Установка для нанесения покрытий Советский патент 1993 года по МПК C23C14/32 

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

Цель изобретения - получение однородных по толщине покрытий на протяжен- ных поверхностях, имеющих, преимущественно, цилиндрическую форму.

В установке расстояние между взаимообращенными боковыми поверхностями мишени и камеры преимущественно должно быть на порядок меньше размера щели между взаимообращенными поверхностями мишени и перегородки.

В установке положительный столб ваку- умно-дугового разряда благодаря щели между оптически непрозрачной перегородкой и мишенью и расположению анода у свободного противоположного катоду торца мишени проходит вдоль поверхности цилиндрической полой мишени. При этом площадь сечения разряда на всем пути вдоль мишени примерно постоянна, что обеспечивает постоянство плотности ионного тока на мишени по всей ее длине, и как следствие, обеспечивает однородность покрытий по длине протяженных изделий, установленных внутри цилиндрической полой мишени.

Наиболее простое и часто встречающееся конструктивное решение установки, когда вакуумная камера имеет цилиндрическую форму. При этом наиболее целесообразно, чтобы мишень была выполнена в виде цилиндра, анод-кольцевой формы, а перегородка выполнена в биде диска. Для получения однородных по толщине покрытий при цилиндрической форме мишени це- лесообразно, чтобы зазор между перегородкой и мишенью был одинаков по всему периметру. Поэтому перегородку необходимо установить коаксиально внутренней поверхности мишени. Наибольшей однородностью покрытия будут обладать, если оси симметрии катода, анода, перегородки, мишени и держателя расположены по оси симметрии камеры.

С целью снижения вероятности возникновения дуговых разрядов на поверхности мишени, мишень выполнена в виде набора изолированных друг от друга секций с индивидуальными токоподводами для каждой секции.

На чертеже изображена принципиальная схема установки.

Установка состоит из вакуумной камеры 1, на одном из торцов которой установлен интегрально холодный катод вакуумно-дугового разряда 2. Напротив катода 2 установлена перегородка 3 в виде диска. Вдоль цилиндрических стенок вакуумной камеры 1 t установлена мишень 4 в виде полого цилин5 дра из распыляемого металла. Края мишени 4 и диска 3 образуют равномерную щель 5 по всему периметру перегородки 3 и мишени 4. У противоположного торца мишени 4 установлен анод б в виде коаксиального

кольца. Напыляемые изделия 7 установлены внутри полой цилиндрической мишени 4 на держателе (на чертеже не показан).

На чертеже также показаны части объема вакуумной камеры, заполненные в про5 цессе работы металлогазовой плазмой - объем 8 и чисто газовой плазмой - объем 9, примыкающий к мишени А.

Электропитание вакуумно-дугового разряда производится от источника 10 по0 стоянного тока. Электропитание распыляемой мишени осуществляется от высоковольтного источника 11 постоянного тока. Для обеспечения поджига дугового разряда в установке в цепи источника 11

5 установлен управляемый ключ. Работает установка для нанесения покрытий следующим образом. Производится откачка вакуумной камеры установки с помощью высоковакуумной системы откачки (на фиг. 1

0 не показана) до давления Па, а затем в вакуумную камеру 1 установки с помощью натекателя (на фиг. 1 не показан) производится напуск рабочего газа (аргон, смесь аргона с каким-либо реакционным газом) до

5 давления 101 - 10 Па. С помощью системы возбуждения разряда (на фиг. 1 не показана) между катодом 2 и анодом б возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). ДВДР состоит из двух разнородных

0 в физическом отношении частей. Эти части разряда сформированы перегородкой 3. Область 8 ДВДР, лежащая между катодом 2 и перегородкой 3, заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируются ка5 тодным пятном вакуумно-дугового разряда, ионы газа образуются в результате переза- р ядки ионов металла на газовой мишени. Область 9 между щелью 5 и анодом б заполнена чисто газовой плазмой, поскольку в эту

0 область ионы металла, распространяющиеся от поверхности катода по прямолинейным траекториям, не попадают. Положительный столб в газовой ступени ДВДР образуется в результате ионизации

5 рабочего газа электронами, извлекаемыми из металлогазовой плазмы через щель 5. . Благодаря равномерному зазору в щели 5 (между экраном 3 и мишенью 4) формируется однородный столб газовой плазмы, омы- вающий внутреннюю цилиндрическую

поверхность распыляемой мишени 4. При подаче высоковольтного отрицательного потенциала на мишень 4 от источника постоянного тока 11 положительные ионы газа ускоряются в двойном слое, между мишенью и невозмущенной плазмой, и бомбардируют поверхность мишени, распыляя ее. Распыленный с поверхности мишени металл (или его соединение с реакционным газом) осаждается на поверхности вращающихся изделий.

Проверка работоспособности заявляемой установки производилась в экспериментальной модели установки, собранной в вакуумной камере с габаритами: диаметр - 650 мм, высота - 1000 мм. Ось вакуумной камеры расположена вертикально. На нижнем торце вакуумной камеры устанавливал- ся катодный узел электродугового испарителя. Рабочая поверхность катода и нижний торец вакуумной камеры находились на одном уровне. На расстоянии 50 мм от рабочей поверхности катода устанавливался экран в виде диска диаметром 550 мм. Внутри вакуумной камеры устанавливалась распыляемая мишень из титанового листа толщиной 2 мм. Лист свертывался в цилиндр диаметром 610 мм. Высота цилиндра составляла 750 мм, цилиндр устанавливался внутри камеры на трех керамических изоляторах. На расстоянии 50 мм от верхнего торца цилиндра устанавливался кольцевой медный анод диаметром 610 мм и высотой 40 мм. При работе предлагаемой установки получены следующие параметры:

давление аргона внутри камеры 5-10 токДВДР-ЮОА напряжение ДВДР между катодом и анодом - 45 В, напряжение на распыляемой мишени - 1000 В, ток в цепи распыляемой мишени 14 А, скорость нанесения титанового покрытия на неподвижную подложку, установленную на расстоянии 50 мм от мишени, 3,2 мкм/ч - подложка установлена в нижней части мишени, 3,7 мкм/ч - подложка установлена в центральной части мишени, 3,0 - подложка установлена в верхней части мишени. Максимальная неоднородность покрытия по высоте составляет 19%.

Формула изобретения

1.Установка для нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру, интегрально-холодный катод, расположенный противоположно катоду анод и установленные между анодом и катодом распыляемую мишень и держатель для обрабатываемого

изделия, отличающаяся тем, что мишень и анод выполнены в виде соосноустановленных полых и расположенных по замкнутому контуру элементов с подобными контурами поперечных сечений, при этом площадь поперечного сечения полости, ограниченной анодом, не меньше площади поперечного сечения полости, ограниченной мишенью, держатель для обрабатываемого изделия расположен в зоне полости мишени, а между концевым участком мишени, расположенным со стороны катода, и катодом установлена оптическая непрозрачная, проницаемая для электронов перегородка для создания между анодом и катодом двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

2.Установка по п. 1,отличаю щая- с я тем, что мишень выполнена цилиндрической, анод - кольцевой формы, а перегородка выполнена в виде диска.

3. Установка по пп. 1 и2,отличаю- щ а с я тем, что перегородка установлена коаксиально внутренней поверхности мишени.

4.Установка по пп. 1-3, о т л и ч а.ю щ а- я с я тем, что оси симметрии анода, катода,

перегородки, мишени и держателя расположены по оси симметрии камеры.

5.Установка по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ а- я с я тем, что мишень выполнена в виде

набора изолированных одна от другой секций с индивидуальными токоподводами для каждой секции.

6.Установка по пп. 1-5, отличающаяся тем, что расстояние между взэимообращенными боковыми поверхностями мишени и камеры на порядок меньше размера щели между взаимообращенными поверхностями мишени и перегородки.

Использование: для вакуумно-плазмен- ной обработки инструмента, деталей машин и прочих изделий из различных материалов. Сущность изобретения: заключается в том, что в установке, содержащей вакуумную камеру 1, интегрально-холодный катод (К) 2, анод (А) 6. установленные между А 6 и К 2 распыляемую мишень (М) 4 и держатель для обрабатываемых изделий, а также оптически непрозрачную перегородку 3, М 4 и А б выполнены в виде соосно установленных расположенных по замкнутому контуру элементов с подобными контурами поперечных сечений. При этом площадь поперечного сечения полости, ограниченной А б,не менее площади поперечного сечения полости, ограниченной М 4. Данное конструктивное выполнение установки позволяет обеспечить равномерную плотность разрядного тока в зоне внутренней {распыляемой) поверхности мишени по всей ее длине и, как следствие, позволяет получить однородные по толщине покрытия на протяженных поверхностях, имеющих, преимущественно, цилиндрическую форму. 5 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё со ы -N О -А N5 СО

Редактор М.Васильева Техред М.Моргентал

зказ2705ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Корректор П.Гереши