УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ ИСПАРЕНИЕМ
DEVICE FOR APPLICATION OF COATING WITH VACUUM-ARC EVAPORATION

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий вакуумно-дуговым испарением и может быть использовано при производстве триботехнических изделий (подшипники скольжения) и металлорежущего инструмента (сменные многогранные пластины, сверла, фрезы) с функциональными покрытиями, полученными с использованием легированных карбидных соединений.
Известно устройство для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением, включающее вакуумную камеру, размещенное внутри нее вращающееся основание, дуговой испаритель, состоящий из кольцевого анода, катода-мишени в виде диска и средство формирования магнитного поля в виде кольцевого постоянного магнита, расположенного по окружности перед катодом-мишенью и кольцевого постоянного магнита-соленоида, размещенного соосно катоду-мишени вне вакуумной камеры. Направление намагничивания магнита-соленоида имеет то же направление, что и у кольцевого постоянного магнита. Напряжение смещения прикладывается между катодом-мишенью и кольцевым анодом и/или вращающимся основанием.
(US 2013098881, В23К 9/00, С23С 14/325, опубликовано 25.04.2013)
Недостатком известного устройства, использующего для генерирования магнитного поля постоянный магнит, является низкая управляемость траектории движения сформированного катодного пятна, в частности, скорости и направления его перемещения, что приводит к снижению качества нанесенного покрытия в результате повышенного образования капельной фазы.
Известно устройство для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением, содержащее катод-мишень, анод, устройство поджига и магнитную систему, состоящую из магнитопровода и двух катушек, расположенных соосно катоду-мишени, при этом электрический ток в катушках имеет противоположное направление, причем в качестве анода используется корпус устройства или установленный соосно катоду-мишени дополнительный электрод, устройство поджига выполнено из электрода поджига и керамической втулки, а также снабжено установленной соосно катоду-мишени электрически изолированной от него и анода нейтральной вставкой.
(RU 2013151829, С23С 14/35, опубликовано 27.05.2015)
Недостатком известного устройства является использование в качестве анода корпуса, в котором размещены все элементы устройства, что приводит к неблагоприятному для процесса испарения катода искажению линий магнитного поля, ведущее к снижению качества наносимого покрытия в результате повышенного образования капельной фазы. Кроме того, устройство достаточно сложно в эксплуатации, что связано с трудоемкостью монтажа катода-мишени и обеспечения его температурного режима эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением, включающее вакуумную камеру, систему доступа к ее внутреннему объему, систему подачи газа, систему управления и систему нанесения покрытия, включающую размещенный снаружи на корпусе вакуумной камеры съемный дуговой испаритель, содержащий водоохлаждаемый катод-мишень в виде диска, размещенный перед ним дисковый анод, устройство поджига дуги в виде электрода, размещенного в теле анода, и двух катушек постоянного магнитного поля, размещенные соосно катоду-мишени и аноду.
(US 9153422, С23С 14/32, С23С 14/35, опубликовано 06.10.2015)
Недостатком известного технического решения является то, что каждая из катушек обеспечивает поддержание катодного пятна в границах определенной зоны и перемещение катодного пятна осуществляется выбором системой управления одной или другой катушки (или сочетания катушек с постоянным магнитом, также используемым в известном техническом решении). Цилиндрическая форма поверхности кольцевого анода, обращенная к катоду-мишени, не обеспечивает оптимальную форму магнитных силовых линий, генерируемых катушками. Кроме того, известное устройство не обеспечивает необходимый температурный режим катода и трудоемко при осуществлении операций монтажа-демонтажа катода-мишени.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание устройства для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением с использованием съемного дугового испарителя, обеспечивающего снижение трудоемкости операций монтажа-демонтажа катода-мишени, а также требуемый температурный режим работы катода-мишени и высокую скорость перемещения катодного пятна по поверхности катода при оптимальной арочной форме магнитного поля.
Технический результат достигают тем, что устройство для нанесения покрытия вакуумно-дуговым испарением включает вакуумную камеру, систему доступа к ее внутреннему объему, систему подачи газа, систему управления и систему нанесения покрытия, включающую соединяемый с вакуумной камерой фланцевым соединением полый цилиндрический корпус вакуумно-дугового испарителя, который снабжен дополнительным концевым фланцем, причем в теле корпуса выполнены изолированный токоввод электрода поджига, изолированный токоввод кольцевого анода, изолированный токоввод катода-мишени, вход и выход воды системы охлаждения, ввод магнитопровода и токовводы магнитных катушек, а в полости корпуса размещены кольцевой анод, дисковый катод-мишень, держатель катода-мишени, две магнитные катушки постоянного тока, размещенные одна за другой соосно катоду-мишени, отличающийся тем, что торец электрода поджига размещен в зазоре между катодом-мишенью и его держателем, кольцевой анод установлен перед дисковым катодом-мишенью и выполнен с трапецеидальным сечением, катод-мишень соединен герметичной пайкой с диском из никелевой фольги, который также герметичной пайкой соединен с держателем катода-мишени, выполненным в виде кольца и снабженным кольцевым уплотнением с корпусом испарителя, внутренний объем корпуса испарителя за диском из никелевой фольги заполнен циркулирующей водой, ввод которой выполнен через магнитопровод в виде полого цилиндра, проходящий через заглушку, соединенной с дополнительным концевым фланцем, причем на магнитопроводе размещены герметизированные магнитные катушки, питаемых постоянным током противоположного направления.
Технический результат также достигают тем, держатель катода-мишени выполнен из изолирующего немагнитного материала и с одного торца снабжен никелевым покрытием; держатель катода-мишени снабжен изолированным отверстием для прохода электрода поджига; между катодом-мишенью и его держателем выполнен воздушный зазор величиной 0,5-2 мм; корпус испарителя с фланцами, а также заглушка выполнены из немагнитной стали.
Изобретение может быть проиллюстрировано примером с использованием фигуры, где:
1 - вакуумная камера;
2 - соединительный фланец;
3 - корпус вакуумно-дугового испарителя;
4 - дополнительный концевой фланец;
5 - токоввод и электрод поджига;
6 - токоввод кольцевого анода;
7 - выход воды системы охлаждения;
8 - кольцевой анод трапецеидального сечения вход воды системы охлаждения;
9 - дисковый катод-мишень;
10 - диск из никелевой фольги;
11 - держатель катода мишени;
12 - место герметичной пайки;
13 - кольцевой уплотнитель;
14 - циркулирующая вода;
15 - полый магнитопровод;
16 - заглушка;
17, 18 - магнитные катушки постоянного тока;
19 - герметик магнитных катушек.
Подготовка устройства по изобретению к работе осуществляют в следующей последовательности. На стенку вакуумной камеры 1 с помощью соединительного фланца 2, снабженного кольцевым уплотнением, устанавливают корпус вакуумно-дугового испарителя 3, выполненного в виде полого цилиндра из немагнитной стали, и снабженного с другой стороны дополнительным концевым фланцем 4 из немагнитной стали. В теле корпуса 3 выполнены отверстия для размещения изолированного токоввода электрода поджига 5, изолированного токоввода кольцевого анода 6, выхода воды системы охлаждения 7, изолированный токоввод катода-мишени (не показано), изолированные токоввода магнитных катушек (не показано).
Затем в полости корпуса 3 размещают токоввод кольцевого анода 6, который известными приемами и приспособлениями делают герметичным. После этого к нему подсоединяют кольцевой анод 8, выполненный с трапецеидальными сечением, таким образом, чтобы был сформирован «раструб» (расширение) по направлению от катода-мишени. Угол наклона плоскости анода, образующей расширение, к плоскости дискового катода-мишени 9 составляет 40-60°.
Перед установкой дискового катода-мишени 9 осуществляют следующие операции. К катоду-мишени 9 кольцевым герметичным швом припаивают диск 10 из никелевой фольги. Затем указанный диск 10 также кольцевым герметичным швом припаивают к торцу держателя 11 катода-мишени 9. Поскольку для обеспечения поджига дуги необходимо чтобы держатель 11 был выполнен из изолирующего немагнитного материала, то его торцевую поверхность - место 12 герметичной пайки, известными способами снабжают никелевым покрытием. Затем в кольцевой паз держателя 11 устанавливают кольцевой уплотнитель 13, обеспечивающий разделение объема вакуумной камеры 1 от объема корпуса 3, заполняемого циркулирующей водой 14, и устанавливают держатель 11 с катодом-мишенью 9 внутрь корпуса 3 таким образом, чтобы было возможным через соответствующие отверстия для прохода в корпусе 3 и держателе 11 ввести внутрь корпуса 3 электрод поджига 5 и разместить его торец в воздушном зазоре величиной 0,5-2 мм между катодом-мишенью 9 и его держателем 11. Такое размещение электрода поджига является удобным для монтажа и обеспечивает надежное зажигание дуги для осуществления процесса нанесения покрытия. После этого соединяют катод-мишень 9 (никелевого диска) с токовводом (не показан). Использование паяного соединения катода-мишени 9 и его держателя 11 с помощью диска из никелевой фольги 10 обеспечивает качественное электрическое соединение с системой электропитания и обеспечивает необходимый тепловой режим работы элементов устройства.
Затем в полость корпуса 3 помещают магнитопровод 15 в виде полого цилиндра, проходящего через заглушку 16 из немагнитной стали. На магнитопроводе 15 размещены изолированные с использованием герметика 19 магнитные катушки 17 и 18, питаемые постоянным током противоположного направления. Размещение магнитных катушек соосно катоду-мишени на магнитопроводе обеспечивает создание на поверхности катода-мишени арочного магнитного поля с управляемым положением арки путем изменения величин токов магнитных катушек (их соотношения). Изменение положение катодного пятна на поверхности катода-мишени и управление скоростью изменения положения (изменение скорости изменения токов в катушках) позволяет равномерно вырабатывать материал катода и снизить количество нежелательной капельной фазы в наносимом покрытии.
Через отверстие полого магнитопровода 15 внутрь корпуса 2 поступает вода для охлаждения элементов испарителя и поддержания требуемого теплового режима работы катода-мишени 9. Электрические выводы магнитных катушек соединяют с их токовводами (не показано), выполненными с корпусе 3. После этого заглушку 16 соединяют с дополнительным концевым фланцем 4 и герметизируют внутренний объем корпуса 3 испарителя.
Внутренний объем корпуса 3 испарителя заполняют водой, путем соединения входа 20 и выхода 6 с системой водоснабжения, и подключают токовводы элементов испарителя к соответствующим устройствам электроснабжения и управления, подключают вакуумную камеру 1 к системам вакуумирования и напуска газа. Через систему доступа к внутреннему объему камеры устанавливают изделие для нанесения покрытия.
Использование устройства по изобретению обеспечит снижение капельной фазы в покрытии, например, на основе нитрида титана, в 5 раз по относительной площади, занимаемой каплями, по сравнению с дуговым испарителем с торцевым цилиндрическим катодом такого же диаметра и толщины без магнитного управления катодным пятном двумя магнитными катушками.
Устройство по изобретения обеспечивает достижение поставленного технического результата: снижает трудоемкость операций монтажа-демонтажа катода-мишени, а также требуемый температурный режим работы катода-мишени и высокую скорость перемещения катодного пятна по поверхности катода при оптимальной арочной форме магнитного поля.