ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО УГЛЕРОДА

Вакуумная установка для нанесения сверхтвердого покрытия на основе аморфного углерода
Предлагаемая полезная модель относится к области получения твердых углеродных покрытий в вакууме, а более точно - к устройству для формирования сверхтвердого аморфного углеродного покрытия в вакууме, которое может быть использовано для улучшения эксплуатационных характеристик различных видов инструментов, применяемых для металлообработки, деталей узлов трения, изделий микромеханики, а также для формирования биофункционального покрытия на изделиях медицины.
Известно оборудование для получения не содержащих водород твердых углеродных слоев на подложках из металла и керамики, включающее вакуумную камеру, соединенную с вакуумным насосом и источником подачи инертного газа, устройство для закрепления подложек, по крайней мере, один магнетронный источник с графитовым катодом, источники подачи питания на магнетрон и подложку (см. патент US 2013/0146443 А1, опубликованный 13 июня 2013). Недостатком этого технического решения является присущая магнетронным источникам недостаточная степень ионизации материала мишени и малая производительность.
Известна также установка для нанесения алмазоподобных слоев согласно патенту ЕР 1884978 А1, опубликованному 06 февраля 2008, которая оснащена дуговым источником ионов металла с системой фильтрации, импульсным дуговым источником ионов углерода с системой фильтрации или углеродным источником с лазерной абляцией, низкоэнергетичным источником ионов, инфракрасным нагревателем и устройством для охлаждения. Недостатками этой установки является малая производительность, связанная с использованием системы фильтрации, а также лазерной абляции, а также небольшая зона нанесения покрытия - порядка 80 мм.
Наиболее близким техническим решением является считающаяся самой производительной установкой на мировом рынке установка DREVA 600 LAM для нанесения сверхтвердых покрытий на основе углерода, разработанная компанией VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH совместно с Фраунгоферовским институтом в Дрездене (см. , дата публикации 2013 г.). Установка содержит установленные в вакуумной камере импульсный источник углеродной плазмы, включающий в себя цилиндрический графитовый катод, анод и систему лазерного поджига для инициирования разряда, два источника газовой плазмы с полым катодом, два вакуумно-дуговых источника металлической плазмы и устройство для закрепления деталей с планетарным вращением.
Недостатками данного технического решения является низкая производительность, связанная с применением лазерного поджига на цилиндрической поверхности графитового катода, что предопределяет большие потери материала распыляемого графитового катода, так как в результате эрозии катода материал распыляется в основном нормально к его поверхности. Низкая производительность связана также с изменением геометрических размеров катода в процессе его эрозии, и как следствие необходимостью периодической юстировки луча лазера на поверхности катода по мере его выработки.
Задачей, поставленной в данной полезной модели, является расширение арсенала вакуумных установок для нанесения сверхтвердого покрытия на основе аморфного углерода.
Технический результат - увеличение скорости напыления, что обеспечивает повышение производительности вакуумной установки.
Задача решается за счет того, что к известной совокупности существенных признаков, а именно: вакуумная установка, содержащая размещенные в вакуумной камере импульсный источник углеродной плазмы, включающий в себя цилиндрический графитовый катод, анод, систему поджига для инициирования импульсного разряда, источник газовой плазмы, источник металлической плазмы и устройство для закрепления и вращения деталей добавлены следующие новые признаки:
- импульсный источник углеродной плазмы содержит катодный узел, включающий не менее двух цилиндрических графитовых катодов;
- рабочей поверхностью цилиндрических катодов катодного узла является не боковая, а торцевая поверхность цилиндров, обращенная к устройству для закрепления и вращения деталей, при этом количество катодов и их размещение в катодном узле определяется конфигурацией изделия, на которое наносится покрытие;
- система поджига для инициирования разряда представляет собой совокупность плазменных инжекторов, генерирующих углеродную плазму в направлении рабочей торцевой поверхности графитовых катодов;
- анод выполнен в виде анодного узла, оснащенного системой фокусировки плазменного потока;
- вакуумно-дуговой источник металлической плазмы оснащен системой отклонения плазменного потока;
- устройство включает дополнительно вакуумно-дуговой импульсный источник металлической плазмы;
- в качестве источника газовой плазмы используют протяженный источник с замкнутым дрейфом электронов.
Из уровня техники неизвестна предложенная совокупность существенных признаков, следовательно, полезная модель обладает новизной.
Каждый новый признак полезной модели обеспечивает достижение заявленного технического результата:
- использование в качестве рабочей торцевой поверхности графитовых цилиндрических катодов предотвращает большие потери материала распыляемого графитового катода и повышает производительность, в том числе за счет отсутствия необходимости периодической юстировки луча лазера на поверхности катода по мере его выработки;
- система поджига для инициирования разряда, представляющая собой плазменный инжектор, генерирующий углеродную плазму в направлении рабочей торцевой поверхности графитового катода, обеспечивает высокую надежность поджига при минимальном энергопотреблении, кроме того, при этом реализуется режим «распределенного поджига»;
- анодный узел оснащен системой фокусировки плазменного потока, что обеспечивает высокую производительность процесса и одинаковые свойства плазменного потока углерода, генерируемого с каждого катода катодного узла;
- вакуумно-дуговой источник металлической плазмы оснащен системой отклонения плазменного потока и управления плотностью ионного тока, что позволяет существенно уменьшить количество макрочастиц, и увеличить производительность процесса ионной обработки без нежелательного перегрева изделия;
- вакуумно-дуговой импульсный источник металлической плазмы позволяет обеспечить высокие мгновенные скорости получения подслоя на основе металла;
- в качестве источника газовой плазмы используют протяженный источник с замкнутым дрейфом электронов, особенностью которого является генерация ионов с энергией, достаточной для травления поверхности деталей без приложения ускоряющего потенциала, что особенно важно для деталей изготовленых из диэлектрических и полупроводниковых материалов.
В дальнейшем техническое решение поясняется одним из вариантов его воплощения с тремя цилиндрическими графитовыми катодами со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 представлена схема установки для нанесения сверхтвердых покрытий на основе углерода, вид сверху. В вакуумной камере 1 размещен импульсный источник 2 углеродной плазмы, включающий в себя катодный узел 3, плазменный инжектор 4, анодный узел 5, источник газовой плазмы 6, импульсный источник металлической плазмы 7, источник металлической плазмы 8, устройство 9 для закрепления и вращения деталей, на которые направляют углеродную плазму 10.
На фиг. 2 представлен вид сбоку схематического изображения импульсного источника 2 углеродной плазмы, в котором катодный узел 3 оснащен тремя графитовыми катодами 11 и системой 12 поджига для инициирования разряда, состоящей из трех плазменных инжекторов 4. Анодный узел 5 с системой фокусировки 13 плазменного потока 10 является общим для всего катодного узла 2.
У цилиндрических графитовых катодов 11 катодного узла 3, рабочей поверхностью, на которой возбуждается импульсный вакуумно-дуговой разряд, является торцевая поверхность цилиндров, обращенная к устройству 9 для закрепления и вращения деталей.
Установка работает следующим образом: после откачки вакуумной камеры 1 до необходимого давления производят ионную обработку деталей, закрепленных на устройстве 9 для вращения деталей при помощи источника газовой плазмы 6 типа «Радикал». Особенностью ионного источника 6 с замкнутым дрейфом электронов является генерация ионов с энергией, достаточной для травления поверхности деталей без приложения ускоряющего потенциала, что особенно важно для деталей изготовленых из диэлектрических и полупроводниковых материалов. Затем производят дополнительную обработку поверхности деталей ионами металлов, генерируемых вакуумно-дуговым источником 8 металлической плазмы, оснащенным системой отклонения плазменного потока. Источники этого типа позволяют существенно уменьшить количество макрочастиц, образующихся в процессе эрозии катода, что позволяет повысить качество подготовки поверхности деталей перед нанесением покрытий, электрических пробоев на деталях, а также исключить их перегрев. При нанесении подслоя металла целесообразно увеличить величину ионного тока, для этого используют импульсный источник 7 металлической плазмы, что также позволяет повысить производительность установки. После этого производят нанесение углеродного покрытия с помощью импульсного источника 2 углеродной плазмы, для чего подают напряжение на систему 12 поджига импульсного разряда и плазменные инжекторы 4 генерируют углеродную плазму в направлении рабочей торцевой поверхности графитовых катодов 11, закрепленных в катодном узле 3. На рабочей торцевой поверхности катода 11 возникают катодные пятна, которые генерируют углеродную плазму из графитового катода, причем углеродный поток плазмы 10 распространяется преимущественно по нормали к рабочей поверхности катода и в направлении деталей, закрепленных на устройстве 9 для вращения деталей. Система 12 поджига импульсного разряда позволяет инициировать основной импульсный разряд на любом из катодов 11 поочередно или на каждом из них по отдельности. Это позволяет обеспечить нанесение углеродного покрытия на детали, размещенные на любом участке устройства 9 и при необходимости корректировать толщину на определенном участке обрабатываемой детали. Анодный узел 5 с системой фокусировки 13 позволяет обеспечить наибольшую производительность и одинаковые свойства углеродной плазмы 10, генерируемой с каждого из катодов 11 катодного узла 3.
На предлагаемой установке обеспечивается повышение производительности установки, в том числе за счет получения высокой плотности плазмы, уменьшения требований к вакуумным условиям. Например, общее время технологического нанесения покрытий для 570 сверл на предлагаемой установке - не более 90 минут, в то время как на установке DREVA 600 - не более 120 минут.
Кроме того, обеспечивается получение сверхтвердого углеродного покрытия высокого качества.