Электродуговой испаритель металлов

 

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на внутренние поверхности изделий. Решаемая задача: нанесение однородного равного по толщине покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны. Электродуговой испаритель металлов содержит вакуумную камеру с анодом, расположенным в нем катодом электродугового разряда, выполненным в виде цилиндра из испаряемого материала, размещенную в камере обрабатываемую деталь, блок управления с программируемым устройством и источниками постоянного тока, катушку с двумя соленоидами, при этом блок управления снабжен регулируемым источником тока, блоком обратной связи и блоком задержки, катод выполнен немагнитным в виде пустотелого цилиндра, в полости которого установлена протяженная катушка с двумя соленоидами, электрически связанными с выходами регулируемого и второго постоянного источников тока, а анод выполнен немагнитным в виде вертикальных пластин, расположенных по окружности на основании камеры вдоль катода, соответствующих его длине. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано в различных отраслях промышленности для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на внутренние поверхности изделий, в частности на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны (например, цилиндров, открытых только с одной стороны, внутренние поверхности конических, параболических, шарообразных тел вращения).

Известен электродуговой испаритель материалов, содержащий цилиндрический катод, анод и систему сканирования катодного пятна, выполненную в виде двух соленоидов [1].

Это устройство позволяет управлять перемещением катодного пятна за счет магнитного поля, создаваемого соленоидами. Однако его невозможно использовать для нанесения покрытий на внутренние поверхности тел вращения из-за размещения управляющих соленоидов соосно катоду с обеих его сторон.

Известно устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных цилиндрических изделий, содержащее катод, анод и вакуумную камеру с обрабатываемой деталью [2].

Это устройство позволяет наносить равномерные покрытия на внутренние поверхности изделий только малого диаметра и малой длины и непригодна для нанесения равномерных покрытий на внутренние поверхности изделий больших диаметров и длин из-за сложности конструкции. А также существует необходимость использования защитного молибденового экрана.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является электродуговой испаритель металлов, содержащий вакуумную камеру с анодом, с расположенным в нем катодом электродугового разряда в виде цилиндра, выполненного из испаряемого материала, и с размещенной в ней обрабатываемой деталью, и блок управления с программируемым устройством и источниками постоянного тока [3].

Катод имеет поверхность испарения, вытянутую вдоль своей продольной оси. Он содержит соответственно на своих торцах токоподводы, электрически связанные с блоком управления и с отрицательным полюсом первого источника постоянного тока, положительный полюс которого соединен с анодом.

Электродуговой испаритель содержит также электрически связанное с блоком управления средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода, выполненное в виде датчика текущего положения катодного пятна.

Этот испаритель металлов обеспечивает стабильное управление положением катодного пятна на поверхности испарения катода при образовании на поверхности испарения катода неэлектропроводящих соединений, что в свою очередь обеспечивает однородную обработку по всей поверхности обрабатываемого изделия. Однако расположение токоподводов с противоположных торцов катода не дает возможности наносить покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Решаемая данным изобретением задача - нанесение однородного равного по толщине покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Сущность изобретения заключается в том, что электродуговой испаритель металлов, содержащий вакуумную камеру с анодом, с расположенным в нем катодом электродугового разряда в виде цилиндра, выполненного из испаряемого материала, и с размещенной в ней обрабатываемой деталью, и блок управления с программируемым устройством и источниками постоянного тока, согласно изобретению снабжен катушкой с двумя соленоидами, а блок управления снабжен регулируемым источником тока, блоком обратной связи, выход которого подключен к программируемому устройству, а вход - к выходу первого постоянного источника тока, и блоком задержки, выход которого подключен к входу регулируемого источника тока, а вход - к выходу программируемого устройства, входы регулируемого и второго постоянного источников тока подключены к выходу программируемого устройства, выход первого постоянного источника тока подключен к катоду и обрабатываемой детали, охватывающей анод, при этом катод выполнен немагнитным в виде пустотелого цилиндра, в полости которого установлена протяженная катушка с двумя включенными встречно соленоидами, электрически связанными с выходами регулируемого и второго постоянного источников тока, а анод выполнен немагнитным в виде вертикальных пластин, расположенных по окружности на основании камеры вдоль катода, соответствующих его длине.

В доступных нам источниках информации не обнаружены технические решения, содержащие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. Следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Поставленная задача решается за счет того, что: - испаритель снабжен катушкой с двумя соленоидами, подключенными к блоку управления; - блок управления снабжен регулируемым источником тока, блоком обратной связи и блоком задержки; - соленоиды создают результирующее магнитное поле, которое определяет скорость и направление движения катодного пятна; - блок управления способен регулировать выходные токи источников тока по заданной заранее программе, что делает возможным управлять результирующим магнитным полем.

Наличие этих новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое техническое решение - электродуговой испаритель металлов, позволяющий управлять движением катодного пятна, а также определять его местоположение, что привело к возможности нанесения однородного равного по толщине покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

На фиг. 1 изображена общая схема испарителя и показан схематично поток металлической плазмы, генерируемой катодом.

На фиг.2 изображен катодно-анодный узел.

Электродуговой испаритель металлов содержит вакуумную камеру 1, в которой расположен катод 2 электродугового разряда в виде пустотелого цилиндра из испаряемого немагнитного материала и анод 3 (фиг.1). Анод 3 выполнен немагнитным в виде вертикальных пластин 4, расположенных по окружности на основании 5 вакуумной камеры 1 вдоль катода 2. Длина пластин 4 соответствует длине катода 2. Катод 2 имеет поверхность испарения 6, которая является всей внешней поверхностью катода, кроме основания (нижнего торца).

В полости 7 катода 2 установлена протяженная катушка 8 с двумя включенными встречно соленоидами 9. Также в полости 7 расположена охлаждающая система 10 (фиг.2).

Вакуумная камера 1 содержит подложку 11, на которую устанавливается обрабатываемая деталь 12, охватывающая катод 2.

Электродуговой испаритель металлов содержит блок управления движением катодного пятна 13, включающий программируемое устройство 14, регулируемый источник тока 15, первый и второй постоянные источники тока 16, 17 соответственно, блок обратной связи 18 и блок задержки 19.

Блок обратной связи 18 применяется для осуществления контроля местоположения катодного пятна 13 и для обеспечения связи между моментом возбуждения катодного пятна 13 и программируемым устройством 14. Выход блока обратной связи 18 подключен к входу программируемого устройства 14, а вход - к выходу первого источника постоянного тока 16 и выходу источника питания дуги (не показан).

Блок задержки 19 служит для остановки дуги в точке, заданной программно, на требуемое время. Выход блока задержки 19 подключен к регулируемому источнику тока 15, а вход - к выходу программируемого устройства 14.

Выходы регулируемого и второго постоянного источников тока 15, 17 соответственно электрически связаны с соленоидами 9. Выход первого постоянного источника тока 16 подключен к катоду 2 и обрабатываемой детали 12. Катод 2 генерирует поток 20 металлической плазмы.

Принцип работы электродугового испарителя металлов заключается в следующем.

В вакуумную камеру 1 на подложку 11 устанавливают обрабатываемую деталь 12 открытым торцом. С помощью систем откачки (не показаны) в вакуумной камере 1 создается рабочий вакуум, значение которого определяется технологическим процессом обработки конкретной детали. После достижения требуемого давления включается блок управления движением катодного пятна 13 вдоль продольной оси катода 2. На деталь 12 с первого источника постоянного тока 16 подают отрицательный потенциал. На анод 3 и катод 2 подается постоянное напряжение и с помощью поджигающего электрода (не показано, поскольку общеизвестно) на поверхности 6 катода 2 возбуждается катодное пятно 13. Катодное пятно 13 генерирует поток металлической плазмы 20, распространяющейся в направлении, нормальном к поверхности 6 испарения катода 2.

Положение катодного пятна 13 на поверхности 6 длинномерного катода 2 вдоль его образующей определяется результирующим магнитным полем, создаваемым двумя соленоидами 9.

Изменение величины и направления тока, протекающего через каждый соленоид 9, осуществляется с помощью регулируемого и второго постоянного источников тока 15, 17 соответственно и происходит в соответствии с программой, закладываемой в программируемое устройство 14, что и обеспечивает перемещение катодного пятна вдоль его образующей по заданной программе.

Контроль местоположения катодного пятна 13 осуществляется за счет контроля тока (от 2 до 8 А), протекающего через первый источник постоянного тока 16, цепь которого замыкает поток металлической плазмы 20. В случае, когда значение тока становится меньше 2 А (катодное пятно находится ниже уровня подложки 11), блок обратной связи 18 дает команду программируемому устройству 14 установить токи, протекающие через соленоиды 9, такие, чтобы вернуть дугу на рабочую поверхность 6 катода 2, после чего продолжается выполнение заданной программы.

Контроль за моментом возбуждения катодного пятна осуществляется по наличию тока (100 А) в источнике питания (не показан), обеспечивающем горение дуги. В случае, если ток дуги стал равен нулю (дуга погасла), блок обратной связи 18 дает команду программируемому устройству 14 прекратить выполнение программы и выключить источники тока 15, 17.

Таким образом, расположив внутри катода управляющие элементы (соленоиды), электрически связанные с блоком управления, управляющим движением и контролирующим местоположение катодного пятна, достигли возможности нанесения однородных покрытий на внутренние поверхности тел вращения, как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Источники информации 1. А.с. СССР 565949, кл. С 23 С 13/08, 1975 г.

2. А.с. РФ 1529765, кл. С 23 С 14/32, 1987 г.

3. Патент РФ 2059737, кл. С 23 С 14/32, 1993 г.

Формула изобретения

Электродуговой испаритель металлов, содержащий вакуумную камеру с анодом, с расположенным в нем катодом электродугового разряда в виде цилиндра, выполненного из испаряемого материала, и с размещенной в ней обрабатываемой деталью, и блок управления с программируемым устройством и источниками постоянного тока, отличающийся тем, что он снабжен катушкой с двумя соленоидами, а блок управления снабжен регулируемым источником тока, блоком обратной связи, выход которого подключен к программируемому устройству, а вход - к выходу первого постоянного источника тока, и блоком задержки, выход которого подключен к входу регулируемого источника тока, а вход - к выходу программируемого устройства, входы регулируемого и второго постоянного источников тока подключены к выходу программируемого устройства, выход первого постоянного источника тока подключен к катоду и обрабатываемой детали, охватывающей анод, при этом катод выполнен немагнитным в виде пустотелого цилиндра, в полости которого установлена протяженная катушка с двумя включенными встречно соленоидами, электрически связанными с выходами регулируемого и второго постоянного источников тока, а анод выполнен немагнитным в виде вертикальных пластин, расположенных по окружности на основании камеры вдоль катода, соответствующих его длине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2