Установка для вакуумно-плазменной обработки изделий в среде рабочего газа

 

Сущностью изобретения является установка для вакуумно-плазменной обработки изделий, в которой загруженная кассета с изделиями устанавливается в технологической зоне загрузки-выгрузки, и над ней располагается шлюзовая камера. С помощью механизма подъема кассета загружается в эту камеру, затем последняя размещается над устройством предварительного нагрева в виде печи. Прогретые изделия поднимаются в шлюзовую камеру, которая устанавливается над рабочей вакуумной камерой и герметично соединяется с ней посредством уплотнения. Откачка камеры производится форвакуумным насосом при закрытых заслонках вакуумного затвора. Совместная откачка рабочей и шлюзовой камер производится электродуговым насосом. После откачки в рабочую камеру подается гелий, и на анод подается напряжение. Нанесение покрытия осуществляют подачей напряжения на распыляемую мишень. Распыленный металл осаждается на изделии. 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке и может быть использовано преимущественно для комплексной обработки режущего инструмента и деталей машин, включающей нанесение на поверхность обрабатываемого изделия слоя упрочняющего металлосодержащего покрытия.

Известна установка для вакуумно-плазменной обработки изделий в среде рабочего газа, содержащая рабочую вакуумную камеру с загрузочным окном для обрабатываемых изделий, средства вакуумной откачки полости рабочей камеры и средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия на поверхность обрабатываемых изделий, включающее несколько катодов с поверхностью испарения и анод электродугового испарителя металла, электрически связанные с источником постоянного тока вакуумно-дугового разряда.

К недостаткам вышеописанной установки типа "Булат" необходимо отнести следующее: большое время получения рабочего давления в вакуумном объеме рабочей камеры (в различных типах установок в зависимости от примененного вакуумного оборудования время колеблется от 0,5 до 1 ч); высокая стоимость относительно мощных откачных средств; наличие микрокапельной фазы; нестабильность характеристик упрочняющих покрытий из-за нестабильности вакуумной среды, вызванной частыми вскрытиями рабочей вакуумной камеры на атмосферу; низкий коэффициент использования испаренного металла (ниже 0,5); сложность электрооборудования, вызванная большим количеством испарительных устройств); большая материалоемкость установки, связанная с большими размерами вакуумной камеры.

В основу заявленного изобретения была положена задача исключения вышеописанных недостатков, т. е. создание установки с малогабаритной рабочей камерой, которая позволяла бы получать высококачественное по физико-механическим свойствам покрытие на обрабатываемых поверхностях изделий и в то же время обеспечивала высокую производительность процесса комплексной обработки изделий, включающей нагрев, ионную очистку, химико-термическую обработку и нанесение упрочняющего покрытия при минимальных энергозатратах.

Поставленная задача решается тем, что установка для вакуумно-плазменной обработки изделий в среде рабочего газа, содержащая рабочую вакуумную камеру с загрузочным окном для обрабатываемых изделий, средства вакуумной откачки полости рабочей камеры и средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия на поверхность обрабатываемых изделий, включающее катод с поверхностью испарения и анод электродугового испарителя металла, электрически связанные с источником постоянного тока вакууумно-дугового разряда, согласно изобретению снабжена автономным устройством предварительного нагрева обрабатываемых изделий, вакуумным затвором с проходным отверстием и заслонкой, по меньшей мере одной шлюзовой камерой с держателем для обрабатываемых изделий или кассеты с изделиями, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси камеры, вакуумный затвор герметично закреплен на рабочей камере в зоне расположения загрузочного окна для обрабатываемых изделий, шлюзовая камера установлена последовательно с вакуумным затвором и разъемно-герметично соединена с последним с возможностью циклического перемещения посредством механизма перемещения из рабочей позиции через технологическую зону разгрузки в позицию предварительного нагрева, при этом средства вакуумной откачки включают в себя электродуговой и форвакуумный насосы, первый из которых установлен со стороны загрузочного окна рабочей камеры перед заслонкой вакуумного затвора, второй посредством магистральной связи соединен с разделенными посредством заслонки вакуумного затвора полостями рабочей и шлюзовой камер установки, кроме того, в качестве катода электродугового испарителя металла функционально использован катод электродугового насоса, средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия на поверхность изделий, дополнительно содержит мишень с распыляемой поверхностью, расположенную по периметру внутренней поверхности рабочей камеры в зоне расположения обрабатываемых изделий и электрически связанную с отрицательным по отношению к электродам электродугового испарителя металла полюсом высоковольтного источника постоянного тока, а катод электродугового испарителя металла установлен вне зоны прямой видимости со стороны анода упомянутого испарителя.

Кроме того, в цепи источника постоянного тока вакуумно-дугового разряда и/или высоковольтного источника постоянного тока может быть установлен балластный резистор. При этом в качестве балластного резистора в электрической цепи источника постоянного тока вакуумно-дугового разряда может быть использован нагревательный элемент автономного устройства предварительного нагрева.

Установка может быть снабжена дополнительным анодом вакуумно-дугового разряда, расположенным в полости шлюзовой камеры в зоне ее глухого торца вне зоны прямой видимости со стороны поверхности испарения катода электродугового испарителя и соединенным с положительным полюсом источника постоянного тока вакуумно-дугового разряда, при этом анод электродугового испарителя и дополнительный анод должны быть соединены с упомянутым источником постоянного тока через переключатель с возможностью поочередного подключения, а установленный в шлюзовой камере держатель для обрабатываемых изделий или кассеты с изделиями соединен с отрицательным полюсом высоковольтного источника постоянного тока через переключатель.

В последнем варианте исполнения установка может быть снабжена дополнительным вакуумным затвором, расположенным между загрузочным окном вакуумной камеры и электродуговым насосом.

По периметру рабочей камеры с ее наружной стороны целесообразно устанавливать три подключенные к трехфазной сети переменного тока электромагнитные катушки, магнитные оси которых следует располагать нормально к продольной оси рабочей камеры.

Рабочую камеру можно выполнять, например, из трех последовательно расположенных и электрически изолированных одна от другой частей, одна крайняя из которых в этом случае является анодом электродугового испарителя, во второй крайней части расположен катод последнего, а мишень установлена в средней части.

При этом средняя часть рабочей камеры может быть выполнена с устройством охлаждения, а мишень установлена в плотном контакте с внутренней поверхностью средней части рабочей камеры.

Катод электродугового испарителя металла целесообразно устанавливать с радиальным смещением относительно осей проходного отверстия вакуумного затвора и загрузочного окна рабочей камеры, а поверхность испарения катода располагать вдоль упомянутых осей.

На фиг. 1 изображен один из конструктивных вариантов выполнения установки; на фиг.2 второй конструктивный вариант выполнения установки; на фиг.3 центральная часть рабочей вакуумной камеры установки с электромагнитными катушками по наружному контуру, вид в аксонометрии; на фиг.4 разрез А-А на фиг.2.

Установка для вакуумно-плазменной обработки изделий (фиг.1) содержит рабочую вакуумную камеру 1 с загрузочным окном для обрабатываемых изделий 2 и патрубком 3, последовательно установленную со стороны патрубка 3 шлюзовую камеру 4, а также автономное устройство 5 предварительного нагрева с нагревательным элементом 6, средства вакуумной откачки, включающие в себя электродуговой 7 и форвакуумный 8 насосы. Электродуговой насос 7 включает в себя катод 9 вакуумно-дугового разряда, электрически связанный с источником 10 постоянного тока и оптически непрозрачную проницаемую для электронов заслонку 11. В полости рабочей вакуумной камеры размещено средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия, которое выполнено в виде анода 12, электрически связанного с положительным полюсом источника 10 постоянного тока, распыляемой мишени 13, подключенной к отрицательному полюсу высоковольтного источника 14 постоянного тока и катода 9 вакуумно-дугового разряда, одновременно являющегося катодом электродугового насоса 7, установленного на патрубке 3. Последовательно с электродуговым насосом 7 со стороны шлюзовой камеры 4 на патрубке установлен вакуумный затвор 15 с заслонкой 16. Форвакуумный насос 8 соединен с полостью рабочей вакуумной камеры 1 посредством двухканальной магистральной связи 17, один из каналов которой выполнена с возможностью его перекрытия заслонкой 18, а другой заслонкой 18'. Обрабатываемые изделия 2 в полости рабочей вакуумной камеры 1 устанавливаются на держателе 19, кинематически связанном с приводом 20 вращения. Патрубок 3 герметично соединен с вакуумной камерой 1, а шлюзовая камера 4 разъемно-герметично соединена с патрубком через кольцевые изоляторы (уплотнения) 21 и 22 соответственно. В полости шлюзовой вакуумной камеры расположены подвижный держатель 23 для обрабатываемых изделий и механизм 24 его подъема. Перемещение шлюзовой камеры 4 из рабочей позиции в технологическую зону разгрузки загрузки и в позицию предварительного нагрева осуществляется посредством механизма 25 перемещения, например, карусельного типа.

В цепи источника 10 постоянного тока вакуумно-дугового разряда и/или высоковольтного источника 14 постоянного тока может быть установлен балластный резистор, функцию которого в изображенных на фиг.1 и 2 конструктивных вариантах установки выполняет непосредственно нагревательный элемент 6 устройства 5 предварительного нагрева, соединенный с источником 14 через переключатель 26.

По одному из вариантов установка (фиг.2) снабжена дополнительным анодом 27 вакуумно-дугового разряда, расположенным в полости шлюзовой камеры 4 в зоне ее глухого торца и соединенным с положительным полюсом источника 10 постоянного тока через переключатель 26. В этом случае держатель 23 для обрабатываемых изделий 2 соединен с отрицательным полюсом высоковольтного источника 14 постоянного тока посредством скользящего контакта 28 через переключатель 29, а дополнительный анод 27 электроизолирован от шлюзовой камеры посредством кольцевого изолятора 30.

Еще по одному варианту исполнения установка (фиг.2) снабжена дополнительным вакуумным затвором 31 с заслонкой 32, расположенным на патрубке 3 между загрузочным окном вакуумной камеры 1 и электродуговым насосом 7.

Кроме того, по периметру рабочей камеры 1 с ее наружной стороны целесообразно устанавливать электромагнитные катушки 33, подключенные к трехфазной сети переменного тока через токоподводы 34.

В качестве анода электродугового испарителя может быть использована крайняя часть 35 вакуумной камеры 1, электроизолированная от средней части посредством изолятора 36.

Для всех вышеописанных вариантов исполнения установки могут быть использованы одна или несколько дополнительных шлюзовых камер 37.

Работа установки, вариант которой изображен на фиг.1, осуществляется следующим образом.

Загруженная кассета с обрабатываемыми изделиями 2 устанавливается в технологической зоне загрузки разгрузки, и над ней располагается шлюзовая камера 4. С помощью механизма 24 подъема кассета загружается в шлюзовую камеру 4, и затем последняя размещается над устройством предварительного нагрева в виде печи, в которую опускается кассета с изделиями 2 для прогрева. Производится прогрев изделий 2 до температуры примерно 150^оС. Прогретые изделия 2 поднимаются в шлюзовую камеру 4. Затем последняя устанавливается над рабочей вакуумной камерой 1 и герметично соединяется с ней посредством уплотнения 22. Производится откачка шлюзовой камеры 4 с помощью форвакуумного насоса 8 при закрытых заслонке 18 и заслонке 16 вакуумного затвора 15 с 760 мм рт.ст. (одной атмосферы) до 10^-2 мм рт.ст. После откачки шлюзовой камеры 4 открывается шлюзовой затвор 15. Совместная откачка рабочей и шлюзовой камер производится электродуговым насосом 7. Поскольку в электродуговой насос 7 не производится напуск атмосферы, то откачка рабочего объема до рабочего давления производится за несколько секунд. После откачки рабочего объема в рабочую камеру подается гелий до давления порядка 1х10^-3 мм рт.ст. и на анод 12 подается напряжение. При этом возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). Далее производят прогрев изделия 2 подачей на него высоковольтного отрицательного потенциала одним из известных способов. Ионы гелия, бомбардируя поверхность изделия 2, прогревают его до температуры от 150 до 500^оС.

При необходимости проведения химико-термической обработки в гелий добавляется азот. Нанесение покрытия осуществляется подачей напряжения на распыляемую мишень 13. Под воздействием ионной бомбардировки мишень 13 распыляется, и распыленный металл осаждается на изделии 2.

Конструктивный вариант установки по фиг.2 работает аналогично варианту по фиг.1. Отличия заключаются в том, что при наличии дополнительных анода 27 и вакуумного затвора 31 имеется возможность перед осуществлением технологического цикла в рабочей вакуумной камере 1 осуществлять ионную очистку поверхности обрабатываемого изделия 2 непосредственно в шлюзовой камере 4. Для этого после откачки шлюзовой камеры 4 перекрывается дополнительный вакуумный затвор 31, открывается вакуумный затвор 15, на дополнительный анод 27 подается положительный потенциал от источника 10 постоянного тока, а в объем шлюзовой камеры запускается аргон до рабочего давления. После чего между катодом 9 и дополнительным анодом 27 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд. При переводе переключателя 29 в положение, обозначенное штриховой линией, на изделие от источника 14 подается высоковольтный отрицательный потенциал. В результате осуществляется полная очистка его поверхности. Электромагнитные катушки 33 в данном варианте исполнения установки используются для повышения однородности покрытия по толщине в положении, когда изделие находится в рабочей камере.

Экспериментальные данные показывают, что заявленная установка позволяет повысить производительность процесса комплексной обработки изделий примерно в 1,5-2 раза при повышении качества обработки, а также снижении энергозатрат и стоимости самой установки за счет использования дешевых комплектующих (откачного и электрооборудования).

Формула изобретения

1. Установка для вакуумно-плазменной обработки изделий в среде рабочего газа, содержащая рабочую ваккумную камеру с загрузочным окном для обрабатываемых изделий, средства вакуумной откачки полости рабочей камеры и средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия на поверхность обрабатываемых изделий, включающее катод с поверхностью испарения и анод электродугового испарителя металла, электрически связанные с источником постоянного тока вакуумно-дугового разряда, отличающаяся тем, что она снабжена автономным устройством предварительного нагрева обрабатываемых изделий, вакуумным затвором с проходным отверстием и заслонкой, по меньшей мере одной шлюзовой камерой с держателем для обрабатываемых изделий или кассеты с изделиями, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси камеры, вакуумный затвор герметично закреплен на рабочей камере в зоне расположения загрузочного окна для обрабатываемых изделий, шлюзовая камера установлена последовательно с вакуумным затвором и разъемно-герметично соединена с последним с возможностью циклического перемещения посредством механизма перемещения из рабочей позиции через технологическую зону разгрузки в позицию предварительного нагрева, при этом средства вакуумной откачки включают в себя электродуговой и форвакуумный насосы, первый из которых установлен со стороны загрузочного окна рабочей камеры перед заслонкой вакуумного затвора, второй посредством магистральной связи соединен с разделенными заслонкой вакуумного затвора полостями рабочей и шлюзовых камер, катод электродугового испарителя металла выполнен в виде катода электродугового насоса, средство генерирования потока металла, используемого для осаждения слоя покрытия на поверхность обрабатываемых изделий, снабжено мишенью с распыляемой поверхностью, расположенной по периметру внутренней поверхности рабочей камеры в зоне размещения обрабатываемых изделий и электрически связанной с отрицательным по отношению к электродам электродугового испарителя металла полюсом высоковольтного источника постоянного тока, а катод электродугового испарителя металла установлен вне зоны прямой видимости со стороны анода испарителя.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в цепи источника постоянного тока вакуумно-дугового разряда и/или высоковольтного источника постоянного тока установлен балластный резистор.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что балластный резистор выполнен в виде нагревательного элемента автономного устройства предварительного нагрева.

4. Установка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным анодом вакуумно-дугового разряда, расположенным в полости шлюзовой камеры в зоне ее глухого торца вне прямой видимости со стороны поверхности испарения катода электродугового испарителя и соединенным с положительным полюсом источника постоянного тока вакуумно-дугового разряда, при этом анод электродугового испарителя и дополнительный анод соединены с упомянутым источником постоянного тока через переключатель с возможностью поочередного подключения, а держатель для обрабатываемых изделий или кассеты с изделиями соединен с отрицательным полюсом высоковольтного источника постоянного тока через переключатель.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным вакуумным затвором, расположенным между загрузочным окном вакуумной камеры и электродуговым насосом.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена тремя подключенными к трехфазной сети переменного тока электромагнитными катушками, установленными по периметру рабочей камеры с ее наружной стороны с расположением магнитных осей катушек нормально к продольной оси рабочей камеры.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена из трех последовательно расположенных и электрически изолированных одна от другой частей, одна из которых является анодом электродугового испарителя, катод последнего расположен в другой части, а мишень установлена в средней части.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что средняя часть рабочей камеры выполнена с устройством охлаждения, а мишень установлена в плотном контакте с внутренней поверхностью средней части рабочей камеры.

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что катод электродугового испарителя металла установлен с радиальным смещением относительно осей проходного отверстия вакуумного затвора и загрузочного окна рабочей камеры, а поверхность испарения катода расположена вдоль упомянутых осей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4