УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ НАНЕСЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВУ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБНЫХ ПРОТЕЗОВ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно, к устройству управления параметрами нанесения защитных покрытий на основу металлических зубных протезов, улучшающих адгезионные свойства материала последних к зубопротезной керамике в ортопедической стоматологии, амбулаторно-поликлинической практике стоматологических отделений.
Основным узлом вакуумной ионно-плазменной установки для нанесения защитных покрытий, в частности на основу металлических зубных протезов (МЗП) перед формированием зубопротезной керамики, является электродуговой испаритель (катод) [Толок В.Г. Вакуумно-плазменная технология высоких энергий. Вестн. АН УССР, 1980. №11, С.63-66.]. В катоде испарение материала происходит с поверхности, обращенной в сторону изделия, благодаря высокой концентрации энергии в катодном пятне электрической дуги.
Известно устройство [SU №1123312, С23С 13/12] электродугового испарителя токопроводящих материалов, предназначенное для нанесения защитных покрытий. С целью повышения надежности работы испарителя катод и отражатель выполнены в виде усеченных конусов, причем катод и отражатель размещены внутри корпуса из немагнитного материала соосно с последним, а длина соленоида, охватывающего корпус, превышает его диаметр. Для удержания катодных пятен на торцевой поверхности катода-испарителя используется стабилизирующее магнитное поле (СМП) соленоида. Известно также, что катодные пятна электрической дуги при наличии внешнего СМП смещаются в направлении наклона магнитных силовых линий к поверхности катода. Если форма катода-испарителя и ориентация внешнего СМП таковы, что силовые линии его наклонены к боковой (нерабочей) поверхности катода под углом порядка 8-10°, то катодные пятна не выходят за пределы рабочей поверхности (торца) катода.
К основному недостатку устройства следует отнести отсутствие фокусирующего соленоида, при помощи которого можно управлять параметрами нанесения защитных покрытий на основу металлических зубных протезов, улучшающих адгезионные свойства материала последних к нанесению зубопротезной керамики, в частности, дисперсностью [ФЭС, - М, изд-во „Сов. энциклопедия", 1960, том 1, С.597], равномерностью толщины слоя микрочастиц материала расходуемого катода по всей площади покрытия и плотностью потока заряженных частиц на единицу площади поверхности покрываемого изделия.
Исследования [Аксенов И.И. Покрытия, полученные конденсацией плазменных потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой). Укр. физ. журнал. 1979, №4, с.515-525] показывают, что прочная связь между покрытием и материалом основы изделия, а также между микрочастицами в покрытии (адгезия) возникает в результате:
- механического зацепления микрочастиц покрытия за микронеровности поверхности материала изделия;
- возникновения и роста двумерных зародышей кристаллизации в качестве новой фазы переходного слоя „микрочастица покрытия - материал основы" изделия.
В качестве прототипа выбрано устройство [SU №1336606, С23С 14/24], предназначенное для равномерного износа катода и улучшения качества наносимого покрытия, содержащее расходуемый катод из испаряемого материала покрытия, стабилизирующий соленоид (СС), создающий магнитное поле в области катода, дополнительный фокусирующий соленоид (ФС), расположенный на водоохлаждаемом аноде, обеспечивающий постоянную конфигурацию и характеристику плазменного потока, и управляемый в противофазе по синусоидальному закону источник питания СС и ФС. При минимальном значении тока в СС катодные пятна локализуются в области вершины катода. Поток заряженных частиц распространяется в пространстве, ограниченном телесным углом, вершина которого находится в месте локализации катодного пятна на рабочей поверхности катода, а образующие представляют собой лучи, исходящие из места локализации через срез анода. Благодаря наличию ФС, питание которого осуществляется синусоидальным током в противофазе току в СС, имеется дифференциальное для каждого момента локализации катодного пятна на рабочей поверхности катода фокусирование генерируемого им потока заряженных частиц. На выходе из испарителя поток микрочастиц материала катода имеет постоянную конфигурацию и плотность, независимые от места локализации катодного пятна в любой момент времени.
Д
Д
2
2
Известно [Шоршоров А.И. с соавт. Состояние и перспективы развития нанесения покрытий распылением. Физика и химия обраб. материал. 1977, №5, С.13-24], что изменение фазового состава потока заряженных частиц, в частности, изменение состава капельно-парообразной фазы (размера микрочастиц) потока, покидающего катод, находится в прямой зависимости от тока дуги (I) испарителя и степени охлаждения последнего. Поскольку I испарителя в момент нанесения покрытия постоянен, размер микрочастиц, покидающих катод из катодного пятна устройства прототипа дальнего от вершины катода, по размеру меньше, чем размер микрочастиц из катодного пятна ближнего от вершины, а т.к. рабочая поверхность катода из Ti описывается уравнением гиперболы (у-16х=6400) и водоохлаждение участков поверхности катода, отстоящих на разных расстояниях от полости катода с циркулирующей в ней водой, различно. Водоохлаждаемый анод с ФС устройства прототипа находится вне зоны оптимального воздействия на поток заряженных частиц фокусирующего магнитного поля (ФМП) при изменении тока последнего от нуля до максимума, поскольку управление сепарацией наносимого покрытия в устройстве прототипа осуществляется ФМП на срезе анода в непосредственной близости от изделия, что практически не оказывает фокусирующего влияния на микрочастицы, покидающие менее охлаждаемую вершину катода и имеющие, поэтому, максимальные размер и скорость, в отличии от катода с плоской торцевой (рабочей) поверхностью, водоохлаждение всех участков которой практически одинаково. Постоянная конфигурация и плотность осажденных на поверхность изделия частиц свойственны лишь 25% полезной площади покрытия, нанесенного на изделие, а около 75% монодисперсного фазового состава микрочастиц потока приблизительно равного размера (покидающих более охлаждаемую боковую поверхность катода с меньшей скоростью) оседают на аноде в виде бесполезного нагара, уменьшающего апертуру ФС.
Нами впервые предложено устройство для управления параметрами нанесения защитных покрытий на основу МЗП, улучшающее адгезионные свойства материала последних к зубопротезной керамике, повышающее прочность связи зубопротезного керамического покрытия с материалом протеза содержащее ФС, охватывающую корпус катода-испарителя в зоне оптимального воздействия ФМП на поток заряженных частиц (торец расходуемого катода-испарителя), причем длина ФС меньше его диаметра.
Финишной операцией перед нанесением керамического материала на поверхность каркаса металлокерамических зубных протезов (МКЗП) является увеличение площади этой поверхности (A.Schroeder (1976) ввел покрытие плазменным способом поверхности титанового протеза химически чистым Ti, увеличив таким образом площадь поверхности протеза в 6 раз) с пассивацией ее, целью которой является увеличение коррозионной стойкости и улучшения биотолерантных свойств протеза.
Режим работы ФС, при котором направление магнитных силовых линий ФМП противоположно направлению потока заряженных частиц от катода к центру камеры, реализован в предлагаемом устройстве и способствует осаждению полидисперсной фазы материала, увеличивающей равномерность площади поверхности покрытия. С увеличением тока ФС, соответствующего этому режиму в диапазоне 0÷1,0 А, заметно увеличивается угол расхождения потока заряженных частиц, увеличивается доля полидисперсной фазы, поскольку уменьшается скорость осаждения покрытия из-за уменьшения плотности потока заряженных частиц в условном диаметре потока. На поверхность изделия осаждается приблизительно до 75% разноразмерных микрочастиц потока, увеличивая тем самым площадь поверхности протеза, остальные 25% покрывают изнутри поверхности стенок вакуумной камеры играя роль „титанового насоса".
На Фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства, где:
1 - токоподвод катода - испарителя, через который осуществляется водоохлаждение последнего;
2 - расходуемый катод;
3 - водоохлаждаемая полость катода-испарителя;
4 - отражатель расходуемого катода;5 - фокусирующий соленоид, охватывающий корпус катода-испарителя;
6 - концентратор фокусирующего соленоида, охватывающего корпус катода-испарителя из магнитного материала, со щелью;
7 - стабилизирующий соленоид, охватывающий корпус катода-испарителя;
8 - корпус катода-испарителя из немагнитного материала;
9 - переключатель режимов работы фокусирующего соленоида;
10 - полюсные наконечники в виде двух соосных одинаковых усеченных конусов с углом между образующими конуса наконечника при вершине в 110±1°.
Устройство работает следующим образом: после возбуждения дугового разряда в парах наносимого материала расходуемого катода (2), возникшие при пробое катодные пятна под действием магнитного поля стабилизирующего соленоида (7) смещаются на рабочую (торцевую) поверхность катода (2), имеющего форму усеченного конуса. При случайном сбегании катодных пятен на боковую (нерабочую) поверхность катода (2) или отражателя (4) они возвращаются магнитным полем СС (7), обеспечивающего однородное магнитное поле на значительной длине в области боковых поверхностей катода и отражателя, на рабочую поверхность катода (2), размещенного коаксиально внутри корпуса из немагнитного материала (8). Охлаждение внутренней полости катода проточной водой осуществлено через токоподвод (1), а цилиндрического корпуса испарителя (8), выполненного из немагнитного материала, СС и ФС - через полость (3). ФС (5) помещен в концентратор магнитного поля (6) из магнитного материала с кольцеооразной щелью, обращенной к внешней поверхности корпуса испарителя (8) из немагнитного материала. Для изменения характера неоднородного магнитного поля фокусирующего или дефокусирующего поток заряженных микрочастиц моно- или полидисперсной фазы материала катода в области торца катода-испарителя, совпадающей с проекцией щели на осевую линию корпуса испарителя, предназначен переключатель (9) режимов работы ФС (5). Фокусирующее действие ФС тем больше, чем больше напряженность поля вдоль оси соленоида и чем уже та область пространства, в которой это поле сосредоточено.
На Фиг.2 представлена конструкция предлагаемого устройства, в котором концентратор (6) ФС (5) из магнитного материала, охватывающий корпус катода-испарителя (8), снабжен полюсными наконечниками (10) в виде двух соосных одинаковых усеченных конусов с углом между образующими конуса наконечника при вершине в 110±Г, расположенных на противоположных краях щели концентратора, обращенной к внешней поверхности корпуса испарителя (8) из немагнитного материала и опирающихся на внешнюю поверхность корпуса испарителя из немагнитного материала (8). В Табл. 1 приведены сравнительные характеристики равномерности толщины слоя микрочастиц материала расходуемого катода по полезной площади покрытия металлических зубных протезов предлагаемым устройством, оборудованным концентратором с кольцеобразной щелью и полюсными наконечниками.
Таблица 1. Сравнительные характеристики неравномерности толщины слоя в устройствах покрытия МЗП различного конструктивного исполнения ФС.
Тип конструкции концентратора ФС
Неравномерность толщины слоя покрытия (%)±1% на МЗП
без концентратора
20*
10**
кольцеобразная щель
8*
5**
полюсные наконечники
4*
2**
Примечание: * - в режиме работы ФС, при котором направление магнитных силовых линий ФМП совпадает с направлением потока заряженных частиц от катода к центру камеры (в устройстве прототипа);** - в режиме работы ФС, при котором направление магнитных силовых линий ФМП противоположно направлению потока заряженных частиц от катода к центру камеры, реализованным в предлагаемом устройстве.
Не вдаваясь в математическое описание распределения продольной напряженности поля ФС с концентратором и полюсными наконечниками [Капцов Н.А. Электроника. - М, 1953, - С.196-198], приведем экспериментальные данные, помещенные в Табл.2, по алгоритму, в котором ширина щели соотносится с фокусным расстоянием ФС, как 1:15.
Таблица 2 Сравнительные характеристики неравномерности толщины слоя в устройствах с концентратором и полюсными наконечниками.
Угол между направляющими, образующими угол при вершине конуса наконечника в°±1°.
Неравномерность толщины слоя на полезной площади* покрытия (в%) ±1%.
25**
75***
100
6
20
110
2
8
120
5
15
Примечания: * - под полезной площадью покрытия подразумевается суммарная площадь фронтальной и аппроксимальной сторон металлических зубных протезов в одной загрузке;
** - в режиме работы ФС, при котором направление магнитных силовых линий ФМП совпадает с направлением потока заряженных частиц от катода к центру камеры (в устройстве прототипа);
*** - в режиме работы ФС, при котором направление магнитных силовых линий ФМП противоположно направлению потока заряженных частиц от катода к центру камеры, реализованным в предлагаемом устройстве.
Применение устройства управления параметрами нанесения защитных покрытий полидисперсной фазы на основу металлических зубных протезов, обеспечило:
- равномерность толщины слоя микрочастиц материала расходуемого катода по всей площади покрытия и стабилизацию плотности потока заряженных частиц на единицу площади поверхности покрываемого изделия;
- возникновение и рост двумерных зародышей кристаллизации в качестве новой фазы переходного слоя „микрочастица покрытия - материал основы" изделия;
- осаждение на поверхности изделия приблизительно до 75% разноразмерных микрочастиц потока заряженных частиц, увеличивая тем самым площадь поверхности протеза, остальные 25% покрывают изнутри поверхности стенок вакуумной камеры, играя роль „титанового насоса";
- исключение бесполезного нагара из частиц материала катода, уменьшающего апертуру ФС;
- создание в ограниченной внутренней области корпуса испарителя неоднородного магнитного поля, эффективно фокусирующего (дефокусирующего) поток заряженных микрочастиц моно- или полидисперсной фазы материала катода при переключении режимов работы ФС;
- улучшение адгезионных свойств материала основы МЗП к зубопротезной керамике.