Устройство для нанесения покрытий на протяжные гибкие изделия

 

Сущностью изобретения является устройство для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия катодным распылением в газовой среде при низком давлении. Вакуумная камера 8 с секциями 8а соединена с внутренними полостями удлиненных цилиндрических катодов 2 электродных узлов, которые установлены перпендикулярно камере и электрически от нее изолированы. Катоды 2 установлены между цилиндрическими анодами 3 соосно и отделены от них экранами 5, размещенными на изолирующих элементах 4. В вакуумной камере размещен узел транспортировки изделий с подающими и приемными элементами, между которыми установлен узел подачи газа. Вокруг катода 2 установлен с возможностью перемещения вдоль и вокруг его продольной оси узел для создания магнитного поля, влияющий на распыление материала катода и состоящий из дисков 12 и постоянных магнитов 13. 3 з.п.ф., 3 ил.

Изобретение относится к технике нанесения покрытий на изделия, а точнее к устройству для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия (проволоку, волокно, нить) катодным распылением в газовой среде при низком давлении.

Известно устройство для нанесения металлического покрытия на металлические изделия путем непрерывного распыления материала покрытия на поверхность движущейся горизонтально стальной ленты, которое содержит две вакуумные камеры, одна из которых для распыления, а другая для нагрева ленты, через них протягивают стальную ленту посредством узла транспортировки с подающими и приемными элементами, на которую наносят покрытие из алюминия [1] Однако данное устройство предназначено лишь для покрытия металлических лент металлом, и при применении его для покрытия проволоки будут большие потери напыляемого материала из-за небольшой площади поперечного сечения проволоки. Устройство непригодно для покрытия волокон и нитей, в нем также ограничен спектр применяемых материалов.

Протяженные гибкие изделия могут быть покрыты газофазным и вакуумным осаждением. Известно устройство для покрытия провода тугоплавким металлов путем непрерывного транспортирования проволоки вдоль оси камеры в вертикальном направлении [2] Оно содержит камеру для нанесения покрытия с отверстиями для входа и выхода смеси газов, узел транспортировки проволоки с подающими и приемными элементами, источник электропитания, подключенный к контактам камеры нанесения покрытия, для нагревания проволоки.

Такое устройство характеризуется узким диапазоном его использования, т. к. оно непригодно для нанесения покрытия на неэлектропроводящие нить или волокно. Кроме того, газофазное осаждение покрытий на проволоку имеет меньшую производительность по сравнению с вакуумным.

К устройствам для вакуумного осаждения покрытий относится магнитронное распыляющее устройство, состоящее из электродного узла с полым продольным цилиндрическим катодом и анодами вблизи него [3] Внутренняя поверхность катода покрыта распыляемым материалом. Устройство содержит магнитные средства, охватывающие полый продольный катод и установленные неподвижно. Напыление производится на движущуюся горизонтально плоскую подложку, расположенную вне внутренней полости катода, через отверстие в стенке катода. Такое устройство характеризуется уменьшением потерь покрывающего материала и более равномерным расходованием катода за счет введения магнитных средств.

Однако описанное устройство предназначено для нанесения покрытия на плоскую подложку, которая ввиду своих размеров не может быть введена во внутрь катода, чем снижается скорость напыления и производительность устройства.

Известно также электродное разрядное устройство для распыления материалов на протяжные гибкие изделия, например, проволоку, транспортируемую горизонтально в газовой среде при давлении 13,2 Па и ниже [4] Оно содержит электродный узел, состоящий из полого удлиненного цилиндрического катода, расположенного между двумя установленными с ним соосно цилиндрическими анодами, а также из изолирующих элементов, размещенных между катодом и анодами. Внутренняя поверхность катода покрыта распыляемым материалом. Устройство также содержит магнитные средства для создания внутри катода магнитных силовых линий, параллельных его продольной оси. Магнитные средства охватывают электродный узел и выполнены в виде неподвижно установленных катушей на ферромагнитных платах. Внутренняя полость катода сообщена с внутренней полостью вакуумной камеры, в которой устанавливают средства для транспортировки покрываемых изделий, включающие подающие и приемные элементы. В устройстве предусмотрены средства для подачи газа и источник электропитания, подключенный к электродному узлу.

Данное устройство является наиболее близким техническим решением к заявляемому и принято за прототип.

Однако описанное устройство имеет низкую производительность, т.к. проволоку протягивают горизонтально, и за один ее проход через катод невозможно обеспечить требуемую толщину покрытия. Ввиду того, что в устройстве магнитные средства неподвижны относительно катода и в связи со значительной протяженностью катода, происходит неравномерный износ материала катода, т.к. расстояние от середины катода больше расстояний между катодом и каждым из анодов.

Данное устройство имеет также низкий ресурс работы, т.к. в нем отсутствуют средства, защищающие изолирующие элементы между катодом и анодами от напыляемого покрытия. Целью изобретения является создание устройства для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия путем катодного распыления с таким взаимным расположением электродных узлов, вакуумной камеры для узла транспортировки протяженных гибких изделий, узла подачи газа и узла для создания магнитного поля, а также таким их конструктивным выполнением, при котором обеспечивалась бы возможность нанесения покрытий равномерной толщины с малыми потерями напыляемого материала на вертикально протягиваемые изделия.

Это достигается тем, что устройство для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия включает электродный узел, состоящий из полого удлиненного цилиндрического катода, двух цилиндрических анодов и изолирующих элементов, расположенных между катодом и анодами. Катод расположен между анодами соосно с ними. Также устройство включает узел для создания магнитного поля, охватывающий цилиндрический катод, вакуумную камеру, сообщающуюся с внутренней полостью катода, для размещения узла транспортировки протяженных гибких изделий с подающими и приемными элементами, узел подачи газа и источник электропитания для подключения к электродному узлу.

Цель достигается также тем, что электродный узел установлен перпендикулярно вакуумной камере и электрически изолирован от нее, узел для подачи газа установлен между подающими и приемными элементами узла транспортировки протяженных гибких изделий, устройство содержит дополнительные электродные узлы, установленные в линию один за другим и/или параллельно друг другу и электрически изолированные экраны с внутренней цилиндрической полостью, установленные между катодом и анодами на изолирующих элементах, при этом диаметр внутренних полостей экранов больше диаметра внутренней полости катода и меньше диаметра внутренних полостей анода.

Вакуумная камера состоит из секций, а узел для создания магнитного поля установлен подвижным вдоль и вокруг продольной оси катода.

Отличительной особенностью устройства является введение в электродный узел электрически изолированных экранов с внутренними цилиндрическими полостями, установленными между катодом и анодами соосно с ними. Это необходимо для обеспечения стабильного горения разряда и воспроизводимости результатов, т. к. геометрия внутренних поверхностей катода, анодов и электрически изолированных экранов определяет параметры разряда, использующегося для напыления изделий.

Отличием также является то, что диаметр внутренних полостей электрически изолированных экранов больше диаметра внутренней полости катода и меньше диаметра внутренних полостей анодов, это необходимо для обеспечения затенения изолирующих элементов со стороны оси катода и увеличения ресурса работы устройства, который в большой степени зависит и от запыляемости изолирующих элементов. Для этих же целей катод, аноды и электрически изолированные экраны выполнены разъемными, а диаметры их внутренних полостей меньше диаметра изолирующих элементов.

Устройство отличается введением в него дополнительных электродных узлов, установленных перпендикулярно секциям вакуумной камеры и электрически изолированных от ее секций. Это объясняется тем, что для осаждения покрытий на изделия желательно иметь высокие скорости генерации осаждаемого материала, которые обеспечиваются вакуумными разрядами, но в силу протяженности зоны напыления изоляции электродных узлов от вакуумной камеры с одновременным о обеспечением их надежной работы отсутствием пробоев) затруднена. Поэтому надежнее использовать несколько электродных узлов и поддерживать вакуумные разряда между ними.

Перпендикулярное расположение электродных узлов относительно секций вакуумной камеры объясняется необходимостью транспортировки изделий строго вертикально или в зоне, ограниченной радиусом, равным 0,2 радиуса катода, расположенной вдоль и симметрично оси катода, т.к. от этого зависит равномерность покрытия изделий. При перемещении изделий с отклонением от вертикали больше указанного затруднена транспортировка изделий из-за их провиса, падает равномерность напыления, появляются дополнительные нагрузки в транспортном узле из-за необходимости дополнительных усилий для увеличения натяжения изделий.

Установка узла подачи газа между подающими и приемными элементами узла транспортировки изделий связана с повышением качестве покрытия и с защитой узла транспортировки от напыления за счет направления потока смеси газов из узла подачи через внутренние полости катодов в секции вакуумной камеры. Качество покрытия повышается за счет снижения количества примесей, попадающих в покрытие во время напыления из узлов транспортировки, т.е. поток смеси газов препятствует попаданию этих примесей во внутренние полости катодов.

В устройстве узел для создания магнитного поля представляет собой диски из материала с большой магнитной проницаемостью, охватывающие катод, с расположенными между ними постоянными магнитами с поочередно меняющейся полярностью. Для перевода разряда в магнетронный режим горения необходимо у поверхности катода создать арочное магнитное поле, для этого служат упомянутые диски, намагничиваемые постоянными магнитами. При длительной работе устройства необходимо создать перемещение арочного магнитного поля относительно поверхности катода. В силу неравномерности намагничивания дисков постоянными магнитами перемещают узел для создания магнитного поля вдоль и вокруг продольной оси катода для равномерного покрытия изделий и равномерного расхода материала катода.

Электродные узлы в устройстве могут быть установлены в линию один за другим. Это связано с тем, что при обработке тонких изделий и изделий с малой механической прочностью существенным для безобрывной протяжки при напылении становятся напряжения, возникающие в узле транспортировки, поэтому необходимо свести к минимуму число элементов узла транспортировки путем размещения электродных узлов в одну линию.

Катодные узлы устанавливают параллельно друг другу для увеличения производительности устройства.

Секционность вакуумной камеры определяется множеством электродных узлов.

На фиг. 1 изображена схема устройства для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия (проволоку, волокно, нить); на фиг. 2 схематичное изображение электронного узла; на фиг. 3 изображение узла для подачи газа.

Устройство для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия 1 проволоку, волокно, нить) включает электродные узлы А, состоящие из полого удлиненного цилиндрического катода 2, полых цилиндрических анодов 3 и изолирующих элементов 4, электрически изолированных экранов 5 с цилиндрической внутренней полостью, установленных между катодом 2 и анодами 3 на изолирующих элементах 4. Катод 2, аноды 3, изолирующие элементы 4, экраны 5 установлены соосно относительно друг друга. Устройство также содержит узел В транспортировки изделий 1, включающий приемные 6 и подающие 7 элементы, например ролики, катушки, вакуумную камеру 8 с установленными перпендикулярно электродным узлам секциями 8а, электрически изолированными от них и предназначенными для размещения элементов 6, 7 узла транспортировки. Внутренние полости электродных узлов и секций 8 а вакуумной камеры 8 сообщены между собой.

Узел С для подачи газа в устройство состоит из корпуса 9 с термосопротивлением 10 и иглы 11 и установлен между приемными 6 и подающими 7 элементами узла транспортировки. Корпус 9 выполнен из материала с большим коэффициентом расширения, а игла 11 из материала с малым коэффициентом расширения, что позволяет перемещать иглу 11 в корпусе 9 за счет их нагрева или охлаждения. Термосопротивление 10 служат для контроля температуры корпуса 9 и одновременно датчиком обратной связи с устройством управления (не показано).

Устройство содержит узел для создания магнитного поля, состоящий из трех и более дисков 12 из материала с большой магнитной проницаемостью, соосно установленных относительно оси катода 2, и постоянных магнитов 13, расположенных между ними с поочередно меняющейся полярностью диски 12 с постоянными магнитами 13 перемещаются вдоль и вокруг продольной оси катода 2.

Катод 2, аноды 3, экраны 5 представляют собой разъемные цилиндры, кроме того, внутренний диаметр цилиндра катода 2 выбирают из расчета 0,01-0,5 м, а соотношение его длины к внутреннему диаметру больше двух. Катод 2 размещен между анодами 3.

Длину образующих цилиндров анодов 3 и экранов 5 выбирают из расчета обеспечения затенения изолирующих элементов 4 от распыляемого материала катода 2.

Источник 14 электропитания предназначен для подключения к электродному узлу для создания потенциала на поверхности катода 2.

Устройство для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия работает следующим образом.

Протяженные гибкие изделия 1 (проволоку, волокно, нить), на которые наносится покрытие, устанавливают на ролики 6 и 7 узла в транспортировки, откачивают секции 8 а вакуумной камеры 8, нагревают узел С для подачи газа, который открывается, и во внутреннюю полость катода поступает смесь газов, стабильность которой обеспечивается за счет контроля температуры узла для подачи газов термосопротивлением 10. С помощью источника 14 электропитания создается потенциал на поверхности катода 2. Электрический разряд в полом катоде 2 поддерживают в заданном диапазоне мощности, например, 1000 Вт.

Для полного использования материала катода 2 он установлен между анодами 3, а для увеличения времени непрерывной работы устройства аноды 3 отделены от катода 2 электрически изолированными экранами 5. Изолирующие элементы 4 установлены для электроизоляции и уплотнения на вакуум.

Для увеличения производительности узел для создания магнитного поля с дисками 12 и постоянными магнитами 13 во время нанесения покрытия перемещается относительно катода 2. За счет существования вакуумного разряда, горящего в полом катоде 2, переведенного для увеличения производительности в магнетронный режим, на изделиях 1 формируется сплошное покрытие из материала катода с хорошей равномерностью по толщине и длине изделия 1.

Для стабильной работы полого катода 2 в магнетронном режиме давление смеси газов в электродном узле А поддерживают в диапазоне 10 0,01 мм рт.ст. при этом повышаются скорость генерации паров материала катода 2 и стабильность характеристик устройства.

В процессе напыления изделия 1 транспортируют вдоль оси катода 2 в вертикальном направлении со скоростью 0,01- 20 м/мин. Диапазон выбран из следующих соображений. При скорости менее 0,1 м/мин существенным является нагрев изделий, что приводит к частым его обрывам. Кроме того, при таких скоростях устройство малопроизводительно. При скоростях транспортировки более 20 м/мин сложно устранить вибрацию изделий и трудно обеспечить приемлемые скорости генерации напыляемого материала даже для минимальной толщины покрытий.

Улучшения качества покрытий и увеличения скорости напыления можно достичь в данном устройстве путем подачи в полость катода 2 смеси газов, так при подаче смеси аргона и ксенона возрастает скорость напыления, добавка к смеси аммиака приводит как к увеличению скорости напыления, так и к улучшению качества покрытия, добавка гелия улучшает качество за счет снижения пористости и т.д.

Рабочий газ после выхода его из вакуумной камеры 8 собирают и вновь подают во внутреннюю полость катода 2.

При работе устройства по принципу разряда с полым катодом из-за перенапыления материала со стенки на стенку большое значение имеет чистота материала катода из-за газоотделения при перенапылении материала и чистота используемого газа, так как при многократном перенапылении материала даже незначительные примеси активных газов, таких как кислород и азот, оказывают значительное влияние на химический состав получаемых покрытий. С другой стороны, газ после прохождения полости катода 2 очищается от активных примесей за счет адсорбции из перенапыляемым материалом катода. Очищенный газ целесообразно использовать вновь для работы. Кроме того, при работе с дорогими газами, такими как гелий, криптон, ксенон, немаловажным фактором является их экономия.

В смеси газов могут быть инертные и активные газы. Это позволяет получить различные типы изолирующих, износостойких или декоративных покрытий. Так, подавая в полость катода кислород, можно получать изолирующие или износостойкие покрытия на основе окислов. При использовании катода из алюминия получаемые покрытия хорошо работают и на изоляцию и на износ, при использовании азота в качестве активного газа можно получать декоративные покрытия из нитрида титана и т.д.

При нанесении покрытий на токопроводящие изделия появляются дополнительные возможности по их обработке. Так, чтобы провести термообработку изделий, достаточно подать на них положительный потенциал относительно плазмы. Тогда за счет бомбардировки электронами плазмы, изделия будут нагреваться, степень нагрева можно регулировать путем изменения величины потенциала. При подаче на изделия 1 отрицательного потенциала они подвергаются ионной бомбардировке, что тоже приводит к их нагреву, но поскольку подвижность электронов в плазме на три порядка больше, чем у ионов, нагрев изделий ионами менее эффективен, чем электронами. С другой стороны, ионная бомбардировка позволяет проводить ионную очистку изделий и напыление покрытий с одновременной бомбардировкой их ионами, что позволяет улучшить адгезионные характеристики покрытий и их сплошность.

Формула изобретения

1. Устройство для нанесения покрытий на протяженные гибкие изделия, включающее электродный узел, состоящий из полого удлиненного цилиндрического катода, двух цилиндрических анодов, установленных с торцов катода соосно с ним, и из изолирующих элементов, установленных между катодом и анодами, узел для создания магнитного поля, охватывающий цилиндрический катод, узел транспортировки протяженных гибких изделий с подающими и приемными элементами, сообщающуюся с внутренней полостью катода вакуумную камеру для размещения узла транспортировки протяженных гибких изделий, узел для подачи газа и источник электропитания для подключения к электродному узлу, отличающееся тем, что оно снабжено электрическими изолированными экранами с внутренними цилиндрическими полостями, установленными между катодом и анодами на изолирующих элементах, и дополнительными электродными узлами, электрически изолированными от вакуумной камеры и установленными перпендикулярно ей, узел подачи газа установлен между подающими и приемными элементами узла транспортировки протяженных гибких изделий, узел для создания магнитного поля установлен с возможностью перемещения вдоль и вокруг продольной оси катода, причем диаметр внутренних полостей электрически изолированных экранов больше диаметра внутренней полости катода и меньше диаметра внутренних полостей анодов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительные электродные узлы установлены в линию один за другим.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что дополнительные электродные узлы установлены параллельно друг другу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумная камера выполнена в виде секций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3