УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ

Устройство для нанесения покрытий в вакууме относится к области вакуумно-плазменного нанесения металлических покрытий и может быть использовано в технике.
Известна вакуумная установка для нанесения упрочняющих покрытий на инструмент ННВ6.6 - И1, включающая вакуумную камеру и электродуговой испаритель, состоящий из корпуса и катода, фокусирующей и стабилизирующей катушек, поджигающего электрода (Установка ННВ6.6 - И1 эксплуатационная документация ИЕВГ.681311.001 - ЛУ1).
Основным недостатком известной установки является наличие "капельной фазы", т.е. капель металла вырванных с поверхности катода при его плавлении. Дефекты покрытия от "капельной фазы" проявляются в виде повышения параметра шероховатости, выступания капель металла над покрытием и получению неоднородного покрытия из нитридов и капель металла в нем.
Известна ионная камерная вакуумная установка для нанесения упрочняющих и защитно-декоративных покрытий ННВ6.6 - И4, состоящая из вакуумной камеры и модернизированного варианта электродугового испарителя установки ННВ6.6 - И1 (Установка ННВ6.6 - И4 эксплуатационная документация ИЕВГ.681311.0320). Плазмовод электродугового испарителя выполнен с загибом по направлению движения испаряемого материала, что позволяет предотвратить попадание «капельной фазы» в состав покрытия.
Недостатком данной установки, является малая производительность электродугового испарителя по металлической плазменной фазе, сложность конструкции, трудоемкость обслуживания, и повышенное энергопотребление оборудования.
6
Наиболее близким техническим аналогом к заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является устройство для нанесения тонких пленок в вакууме (пат. РФ №2066704, МПК С23С 14/24, 1996 г.).
Устройство содержит вакуумную камеру с подложкодержателем и электродуговой испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, и снабжено водоохлаждаемым каплеуловителем, установленным между катодом и подложкодержателем. Водоохлаждаемый каплеуловитель имеет высоту равную диаметру катода, и расположен на равном расстоянии от катода и подложкодержателя. Устройство позволяет получать однородные конденсаты без капельной фазы.
Недостатком прототипа является низкая скорость роста покрытия, так как каплеуловитель задерживает не только «капельную фазу», но и ионизированные частицы. Это обусловлено тем, что каплеуловитель, выполненный из металла, имеет электрический контакт с анодом. Что также приводит к интенсивному нагреву каплеуловителя и необходимости его охлаждения. Охлаждение каплеуловителя осуществляется водой через медные трубки.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение производительности устройства по нанесению покрытий, то есть увеличение скорости роста покрытия.
Техническая задача достигается тем, что в устройстве для нанесения покрытий в вакууме, содержащем вакуумную камеру с подложкодержателем и электродуговой испаритель, состоящий из катода, анода, поджигающего электрода, каплеуловителя, расположенного между катодом и подложкодержателем, каплеуловитель выполнен из керамического материала, электрически изолирован от элементов устройства и установлен от катода на расстоянии равном диаметру катода, причем диаметр каплеуловителя равен диаметру катода.
Каплеуловитель, в отличие от прототипа, изготовлен из керамического материала, что позволяет электрически изолировать каплеуловитель от элементов устройства. При этом снижается тепловая нагрузка на каплеуловитель и не требуется его охлаждение. Условие электроизоляции каплеуловителя от всех элементов устройства, в отличие от прототипа, обеспечивает высокую производительность процесса, благодаря беспрепятственному прохождению в объем камеры ионов испаряемого металла, которые в основном и формируют покрытие. Размещение каплеуловителя, имеющего электрический контакт с анодом (корпусом), вблизи катода приведет к смещению тока дуги с участка катод-корпус (анод) на участок катод - каплеуловитель, при этом большинство ионизированных частиц будут рекомбинировать в этом промежутке, не выходя в камеру и не формируя покрытие. Так как во время нанесения покрытия, экранируемые каплеуловителем «капли» металла, формируют на его поверхности токопроводящий слой, отсутствие электрического контакта каплеуловителя с корпусом поддерживается за счет установки каплеуловителя с помощью державки снабженной пылезащитным экраном.
Размещение каплеуловителя на расстоянии от катода равном диаметру катода обеспечивает надежное экранирование «капель» изотропно прямолинейно разлетающихся с торцевой поверхности испаряемого катода. Смещение каплеуловителя в сторону катода приведет к снижению производительности процесса, так как при этом так же будут экранироваться ионы и паровая фаза. А его удаление приведет к появлению в составе покрытия микрокапель, что негативно скажется на качестве покрытия.
Схема устройства предлагаемой полезной модели приведена на чертеже.
Устройство для нанесения покрытий содержит вакуумную камеру 1 и электродуговой испаритель, состоящий из катода 2, анода 3, поджигающего электрода 4, фланца 5 для крепления испарителя к вакуумной камере, стабилизирующей 6 и фокусирующей 7 катушек, герметичной прокладки 8 и каплеуловителя 9, установленного соосно с катодом с помощью державки 10, снабженной пылезащитным экраном 11.
-3
-5
Устройство работает следующим образом. В вакуумную камеру помещают изделие, на поверхность которого необходимо конденсировать покрытие. В вакууме (10-10 мм.рт.ст.) на катоде 2 инициируется электрическая дуга. Катод эмитирует электроны, металл катода при этом испаряется и частично ионизируется. Металлическая плазма, пары материала катода и капли металла за счет газодинамических сил, обусловленных разностью давлений в дуговом испарителе и камере, истекают с большой скоростью в рабочее пространство вакуумной камеры 1. Каплеуловитель 9 задерживает блоки неионизированных атомов металла ("капельная фаза"). Проходное сечение электродугового испарителя много больше сечения каплеуловителя, следовательно, каплеуловитель не влияет на движение паровой фазы и металлической плазмы.
a
Испытания заявляемого устройства проводили с использованием катода, выполненного из титанового сплава марки ВТ 1-00, диаметром 78±1 мм. Керамический каплеуловитель устанавливали от катода на расстоянии 78±1 мм, диаметр каплеуловителя составлял 60, 78, 90 мм. Нанесение покрытия проводили при токе дуги 85±5А при одновременной работе трех испарителей в течение 30 мин. В качестве образцов для нанесения покрытий использовали поликорунд с параметром шероховатости R=0,05 мкм (определен на профилометре предприятия изготовителя).
Исследования характеристик полученных покрытий проводили на сколе поликорунда оптическим методом, согласно ГОСТ 9.302-88 «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля».
a
a
Сравнительные характеристики покрытий, полученных с помощью заявляемого устройства и прототипа, приведены в таблице. Анализ данных показывает, что заявляемая полезная модель по сравнению с прототипом имеет большую производительность при всех значениях диаметра каплеуловителя (толщина нанесенного покрытия 3,5-4,1 мкм вместо 3,1 мкм). Однако при использовании каплеуловителя с диаметром, меньшим диаметра катода (60 мм), покрытия характеризуются наличием «капельной фазы» и высоким значением шероховатости R=1,2 мкм. При использовании каплеуловителя с диаметром, превышающим диаметр катода (90 мм), покрытия однородные без примеси «капельной фазы», с низким значением параметра шероховатости (R=0,1 мкм), но производительность процесса нанесения покрытия снижается, так как экранированию подвергается и паровая фаза. Оптимальным является условие, когда диаметр размещаемого каплеуловителя равен диаметру катода (78±1 мм), это позволяет полностью улавливать капли металла, исходящие от торцевой испаряемой поверхности катода, и сохранять высокую производительность процесса. Скорость роста покрытия (производительность предлагаемого устройства) по сравнению с прототипом увеличивается на 29%.
Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в том, что данное устройство позволяет получать качественные однородные конденсаты без капельной фазы с высокой производительностью.
Таблица
Устройство
Характеристики устройства
Характеристики полученного покрытия
Диаметр каплеуловителя, мм
Расстояние от каплеуловителя до катода, мм
Ток дуги, А
Опорное напряжение, В
Время осаждения покрытия, мин
Толщина слоя покрытия δ, мкм
Наличие «капельной фазы»
Шероховатость покрытия R<sub>a</sub>, мкм
Прототип
Высота равна диаметру катода
180 На одинаковом расстоянии от катода и подложкодержателя
3×85±5
280±10
30±0,5
3,1±0.4
Однородное покрытие без капельной фазы
0,1
Заявляемая полезная модель
60
60
3×85±5
280±10
30±0,5
4,5±0,4
Покрытие с вкраплением капельной фазы
1,2
78
78
3×85±5
280±10
30±0,5
4,0±0,4
Однородное покрытие без капельной фазы
0,1
90
90
3×85+5
280±10
30±0,5
3,5±0,4
Однородное покрытие без капельной фазы
0,1