УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛА В ВАКУУМЕ

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к устройствам для нанесения покрытия из расплавленного металла электродуговым напылением в вакууме [C23C 14/22, C23C 14/24].
Из уровня техники известен ДЕРЖАТЕЛЬ С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ СМЕННОЙ МИШЕНИ [DE4223091 (C1), опубл. 01.07.1993], содержащий корпус с углублением в передней части, соответствующее вставленной сменной мишени, охлаждающую пластину, являющуюся центральной и аксиальной по отношению к целевому основанию в держателе и имеющей поверхность, соответствующую геометрии целевого основания, охлаждающая пластина прикреплена к свободно перемещаемому в осевом направлении металлическому сильфону, внутренняя часть которого охлаждается водой.
Также известен ВАКУУМНЫЙ ДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ МЕТАЛЛОВ [RU2530073 (C1), опубл. 10.10.2014], содержащий термоэмиссионный катод и тигель-анод для расположения испаряемого металла, отличающийся тем, что тигель-анод выполнен с ограничивающей диафрагмой, расположенной над испаряемым металлом и имеющей отверстие или сквозной канал, причем ограничивающая диафрагма выполнена из материала с температурой плавления не ниже температуры испарения испаряемого металла.
Недостатком аналогов является низкая эффективность использования испаряемого металла, обусловленная большими геометрическими размерами испаряемого металла и оседанием большой части испаряемого материала на боковых стенках устройств.
Наиболее близким по технической сущности является ВАКУУМНО-ДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО [RU2449513 (C1), опубл. 27.04.2012], содержащее протяженный катод, дугогасящий экран, поджигающий электрод, анод, протяженную магнитную систему, источник питания с балластным сопротивлением, определяющим рабочий ток разряда, отличающееся тем, что в электрическую цепь питания дуги включены аналоговый блок управления, коммутирующее устройство и дополнительные балластные сопротивления, величина которых соответственно определяет ток очистки и разогрева катода, при этом поочередное подключение балластных сопротивлений в цепь питания дуги осуществляется аналоговым блоком управления через коммутирующее устройство при достижении токовыми импульсами дугового разряда заданной длительности на каждом режиме работы испарителя.
Основной технической проблемой прототипа является низкая степень «полезного» использования испаряемого материала, обусловленная непрерывным перемещением катодных пятен по поверхности материала, а также значительными геометрическими размерами катода, что снижает «полезное» использование материала.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение «полезной» доли испаряемого металла, расходуемой для нанесения покрытие на материал.
Указанный технический результат достигается за счет того, что Устройство для распыления металла в вакууме, содержащее вакуумную камеру, катод, анод, источник питания и плату управления, отличающееся тем, тем что вакуумная камера смонтирована на основании с кожухом охлаждения, внутри вакуумной камеры, смонтирована цанга внутри которой зажат катод, выполненный в виде цилиндрического стержня, при этом цанга подвижно опирается своим хвостовиком на ходовую гайку с приводом вращения, выполненным в виде двигателя, подключенного к плате управления двигателем и соединенного с ходовой гайкой ходовым валом, катод, анод и поджигающий электрод соединены силовыми шинами с конденсаторной батареей и импульсным трансформатором и связаны с источником питания и импульсным источником тока, соединенным с платой управления импульсным источником тока.
В частности, кожух охлаждения выполнен с возможностью циркуляции вокруг основания охлаждающей жидкости.
В частности, центральная часть ходового вала выполнена гибкой.
В частности, двигатель выполнен в виде шагового двигателя.
3
3
В частности, катод выполнен в виде цилиндрического стержня длиной l и диаметром d, меньшим его длины l.
В частности, силовая шина между катодом и импульсным источником тока выполнена в виде гибкой цилиндрической шины.
В частности, катод выполнен с объёмом, больше требуемого количества металла на покрытие деталей в одной загрузке вакуумной камеры без разгерметизации последней.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан вид сверху устройства для распыления металла в вакууме.
На фиг.2 показан вид сбоку устройства для распыления металла в вакууме.
На фиг.3 показана структурная схема управления устройством для распыления металла в вакууме.
На фиг.4 показана кинематическая схема подачи металла в камеру распыления.
На фиг.5 показана циклограмма работы источника импульсного тока.
На фигурах обозначено: 1 – анод, 2 – катод, 3 – поджигающий электрод, 4 – шайба-изолятор, 5 – гайка цанги, 6 – цанга, 7 – трубка керамическая, 8 – кольцо-контакт, 9 – экран, 10 – шина высоковольтная, 11 – винт, 12 – кольцо-прижим, 13 – изолятор, 14 – основание, 15 – кожух охлаждения, 16 – высоковольтный изолятор, 17 – прижим высоковольтного изолятора, 18 – гильза-контакт, 19 – гайка левая, 20 – прижим, 21 – стержень-контакт, 22 – гибкая цилиндрическая шина, 23 – прижим шины, 24 – гайка правая, 25 – корпус ходовой гайки, 26 – стопор, 27 – кольцо, 28 – провод высоковольтный, 29 – крышка, 30 – гайка, 31 – гайка ходовая, 32 – корпус опоры, 33 – гибкая сильфонная труба, 34 – ниппель, 35 – накидная гайка, 36 – уплотнение, 37 – опора-штуцер, 38 – труба напорная гибкая, 39 – контргайка, 40 – ходовой вал, 41 – шайба скольжения вала, 42 – первая опора скольжения, 43 – внешнее кольцо-прокладка, 44 – трубка направляющая, 45 – внутреннее кольцо-прокладка, 46 – юбка анода, 47 – вторая опора скольжения, 48 – шайба скольжения, 49 – шестерня малая конического зацепления, 50 – гайка, 51 - шестерня большая конического зацепления, 52 – шайба, 53 – гайка, 54 – шпилька, 55 – гайка малая, 56 – шайба малая, 57 – вторая шайба скольжения, 58 – третья опора скольжения, 59 – стопорные шпильки, 60 – двигатель, 61 – опора двигателя, 62 – цилиндрическая передача, 63 – ограничитель хода, 64 – ввод вращения в вакуум, 65 – гибкий вал, 66 – муфта, 67 – корпус вакуумной камеры, 68 – устройство распыления металла в вакууме, 69 – источник питания, 70 – цифровой амперметр, 71 – конденсаторная батарея, 72 – импульсный трансформатор, 73 – плата управления импульсным источником тока, 74 – плата управления двигателем, 75 – импульсный источник тока.
Осуществление полезной модели
Устройство для нанесения металла в вакууме содержит анод 1, выполненный в виде полого металлического цилиндра (см.Фиг.1). С внешней стороны анода 1 перпендикулярно внешней цилиндрической поверхности выполнена юбка анода 46 с отверстиями (на фигурах не показаны) через которые винтами 11 с помощью кольца-прижима 12 смонтировано основание 14 с керамическим изолятором 13 образующие камеру устройства для распыления металла в вакууме 68. Поверх основания 14 выполнен герметичный кожух охлаждения 15 с возможностью циркуляции в кожухе 15 вокруг основания 14 охлаждающей жидкости. В канале основания 14, образованным вваренным кольцом 27 смонтирован высоковольтный провод 28. Снаружи основания 14 высоковольтный провод 28 через вакуумный гермоввод (на фигурах не показан) соединен с выходом вторичной обмотки импульсного трансформатора 72, а его первичная обмотка подключена к импульсному источнику тока 75 (см.Фиг.3). К внутреннему концу высоковольтного провода 28 смонтирован стержень-контакт 21 к которому через гильзу-контакт 18 подсоединена высоковольтная шина 10, проложенная в высоковольтном изоляторе 16, зафиксированном в основании 14 прижимом высоковольтного изолятора 17. На высоковольтном изоляторе 17 смонтирован экран 9. Другой конец высоковольтной шины 10 присоединен к кольцу-контакту 8. К внутренней поверхности кольца-контакта 8 смонтирована керамическая трубка 7. Поверх кольца-контакта 8 между анодом 1 к экрану 9 смонтирован поджигающий электрод 3, выполненный в виде гайки, внутри поджигающего электрода 3 смонтирована шайба-изолятор 4. Внутри основания 14 смонтирована цанга 6 внутри которой с помощью гайки цанги 5 зафиксирован катод 2. К цанге 6 через прижим 20 и гайку левую 19 присоединена плетеная гибкая шина 22 цилиндрической формы. Второй конец гибкой шины 22 присоединен к корпусу ходовой гайки 25 прижимом шины 23 и гайкой правой 24. В корпусе ходовой гайки 25 выполнено радиальное отверстие (на фигурах не показано) в которое смонтирован стопор 26 с возможностью предотвращения прокручивания цанги 6 внутри основания 14. Поверх корпуса ходовой гайки 25 смонтирована крышка 29 которая зафиксирована на корпусе ходовой гайки 25 гайкой 30. Внутри корпуса ходовой гайки 25 смонтирована ходовая гайка 31, которая с помощью большой и малой шестерен конического зацепления 49 и 51 (см.Фиг.2) соответственно связана с ходовым валом 40. Ходовой вал 40 опирается на первую и вторую опоры скольжения 42 и 47 соответственно, смонтированные в корпусе опоры 32. Малая шестерня 49 зафиксирована на ходовом валу 40 гайкой 50, а большая шестерня 51 зафиксирована на ходовой гайке 31 гайкой 53 через шайбу 52. К первой опоре скольжения 42 ходовой вал 40 прижат контргайкой 39 через шайбу скольжения вала 41. Корпус опоры 30 соединен с основанием 14 разъемным соединением с помощью шпильки 54, шайбы 55 и гайки 56. Для уменьшения силы трения между малой шестерней конического зацепления 49 и второй опорой скольжения 47 смонтирована шайба скольжения 48. Большая шестерня конического зацепления 51 опирается через вторую шайбу скольжения 57 на третью опору скольжения 58. Первая, вторая третья опоры скольжения 42, 27, 58 зафиксированы в корпусе опоры 32 стопорными шпильками 59.
К отверстию в верхней части основания 14 смонтирована опора-штуцер 37 к которой с помощью накидной гайки 35 смонтирован ниппель 34. На ниппель 34 надета гибкая сильфонная труба 33. Между опорой-штуцером 37 и ниппелем 34 кольцевое резиновое уплотнение 36. Через гибкую сильфонную трубу 33, ниппель 34, опору-штуцер 37 и направляющую трубку 44, смонтированную в кожухе 15 и основании 14 смонтирована напорная гибкая труба 38. Направляющая трубка 44 размещена в кожухе охлаждения 15 и основании 14 с помощью внешнего 43 и внутреннего 45 колец -проставок.
Анод 1 и катод 2 соединены с конденсаторной батареей 71. Входные контакты конденсаторной батареи 71 соединены через цифровой амперметр 70 с источником питания 69.
Поджигающий электрод 3 соединена с выходом вторичной обмотки импульсного трансформатора 72, другой провод этого выхода заземлен. Первичная обмотка импульсного трансформатора 72 соединена с импульсным источником тока 75, создающий следующие с некоторой частотой токовые импульсы. Работа импульсного источника тока 75 контролируется (начало, продолжительность работы, частота повторения) платой управления 73. Другой выход платы управления 73 соединен с платой управления двигателем 74. К плате управления двигателем 74 подключен двигатель 60. На вход платы управления 73 поступает цифровой сигнал токового амперметра 70.
Устройство для распыления металла в вакууме используют следующим образом.
1
В исходном состоянии перед началом работы испаряемый стержень - катод 2 максимально выдвигают из цанги 6 на величину максимального хода ходового вала 40 l, так что торец катода 2 находится на срезе шайбы-изолятора 4, при этом цанга 6 находится в крайнем правом положении, а гибкая цилиндрическая шина 22 максимально сжата. Включают источник питания 69 и заряжают конденсаторную батарею 71. От конденсаторной батареи 71 подают постоянное дежурное напряжение на анод 1 и одновременно с этим подают импульсы тока на импульсный трансформатор 72 от которого генерируемые высоковольтные импульсы подают между катодом 2 и поджигающим электродом 3. Разряд поджигают высоковольтной искрой, энергией 0,5-1 Дж и напряжением ~10 кВ, которая пробивается по поверхности шайбы-изолятора 4 между поджигающим электродом 3 и катодом 2. На торце катода 2 группируется серия катодных пятен, в которых происходит испарение материала катода 2, при этом между торцом катода 2 и анодом 1 формируется плазменное облако, которое выбрасывается в вакуумный объём. Пар металла конденсируют на поверхности обрабатываемой детали (на фигурах не показана) и создают пленку металла. Процесс испарения имеет повторяющийся импульсный характер. Время горения дуги в импульсе подбирают таким образом, что катодные пятна размещают на всей поверхности торца катода 2, дуга горит стабильно, так что торец катода 2 постепенно испаряется и углубляется в отверстие шайбы-изолятора 4.
1
По мере испарения материала катода 2 на глубину порядка l=0,7-1,0 мм от торца шайбы- изолятора 4 стабильность горения разряда и выход пара металла снижаются. Масса испаренного материала пропорциональна количеству электричества или прошедшему через цепь электрическому заряду Q. Эта характеристику измеряют цифровым амперметром 70 по величине тока, который идет на зарядку конденсаторной батареи 71. С выхода цифрового амперметра 70, через специальный интерфейс передают двоичный код на плату управления импульсным источником тока 73 в которой производят интегрирование по времени зарядного тока и определение прошедшего электрического заряда Q.
1
1
При достижении прошедшего заряда Q значения Q соответствующего испарению мишени на длину l, проводят коррекцию положения зоны испарения Для этого с платы управления импульсным источником тока 73 подают сигналы на отключение импульсного источника тока 75 и на вход платы управления двигателем 74 с которой управляющий сигнал подают на двигатель 60, запускающий вращение ходового вала 40 и выполняют заданное количество оборотов ходового вала 40. За счет поступательного движения цанги 6, связанной через ходовую гайку 31 большой 51 и малой 49 шестернями конического зацепления с ходовым валом 40 осуществляют подачу вперед катода 2. Далее плата управления импульсным источником тока  73 включает работу импульсного источника тока 75 и повторяют распыление материала катода 2.
2
2
1
По достижению значения прошедшего заряда Q катод 2 испаряется на длину, когда не возможна выборка длины выноса катода 2 из цанги 6 и необходима остановка рабочего процесса и установка катода 2 в исходное положение торца катода 2 по отношению к цанге 6. С платы управления импульсным источником тока 73 подают команду о необходимости проведения данной процедуры. Для дальнейшей работы выдвигают катод 2 из цанги 6 на длину l для чего подают воздух в корпус вакуумной камеры 67. После чего последовательно демонтируют поджигающий электрод 3, шайбу-изолятор, 4. Ослабляют гайку 5 цанги 6 выдвигают катод 2 на длину l и затягивают гайку 5 цангу 6. После этого монтируют шайбу-изолятор-4 и поджигающий электрод 3.
3
При достижении значения Q прошедшего заряда из платы управления импульсным источником тока 73 подают команду на выполнение операции по замене катода 2.
2
2
3
В процессе работы плата управления импульсным источником тока 73 проводит корректировку положения катода 2 в автоматическом режиме пока испаряющаяся длина l∙l. В плате управления импульсным источником тока 73 высчитывают процентную долю длины катода 2, как по отношению l так и по отношению длины l и сигнализируют об этих показателях для принятия оперативных решений.
1
2
2
3
3
Технический результат - повышение «полезной» доли испаряемого металла, расходуемой для нанесения покрытие на материал достигается за счет того, что катод 2 выполнен из стержня длиной l3 и диаметром d, причем d<<l3, а объём катода 2 много больше потребного количества металла на покрытие деталей в одной загрузке вакуумной камеры без разгерметизации последней, катод 2 выполнен с возможностью движения по оси с помощью привода вращения, содержащего двигатель 60, соединенного с цангой 6 зажимающей катод 2 через ходовой вал 40, при этом двигатель 60 выполнен с возможностью управления плата управления двигателем 74 в которой после получения двоичного кода с выхода цифрового амперметра 70 импульсного источника тока 75 о значении суммарного электрического заряда Q при Q = Q1, соответствующего суммарному заряду при испарении катода 2 на длину l автоматически корректируют положения торца катода 2, при Q = Q, соответствующего суммарному заряду при испарении катода 2 на длину lдает команду на ручную установку выноса торца катода 2, а при Q=Q, соответствующего суммарному заряду при испарении катода 2 на длину lдает совет оператору на ручную замену оставшегося катода 2, не подлежащей дальнейшей эксплуатации, при этом оставшаяся длина катода 2 не превышает 10 % от его первоначальной длины.