноколеса с лопатками из патента РФ №2661162, C23C 14/56, C23C 14/50, C23C 14/16, опубл. 12.07.2018 [3].

Изобретение относится к технике для нанесения покрытий на детали машин, а именно к вакуумной ионно-плазменной обработке поверхностей, и может быть использовано для нанесения функциональных покрытий на моноколеса турбомашин. Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхности моноколеса с лопатками содержит вакуумную камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источниками питания и блоком управления, с расположенными в вакуумной камере держателем изделий и источниками плазмы. В вакуумной камере установлены электродуговые испарители, а держатель изделий расположен в центральной части вакуумной камеры и выполнен с возможностью осуществления колебательных движений и вращения относительно продольной оси установленного на нем моноколеса. Источники плазмы и электродуговые испарители расположены по обеим сторонам моноколеса. Два электродуговых испарителя с катодами из титана расположены по разные стороны от моноколеса, и два электродуговых испарителя с катодами из ванадия расположены по разные стороны от моноколеса. Электродуговые испарители из титана расположены напротив находящихся по другую сторону от моноколеса электродуговых испарителей из ванадия. Обеспечивается расширение функциональных возможностей установки, повышение производительности и качества обработки моноколеса с лопатками турбомашин.

Конструкция известной установки для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей не позволяет получать необходимые характеристики покрытий на заготовках для режущих пластин, такие как на предлагаемой установке.

Технической задачей изобретения является разработка установки модифицирования поверхности заготовок для режущих пластин с расширенными функциональными возможностями установки, повышение производительности и качества наносимого покрытия.

Техническим результатом изобретения также является получение на предгагаемой установке заданных эксплуатационных характеристик модифицированного покрытия на заготовках для режущих пластин, к которым относятся относятся толщина наносимого покрытия, твердость наносимого покрытия и размер микрокапельной фазы, генерируемой в плазменном потоке напыляемого вещества.

Указанный технический результат достигается тем, что установка модифицирования поверхности заготовок для режущих пластин включает рабочую камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа. источники питания и плазмы, подложкодержатели, блок управления. На боковых стенках рабочей камеры установки расположены шесть катодных узлов, включающих в себя испарители и источники ионного излучения, причем на державках катодных узлов закреплены экраны, которые препятствуют горению дугового разряда на боковой поверхности катодов и выполняют функцию поджигающего устройства. При этом рабочая камера оснащена системой вращения заготовок, состоящей из крышки, к которой с одной стороны крепится шпиндель, а с другой стороны мотор-редуктор и выполнена система вращения по планетарному принципу, обеспечивающей позиционирование заготовок по отношению к испарителям и источникам ионного излучения, и вращение заготовок вокруг оси шпинделя и вокруг собственной оси.

Вакуумная система выполнена в отдельном корпусе, и включает в себя вакуумную магистраль, два форвакуумных насоса для предварительной вакуумизации рабочей камеры, турбомолекулярный насос для выхода установки модификации поверхности на рабочий режим глубокого вакуума.

Блок адаптивного управления включает в себя: пульт управления, блок управления нагревателями, блок управления системой дегазации, источник электропитания магнетрона, выпрямителя ионной бомбардировки, и управляющий компьютер.

Раскрытие сущности изобретения.

Общий вид установки представлен на фигуре.

Основными узлами установки являются: рабочая камера (1); вакуумная система (2); блок адаптивного управления (3) и блок охлаждения (4).

Рабочая камера (1) установки предназначена для нанесения упрочняющего покрытия за счет конденсации потока плазмы материала эродирующего катода на поверхность заготовок для режущих пластин с одновременной ионной гомогенизацией. Ось камеры расположена вертикально. На камере расположены патрубки с фланцами (1/1), к которым крепятся: ввод датчика пирометра (1/2), смотровое окно (1/3), источники плазмы с анодом (1/4). Все фланцы одинаковы, что дает возможность устанавливать на них ввод датчика пирометра, окно смотровое, устройство поворотное и источники плазмы с анодами на любой из них так, как это нужно и удобно для ведения технологического процесса. Окно смотровое служит для визуального наблюдения за процессом нанесения покрытия на поверхность заготовок. К корпусу рабочей камеры и крышкам припаяны медные трубки (1/5), по которым протекает вода (горячая в режиме прогрева и холодная в режиме нанесения покрытия). Камера соединяется с насосом затвором (1/6).

Источник плазмы включает в себя катод, элементы водяного охлаждения, вакуумного уплотнения, и токоподводы (на фиг не показано). На державках катодных узлов закреплены экраны (на фиг не показано), которые препятствуют горению дугового разряда на боковой поверхности катодов и являются одним из электродов поджигающего устройства.

Рабочая камера (1) оснащена системой вращения заготовок, выполненная по планетарному принципу, которая обеспечивает необходимое позиционирование заготовок по отношению к испарителям и источникам ионного излучения. Нижняя и верхняя часть системы представлены подложкодержателями с заготовками. Таким образом, при модификации поверхности заготовки совершают два вида движения: вращательное вокруг оси шпинделя; вращательное вокруг собственной оси. Для обеспечения и поддержания требуемой температуры заготовок в процессе модификации поверхности установлены нагревательные элементы. Система вращения заготовок состоит из крышки, к которой с одной стороны крепится шпиндель, а с другой стороны мотор-редуктор. Между крышкой и мотором-редуктором установлено диэлектрическое кольцо. Крышка изолирована от камеры диэлектрическим изолятором и втулками. Вакуумное уплотнение между крышкой и камерой осуществляется двумя резиновыми уплотнителями. Система вращения заготовок закрыта диэлектрическим кожухом, т.к. к ней при нанесении покрытий на заготовки подводится высокое напряжение (на фиг не показано).

Вакуумная система (2) обеспечивает распределение потоков газа в процессе вакуумизации рабочей камеры в режиме низкого и высокого вакуума. Вакуумная система установки расположена в отдельном корпусе (2/1), и включает в себя вакуумную магистраль (2/2), два форвакуумных насоса (на фиг не показано) для предварительной вакуумизации рабочей камеры, диффузионный насос (2/3) для выхода установки модификации поверхности на рабочий режим глубокого вакуума. Вакуумная магистраль представляет собой трубопровод, соединяющий рабочую камеру с форвакуумными насосами и диффузионным насосом, и обеспечивает дегазацию камеры в режиме низкого и высокого вакуума.

Управление установкой модификации поверхности осуществляется блоком адаптивного управления (3), включающего в себя пульт управления, блок управления нагревателями, блок управления системой дегазации, источник электропитания магнетрона, выпрямитель ионной бомбардировки, и управляющий компьютер, что позволяет управлять процессами модификации поверхности в автоматическом и в ручном режиме. Компоновка всех контрольных индикаторов реализована на едином экране блока адаптивного управления (3/1).

Система подачи рабочих газов состоит из газовых баллонов высокого давления с техническими газами азот (N₂) и аргон (Ar), редукторов, газовой магистрали и клапана натекателя (на фиг не показано).

Блок охлаждения установки (4) обеспечивает охлаждение и циркуляцию рабочей охлаждающей жидкости установки. В рабочем режиме установки блок охлаждения обеспечивает отвод тепла от стенок рабочей камеры и установленного в ней оборудования в процессе модификации поверхности посредством циркуляции охлаждающей жидкости по замкнутому контуру «рабочая камера - блок охлаждения».

Преимущества установки модификации поверхности заготовок для режущих пластин.

Установка обязана обеспечивает высокое качество модификации поверхности заготовок для режущих пластин и заданные характеристики покрытия: толщину, микротвердость и размер капель.

Обеспечение заданной толщины покрытия заготовок осуществляется за счет расположения шести катодных узлов на стенках камеры, включающих в себя испарители и источники ионного излучения, сконцентрированные в направлении подложкодержателя заготовок режущих инструментов планетарного механизма системы вращения. Система вращения исключает возможность неравномерного нанесения покрытия на заготовки в процессе модификации поверхности за счет комбинированного вращения заготовок: вокруг оси шпинделя и вокруг собственной оси.

Высокая микротвердость достигается за счет конденсации потока плазмы материала эродирующего катода на поверхности образцов заготовок для режущих пластин с одновременной ионной гомогенизацией. позволяющей формировать структурно плотное, без внедрения атомов газа и пор, покрытие. Ионная гомогенизация, заключающаяся в непрерывной бомбардировке формируемого покрытия низкоэнергетическими ионами рабочего газа, удаляет с поверхности заготовки адсорбированный газ и снижает размер структурных элементов растущего покрытия, что увеличивает его прочность.

Обеспечение чистоты процессов, выполняемых в ходе модификации поверхности заготовок, осуществляется благодаря вакуумной системе, выполненной в отдельном корпусе и заключающей в себе агрегаты низкого вакуума и высоковакуумный турбомолекулярный насос. Вакуумная система установки обеспечивает чистоту среды рабочей камеры установки за счет поддержания остаточного давления высокого вакуума, размещения внутри корпуса, камеры элементов, относящихся к вакуумной системе, использования коротких вакуумных магистралей, минимизирующих возможное натекание воздуха и разгерметизацию рабочей камеры установки при выполнении операций по модификации поверхности заготовок. Стабильность работы вакуумной системы обеспечивается блоком управления системой дегазации. Защита турбомолекулярного насоса и других компонентов изделия от возникающих в процессе работы форвакуумных насосов вибраций реализуется использованием опоры вакуумных агрегатов.

Контролируемый размер микрокапельной фазы генерируемой в плазменном потоке напыляемого вещества, осуществляется посредством блока адаптивного управления, позволяющий в автоматическом и ручном режиме управлять рабочим давлением и током генерации ионов в процессе модификации поверхности заготовок. Управление УМП осуществляется с помощью графического интерфейса, проецируемого на экран управляющего компьютера, программное обеспечение которого реализовано согласно современным принципам и подходам обеспечения максимального удобства и простоты использования. Управление источником питания магнетрона осуществляется локально через жидкокристаллический дисплей. Основными задачами, выполняемыми блоком адаптивного управления, являются: контроль и корректировка параметров эксплуатационных режимов модификации поверхности заготовок

Результатом выполнения операций модифицирования с применением предлагаемой установки являются заготовки со следующими характеристиками нанесенного покрытия:

- толщина покрытия 2,0-6,0 мкм;

- микротвердость, не менее 3000 HV;

- размер капель 0,5-9,0 мкм.

Толщина покрытия измерялась с помощью микрометра ГОСТ 6507-90, микротвердость с помощью твердомера по Виккерсу ГОСТ 2999-75, а размер капель с помощью растрового электронного микроскопа

Установка работает следующим образом.

Подключаем установку к внешнему напряжению. На блоке адаптивного управления (3), вакуумной системе (2), блоке охлаждения (4) должна загореться соответствующая сигнализация. Необходимо контролировать сигнализацию блокировок и положения вентилей вакуумной системы. Включаем автоматический выключатель источников питания электродуговых испарителей и выпрямителя ионной бомбардировки. Устанавливаем переключатель режима управления источников питания электродуговых испарителей и выпрямителя ионной бомбардировки в положение дистанционного управления. Включаем систему охлаждения установки (4).

Включаем форвакуумные насосы. Заполняем рабочую камеру (1) установки воздухом до атмосферного давления. Открываем крышку (1/1) рабочей камеры. Подложкодержатель с заготовками устанавливаем в системе вращения рабочей камеры установки.

Закрываем крышку рабочей камеры и откачиваем камеру установки до остаточного давления не ниже 1⋅10^-4 Па.

Включаем систему охлаждения (4) рабочей камеры установки, ионного источника, магнетронного блока, выбрав в рабочем меню команду «Охлаждение рабочей камеры».

Подаем инертный газ в рабочую камеру установки. Проверяем, что давление рабочего газа в вакуумной системе установилось.

Проводим ионную очистку поверхности заготовок. Выбираем в управляющей программе режим «Чистка мишеней» и осуществляем ионную чистку мишеней AlTi/AlCr.

Устанавливаем требуемые рабочие режимы магнетронного распыления. Проводим нанесение покрытия на поверхность заготовок.

По окончании процесса модификации поверхности заготовок отключаем источники питания электродуговых испарителей устройства магнетронного распыления, отключаем выпрямитель ионной бомбардировки, отключаем систему вращения, отключаем внешнее напряжение.

После охлаждения заготовок, заполняем рабочую камеру воздухом до атмосферного давления, предварительно перекрыв клапаны форвакуумной магистрали.

Для полного отключения установки проводим следующие операции: закрываем крышку рабочей камеры (1/1); откачиваем воздух с вакуумной камеры установки с помощью форвакуумного насоса; выключаем последовательно высоковакуумный и форвакуумный насосы; выключаем систему охлаждения (4) рабочей камеры установки, выключаем пульт блока адаптивного управления (3) установки.

Изобретение относится к технике нанесения покрытий, а именно к ионно-плазменным установкам, которые могут быть использованы в качестве средства технологического оснащения при производстве металлорежущих многогранных твердосплавных пластин. Ионно-плазменная установка модифицирования поверхности заготовок для режущих пластин включает рабочую камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источники питания и плазмы, подложкодержатели и блок адаптивного управления. На боковых стенках рабочей камеры расположены шесть катодных узлов, включающих испарители и источники ионного излучения. На державках катодных узлов закреплены экраны, которые препятствуют горению дугового разряда на боковой поверхности катодов и выполняют функцию поджигающего устройства. Рабочая камера оснащена системой вращения заготовок, состоящей из крышки, к которой с одной стороны прикреплен шпиндель, а с другой стороны - мотор-редуктор. Система вращения выполнена с планетарным механизмом с обеспечением позиционирования заготовок по отношению к испарителям и источникам ионного излучения и вращения заготовок вокруг оси шпинделя и вокруг собственной оси. Обеспечивается получение на заготовках для режущих пластин заданных эксплуатационных характеристик модифицированного покрытия, к которым относятся толщина наносимого покрытия, твердость наносимого покрытия и размер микрокапельной фазы, генерируемой в плазменном потоке напыляемого вещества. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионно-плазменная установка модифицирования поверхности заготовок для режущих пластин, включающая рабочую камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источники питания и плазмы, подложкодержатели и блок адаптивного управления, отличающаяся тем, что на боковых стенках рабочей камеры расположены шесть катодных узлов, включающих испарители и источники ионного излучения, причем на державках катодных узлов закреплены экраны, которые препятствуют горению дугового разряда на боковой поверхности катодов и выполняют функцию поджигающего устройства, при этом рабочая камера оснащена системой вращения заготовок, состоящей из крышки, к которой с одной стороны прикреплен шпиндель, а с другой стороны - мотор-редуктор, при этом система вращения выполнена с планетарным механизмом с обеспечением позиционирования заготовок по отношению к испарителям и источникам ионного излучения и вращения заготовок вокруг оси шпинделя и вокруг собственной оси.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что система вакуумирования выполнена в отдельном корпусе и включает вакуумную магистраль, два форвакуумных насоса для предварительной вакуумизации рабочей камеры и турбомолекулярный насос для выхода установки модификации поверхности на рабочий режим глубокого вакуума.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок адаптивного управления включает пульт управления, блок управления нагревателями, блок управления системой дегазации, источник электропитания магнетрона, выпрямитель ионной бомбардировки и управляющий компьютер.