УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАЬШЯ ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ
Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к устройствам нанесения покрытий в вакууме и может найти применение для получения металлических, нитридных, оксидных, карбидных, оксршитридных, карбонитридных покрытий на внутренних цилиндрических и конических поверхностях изделий.
Известны способы и устройства нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых изделий в вакууме термическим испарением материала покрытия, например патент РФ 2042739, патент РФ 2024646.
Недостатком этих способов и устройств является достаточно низкая адгезия получаемых покрытий к подложке и невозможность осаждения тугоплавких покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов).
Известны устройства для нанесения покрытий в вакууме с помощью источников с протяженным катодом (см. Н.З. Ветров, А. А. Лисенков Вакуумные дуговые источники плазмы протяженной конструкции // Материалы 4-й Международной конференции Вакуумные технологии и оборудование, ХФТИ, Харьков - 2001 г. С.339-342). Недостатком таких устройств является высокий расход материала при производстве протяженного катода и технологическая сложность его изготовления.
Наиболее близким техническим решением к заявленному, является устройство для формирования покрытия на внутренней поверхности трубчатого изделия (Заявка Японии № 2-10860 от 09.03.90), содержащее соединенную с системой откачки вакуумную камеру, средства для поддерживания обрабатьшаемого трубчатого изделия, помещенные в камеру, источник напыления, введенный внутрь обрабатываемого изделия и предназначенный для формирования на его внутренней поверхности напыленного слоя.
Это устройство содержит трубку 1, через которую подают исходный материал для формирования защитного слоя; нить накала 3, которая расположена в области верхнего конца трубки 1; источник 4 нагрева нити накала 3; источник постоянного тока для подачи электрического напряжения между нитью накала 3 и металлической трубкой 1; и источник 9 питания для возбуждения тлеющего разряда между обрабатьтаемой деталью 2.
Термическое разложение газообразного исходного материала, предназначенного для формирования защитной пленки, получают за счет термоэлектронов 5, испускаемых нитью накала 3. В трубке 1, являющейся источником исходного материала, собираются термоэлектроны 5 за счет напряжения постоянного тока, прикладьшаемого между нитью
j, , Z d Z 3
МКИ C23C14/24
накала 3 и трубкой 1. Это вызьшает вьщеление тепла и обеспечивает испарение трубки 1 и вследствие этого на внутренней поверхности обрабатьшаемого изделия 2 формируется покрытие. Контроль подачи исходного материала можно осуществлять путем регулировки потока газообразного материала 7; количество испаряемого материала из металла или проводящего соединения 1 можно контролировать с помощью прикладьшаемой на нить накала 3 мощности, с помощью ускоряющего электроны напряжения 8 , а также за счет изменения диаметра и толщины стенки трубки 1. С помощью источника 9 между трубкой 1 и обрабатьгоаемым элементом возбуждается тлеющий разряд, возбуждается реакщюнный газ 7 и испаряющ ийся материал 6, в результате можно улучшить свойства защитного покрытия. Вместо нити накала 3 могут использоваться электроды 10 для дугового разряда.
Напряжение постоянного тока прикладьюают между электродами 10, расположенными в области переднего конца трубки 1 и за счет этого возникает дуговой разряд 11. Возникающее от этого вьщеление тепла обеспечивает испарение металла или проводящего химического соединения. Или же за счет разложения газообразного исходного материала становится возможным напыление заданного покрытия.
Что касается величины подачи исходного материала, то поток газа 7 или количество испаряемого материала трубки 1 можно регулировать за счет регулировки мопщости, подаваемой на электроды 10 и трубку 1, а также за счет изменения диаметра и толщины стенки трубки 1. Кроме этого с помощью источника 9 возбуждают тлеющий разряд между трубкой 1 и обрабатываемым элементом 2, в результате возбуждается реакционный газ 7 и испаряюпщйся металл 6, улучщаются свойства пленки, в том числе плотность и адгезионная способность.
Согласно прототипу, если есть необходимость нагрева обрабатываемой детали, с помощью нагревательного узла нагревают до расчетной температуры.
Нагревательный узел может содержать датчик температуры, расположенный снаружи трубчатого обрабатываемого элемента; нагреватель; привод для перемещения его в осевом направлении обрабатьтаемого элемента; блок регулировки температуры, размещенный снаружи; источник питания для нагревателя; и блок правления приводом.
Недостатками указанного устройства является технологическая сложность изготовления трубки малого диаметра из тугоплавкого испаряемого материала.
Цель изобретения - упрощение конструкции устройства для нанесения покрытий на внутреннюю цилиндрическую или коническую поверхность изделий.
5,6, один из которых - катод 5 - вьшолнен из распыляемого материала, а параллельно источнику питания дугового разряда 4 подсоединено реле 7 для соединения электродов 5,6 источника напьшения.
На чертеже представлена принципиальная схема, поясняющая работу устройства.
Устройство (см. черт) для формирования покрытия на внутренней поверхности изделия 1, содержащее соединенную с системой откачки вакуумную камеру 2, средства 3 для поддержания обрабатываемого трубчатого изделия, расположенные в камере 1, источник напыления, введенный внутрь обрабатьгоаемого изделия, и источник 5 питания дугового разряда, источник напыления вьшолнен в виде двух встречно расположенных охлаждаемых цилиндрических электродов 5,6, один из которых - катод 5 - вьшолнен из распыляемого материала, а параллельно источнику питания дугового разряда 4 подсоединено реле 7 для соединения электродов 5,6 источника напьшения.
В откачиваемую вакуумную камеру 2 помещено изделие 1, размещенное в держателе 3, изолированном от камеры. Внутрь изделия введены встречно расположенные цилиндрический охлаждаемый анод 6 и цилиндрический охлаждаемый катод 5. Катод снабжен системой поджига, обеспечивающей зажигание дугового разряда между анодом 6 и катодом 5. Изделие охватывается нагревателем 8. Питание электрической дуги осуществляется источником тока 4. Отрицательный электрический потенциал на изделии создается высоковольтным источником 9, подключенным к изделию и к катоду. Реле 7 включено замыкающими контактами параллельно источнику тока 4, размьпсающими контактами - последовательно высоковольтному источнику 9. Для подачи в камеру рабочего газа используется система напуска газа.
Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что подача испаряемого материала осуществляется с охлаждаемого катода цилиндрической формы 5, устройство содержит реле 7, обеспечивающее последовательное проведение очисттси в тлеющем разряде всей внутренней поверхности обрабатьшаемого изделия 1 за счет помещения анода 6 и катода 5 под общий электрический потенциал.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Вакуумная камера 2 с помещенным в нее изделием 1 откачивается до высокого вакуума порядка   мм рт.ст. Изделие прогревается нагревателем 8 до рабочей температуры. В качестве нагревателя может использоваться ТЭН. Затем нагреватель 8 отключается, реле 7 устанавливается в положение А, в камеру 2 подается рабочий газ (азот, аргон, кислород, воздух) до давления 10 - 10 мм рт.ст. Напряжение источника 9 плавно увеличивается до зажигания тлеющего разряда между изделием 1 и соединенными реле 7 анодом 6 и катодом 5. Напряжение увеличивается до 0,5-2 кВ. Изделие вьщерживается в
изделием 1 и соединенными реле 7 анодом 6 и катодом 5. Напряжение увеличивается до 0,52 кВ. Изделие выдерживается в тлеющем разряде 10-30 мин. Затем прекращается подача рабочего газа, в камеру подается реакционный газ (азот, апетилен, аммиак, кислород, метан, пропан). Напряжение источника 10 затем плавно снижается до 200-400 В, реле 7 переключается в положение Б и зажигается дуговой разряд между анодом 6 и катодом 5. Напряжение источника 9 снижается далее до рабочего значения 0-3 ООВ. Электрическое поле, создаваемое источником 9, ускоряет из плазмы дугового разряда ионы испаряемого материала, которые взаимодействуют с реакционным газом и совместно осаждаются на поверхность, формируя покрытие.
Толщина покрытия регулируется величиной тока источника 4, напряжения источника 9 и временем нанесения.
В качестве испаряемого материала используются металлы и сплавы.
Для сокращения времени процесса в качестве нагревателя 8 может быть использован индуктор. Для длинномерных изделий держатель 3 снабжается устройством перемещения изделия 1 вдоль оси анод-катод.
Применение предлагаемого источника с достижением положительного эффекта экспериментально проверено в процессе нанесения вакуумного покрытия на втулку внутренним диаметром 80 мм, толщиной стенки 6 мм и длиной 200 мм из стали 12Х18Н10Т с покрытием нитрида титана - толщина 10 мкм.