Устройство электродугового испарения металлов

"-Ю 96пт.,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(54) УСТРОЯСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСГ 1 АРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ(57) Изобретение относится к области вакуумногонанесения металлических покрытий различного назначения антикоррозионных износостойких декоративнык термостойких и др. и может быть применено в различных областях в частности в маши(19) КЦ (и) 2001970 С 1 (51) ностроении. Цель - уменьшение габаритов установки и упрощение конструкции Сущность изобретения: устройство электродугового испарения металлов содержит четырехугольный катод с поверхностью испарения токоподводы у противоположных концов катода, управляемые ключи в цепях токоподводов, датчик текущего положения катод- ного пятна, выполненный из двух идентичных наборов проводников, и снабжено одной парой токоподводов, управляемыми ключами в их цепи и системой управления положением катодного пятна Это позволяет обеспечить независимое управление положением катодного пятна по двум координатам, оси которых совпадают с диагоналями катода 2 ил5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Изобретение относится к технике вакуумного нанесения металлических покрытий различного назначения: антикоррозионных, износостойких, декоративных, термостойких и др, и может быть применено в машиностроении.Известно устройство электродугового испарения металлов, предназначенное для нанесения покрытий на протяженные изделия. Такое устройство имеет протяженный вытянутый катод длиной, равной или большей одного из поперечных размеров обрабатываемого иэделия, а шириной, много меньшей. Для получения однородных по толщине покрытий вынуждают катодное пятно сканировать по всей длине поверхности испарения катода, а изделие перемещают в направлении, нормальном продольной оси вытянутого катода. Сканирование катодного пятна по катоду осуществляется с помощью электрических ключей, установленных нэ токоподводах к концам катода. Катодное пятно дуги под воздействием магнитного поля тока, текущего по катоду, всегда движется в сторону включенного ключа. Когда катодное пятно достигает конца катода, в цепи концевого датчика, расположенного у конца катода, возникает электрический сигнал, который через систему управления воздействует на ключи в цепях токоподоодов. переключая их. Катодное пятно при переключении клк 1 чей начинает двигаться в противоположном направлении,Недостатком этого испарительного устройства является то, что катодное пятно совершает возвратно-поступательное движение по всему катоду с равномерной скоростью и не представляется возможным регулировать местоположение катадных пятен по катоду с целью получения покрытий переменной толщины по длине изделия или даже просто однородных по толщине покрытий на поверхности протяженного изделия,Прототипом изобретения является электродуговой испаритель металлов, содержащий протяженный катод из испаряемого металла, имеющий поверхность испарения и токоподводы к противоположным основаниям катода, подключенные к управляемым ключам, переключение которых вызывает возвратно-поступательные движения катодного пятна по координате Х катода, совпадающей с его продольной осью, анод, источник постоянного тока, систему управления положением катодного пятна по координате Х катода, состоящую из датчика текущего положения катодного пятна и источника управляющего напряжвния, подключенных к выходам операционного усилителя, выход которого соединен с управляемыми ключами. Датчик текущего положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, величина которого однозначно определяется координатой Х положения катодного пятна на катоде. Выход операционного усилителя соединен с управляемыми ключами так, что независимо от знака разности приложенных к входу операционного усилителя напряжений всегда включен ключ, вызывающий движение квтодного пятна в направлении, при котором разность сигналов на входе операционного усилителя напряжений стремится к нулю, а при нулевой разности сигналов на входе включены оба ключа, При таком решении катодное пятно дуги занимает на катоде такую координату Х, в которой выполняется соотношение Од - Оур - 0 (1), где Од - напряжение на выходе датчика, являющееся функцией координаты Х положения катодного пятна; Оупр - управляющее напряжение.При изменении величины управляющего напряжения равенство (1) сохраняется при новом значении Од, т. е. при новой координате Х положения катодного пятна на катоде. В электродуговом испарителе (прототипе) в качестве датчика текущего положения катодного пятна использован протяженный проводник длиной не менее длины катода, изготовленный иэ материала с высоким удельным сопротивлением и двумя токоподводами на концах. Проводник своими токоподводами подключен к балластным резисторам. которые своими свободными концами соединяются вместе и подключаются к источнику постоянного тока. При работе испарителя катодное пятно дуги генерирует плазменный поток в виде расходящегося конуса с вершиной в катодном пятне дуги, который, касаясь проводника. замыкает электрическую цепь источника постоянного тока. Балластные резисторы и ветви протяженного проводника с перемещающимся по ним плазменным шнуром образуют измерительный мост, с диагонали которого (концы протяженного проводника) снимается напряжение, величина которого однозначно определяет положение катод- ного пятна на катоде. Напряжение на диагонали мостаОд = ВО(2 гх - г) / (В+ гх) (В + г-гх),где В - величина сопротивления балластного резистора в цепях протяженного проводника;г - сопротивление протяженного проводника;г) и г-г, - сопротивление ветвей протяженного проводника по обе стороны от плазменного шнура;О - напряжение, подводимое к измерительному мосту.Иэ выражения (2) следует, что при постоянстве величин й, г и О напряжение Од целиком определяется Величиной гх (т. е, координатой положения катодного пятна на катоде).К недостатку электродугового испарителя следует отнести то, что при нанесении покрытий на изделия с соизмеримыми поперечными размерами необходимо перемещать соизмеримыми поперечными размерами необходимо еремеЕат иэделие относительно испарнтеля и абариы установки должны быть, кэк минимум, вдвое больее габаритов иэделия,Целью изобретения является уменьшение габаритов установки и упрощение конструкции при нанесении покрытий на протяженные иэделил с соизмсримьми поперечными размерами,Цель достигаетсл в устройстве электро- дугового испарения металлов, содержащем четьрехуольный ка 1 од иэ испарлемого металла, имеющий поверхность испарения и ТОКОПОДВОДЫ У ПРОТИНОПОЛОЖ 3 ЫХ КОНЦОЕ, управляемые ключи в цепях токоцодводов, анод, систему управления положением кэтодного пятна, состоящуо иэ датчика текущего положения катодного Глна, источника управллощего нацряхксня и операционного усилителя, дна Входа которОго соединены с датчиком текущего Г)оложения катодного пятна и 3 сточцком управляюще о напряжения, а выход - с управляемыми ключами, Новым явллетсл то, что устройство снабжео одной цнрсй 1 окоподводов, управляемыми ключами и их цепи и системой управления положением катод- ного пятна, при этом токоподводы установлены в зоне вершин катода, а два идентичных датчика текущего положеия катодного пятна вытолнсны в ниде 1-Обера неконтактируощих друг с другом проис дников, параллельных другдругу и поверкаости испарения катода, каждый набор установлен нормально соответствующей дл О али катода и подключен к цепочкам пэ цослсдователыо соединенных реэисторпв, первый проводник набора - к началу цепочки, остальные - к соединению двух соседних резисторов.Идея работы заявляемого электродугового испарителя эаклочается н недээн 3 симом управлении положением катодноо пятна по двум координатам, оси ко 1 орьх совпадают с диагонаями катода, Совпадсние осей с диагоналями катода объясняетсятем, что токоподводы к катоду находятся взоне вершин катода, поэтому каждая параключей в цепях противоположно располо 5 женных токоподводов при переключениивызывает возвратно-поступательное движение катодного пятна вдоль диагонали катода. При совместной рабоге двух парключей можно добиться расголожения об 10 ласти перемещения катодных пятен на любом участке поверхности испарениячетырехугольного катода. Если токоподводы к катоду установлены не в вершинах катода, а, например, посередине оснований,15 то область перемещения катодных пятен поКТО.3// ОГРд 111 ЧЕВ Г 1 Р 1 К 1/) Т Ю, ЗЛКЛОценной между лин 1 я 1 и.:е)сд:1 лоц 1.31 сервд 1 н О.,нее.вий, т, ) 3;сцо,эс Г;,онькоГ 3 О /3 С Р Н Э Ц О Ь С Р У Н О С 11 3 С П а ) С31 3 Ч СЫ Р С Х 20 угольного катода, Консрукц 1.3 дат 3 ка 1 Вкущ= го 3 опожс 11 1 каОдногп и лт/а Р гидецс)бгрэ проноднКОГ, под; 3 ГЗдсд 33 х к цсц О Ч К С 3Э ц О С Л С .3,с а т :. а Ь Н О С О СЕ И 3 С Н 3Ы Х р ЕЭСТО.Г/В, ЦОЭЕОГ;С Г ОД 3311 313 ГРОЕ: ОД 111 КОВ25 наб;)ра, рэ:положенным набте близкп ккатодному цятг), Восцр циать 1 О 1 1 к цлаэ 13. ИЗ КЭ ГОД 103 О Пята 31СД)РЗТЕ В/Э 11 а Х) с 111 Г 1 р И Э ГОМ Г, 1; Ь 11 Э Ь Д 3111 В Вцсцэчлу иэ Госло,;,3.:;сь 1 О сГ)ее 1/сднньх30 3,Гсэисто /Г), ,с 3,3, с)ск 1 сс,р/. 3эОГО/ ЦДК,3 С К 3 СТ. НИКУ ЦССГ/3/СЕ,/ , ,Ол 1 3 33.//- , -3 Е:Д. 1,И .3- - НЕрр,1-ГЕ На ЕНцак дат 40с 3;КЕВ Т/у.;ЭГО Г:ГЮ:Е 13; КаОДНОГО Пятнацр)с)3, и ВО,.)ой диэолл,1 катд/.;Г31 ц 2 " пОР/Дкодьи н 01 ВР 31 Р/эе)/Е 131 лэ,цсд которым 3 аход;ТГ л катодное пятно дллэв и" " 11 1 вЕаг э/созтг Е) сСО; 1 3сИ/ .3 Э лсц: О,333,1/С:НвборвД 31,ЕЕ)Тс 31 КОВ В СН) И ВТОРОЙ //1113 СН 1 И,г . 3.е/111 ина ед,ясгс,О 3 е/о 3 Г)гсцлВ 3 Е 1 с.)КЕ;ток в втвлх цсццки,ИЭ /Ырзже 111(11 И Е,1 С Дс/Г.,ц 1 Оувр/ г+ 1/21;31- Оу 3)" / ГИ 2/2 е 1;1)Гдес; Осар 11 Оувр 2 - уГ 1 раВляО 31,с а;)/же 55 нил сточника угравллющсго 1 э;р:,).с:,цо Первой и норой диен озлам кат,: ) в соо- НЕ С.ТНСНО.Иэ ныраженил ") следует, ч)о 1 в О ,е 131 е катодного тя 13 а на катод; Одноэна н ООцрсделлетсл величинами уре)в 3,;ю 131 ллпрлжеций, задаваемых с помощью источников управляющих напряжений по первой и второй диагонали катода,Поскольку резисторы находятся вне зоны потока плазмы, то их величина может регулироватьсл в широких пределах. При э 1 ом становится возможным подключить цепочку к отрицательному полюсу источников питания. Использование длл индикации 10 положения кэтодцаго пятна ионного компонента плазмы (цепочка подсоединена к источнику отрицательного напряжения) предпочтительней, поскольку ионный компонент не так чувствителен к магнитным полям, в том числе и к собственным, создаваемым током разряда, искажающим индикацию истинного положения кэтодного плтна. Значи гел ьное уменьшение ионного тока (полный ионный ток насыщения значительно меньше электронного) компенсируетсл г 1 ропорциональцым увеличением величины резисторов.Изобретение позволяет разрешить задачу независимого управления положением катодного пятна по двум координатам на поверхности протяженного четырехугольного катода,Нэ фиг. 1 изображена схема электродугового испарителл металлов с протяженным и рл моу гол ьн ым катодом, вид сбоку; на фиг.2 - катод злектродугового испарителя металлов в плане и блок-схема электропитания и управления испарителем. В вакуумной камере 1 установлен катод 2 электродугового испарителя четырехугольцой формы. Катод имеет поверхность 3 испарения. В зоне вершин четырехугольного катода укреплены токовводы 4. Вся поверхность катода 2, за исключением поверхно 40 45 50 55 сти 3 испарения, прикрыта экраном 5, Над поверхностью испарения катода располокец датчик текущего положения кэгодного пятна, ссстолщий иэ двух идентичных наборов проводников б и 7, состоящий из двух идентичных наборов проводников б и 7, ус 1 ацоеле ных с зазором друг от друга, параллельных друг другу и поверхности 3 испарения катода, Выводы проводников цодклю сцы к цепочкам из последовательно соединенных резисторов 8 и 9. Концы цепочек через токоподводы 10 выведены наружу вакуумной камеры. Напыляемые изделия 11 усгановлены над поверхностью 3 испарения катода 2,На фиг. 1 изображены возникающее в процессе работы кэтодное пятно 12 и генерируемый им поток металлической плазмы 13.Нэ фиг, 2 показаны балластные резисторы (Р) 14, подключенные к одному из полю 15 20 25 30 35 сов источника 15 питания, другой полюс которого соединен с катодом 2. Электропитание испарителя производится от источника 16 постоянного тока, отрицательный полюс которого через управляемые ключи 17 соединен с электрическими вводами 4, Концы цепочки иэ последовательно включенных резисторов 8 и 9, являющиеся выходом 10 датчика текущего положения катодного пятна, соединены с входом 18 операционного усилителя 19. На вход 20 операционного усилителя 19 подается управляющее напряжение, вырабатываемое источником 21 управляющего напряжения. Выход операционного усилителя 19 через противоположно включенные диоды 22 и 23 соединен с управляющими элементами 24 управляемых ключей 17.Работает электродуговой испаритель металлов следующим образом,После откачки вакуумной камеры 1 до давления не выше 10 Па с помощью системы поджига дуги (на фигурах не показана) на катоде возбуждается катодное пятно 12, которое генерирует поток плазмы 13, который, распространяясь нормально к поверхности катода в виде расходящегося конуса, охватывает один из проводников б, 7 датчиков текущего положения катодного пятна, Ток в датчике проходит по ветвям цепочки из резисторов 8 и 9 и вырабатывает сигнал на концах цепочки, являющейся диагональю моста из резисторов 14 и резисторов ветвей цепочки, Этот сигнал подается на вход 18 операционного усилителя 19. На второй вход 20 операционного усилителя 19 подается сигнал от источника 21 управляющего напряжения. Выход операционного усилителя 19 через противоположно включенные диоды 22 и 23 соединен с управляющими элементами 24 ключей 17, При равенстве разности напряжений на входе операционного усилителя Од - Оулр = 0 напряжение на его выходе равно нулю и ключи 17 в цепи катода включены. При включенных ключах движение катодцого пятна хаотическое, Если Од - Оупр = О, нэ выходе операционного усилителя появляется сигнал, полярность которого определяется знаком вышеприведенного неравенства. При этом начинает проводить один из диодов 22 или 23 и один иэ ключей отключается, Ключи к токоподводам подключены так, что остается включенным тот ключ. который вызывает движение кэтодного пятна в направлении, уменьшающем выходной сигнал, При появлении нэ выходе операционного усилителя знака противоположной полярности остается включенным другой ключ, и катодное пятно возвращается в положение, при котором Од10 2001970 35 40 45 50 55- Оулу =-О, Таким образом, система управления поддерживает такое положение катод- ного пятна на катоде. при котором разность входных напряжений на входе операционного усилителя равна нулю. Такая регулировка осуществляется по каждой иэ координат по первой и второй диагоналям. В результате при неизменном напряжении источника 21 управляющего напряжения положение катодного пятна строго зафиксировано. Изменяя управляющее напряжение, вынуждают катодное пятно двигаться по одной из координат первой и второй диагоналей. Изменяя выходное напряжение обоих источников управляющего напряжения, вынуждают катодное пятно дгигаться одновременно по двум координатам, Подавая на входы операционных усилителей сигналы от источников управляющего напряжения, изменяющихся по определенной программе, вынуждают катодное пятно двигаться по программе, т, е, становится возможным нанесение покрытий с програл- мируемым профилем покрытия.Работоспособность предлагаемого устройства проверялась на прямоугольном медном катоде с размерами 350 х 350 х 10 мм. Катод со стороны, противоположной поверхности испарения, прикрыт экраном К вершинам катода с тыльной стороны были привинчены токоподводы, выходящие наружу вакуумной камеры, Токоподводы подключены к управляемым тиристорным ключам, Датчики текущего положения катодного пятна для координат первой и второй диагонали выполнены из стальной проволоки диаметром 1 мм, натянутой между керамическими изоляторами, Проводники в количестве 8 шт. устанавливались на расстоянии 70 мм от поверхности испареФормула изобретения УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ, содержащее четырехугольный катод из испаряемого металла, токоподеоды у противоположных концов катода, управляемые ключи в цепях токоподводов, анод, систему управления положением кагодного пятна, состоящую из датчика текущего положения катодного пятна, источника управляющего напряжения и операционного усилителя, два входа которого соединены с датчиком текугцего положения катодного пятна и источником управляющего напряжения, а выход - с уп.равляемыми ключами. отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов установки и упрощения конструкции при нане 5 10 15 20 25 30 ния катода. Расстояние между проводниками составляло 50 мм, Расстояние между двумя системами проводников составляло 7 мм,В процессе экспериментальной проверки проверялась подача на проволочные датчики положительного и отрицательного потенциала, При подаче положительного потенциала величина й выбиралась равной 160 Ом. При напряжении источника питания 100 В ток цепи датчика текущего положения катодного пятна составлял 1 А, Величина г выбиралась равной 0,3 Ом. При подаче отрицательного потенциала 80 8 ток насыщения на датчике составлял 50 мА, величина В составляла 400 Ом, величина г - 60 Ом.В качестве источника управляющего напряжения использовались потенциометрические делители напряжения, подключенные к гальваническим элементам. Для управления тиристорными ключами применен операционный усилитель на микросхеме К 140 УД 1 А, Ктиристорным ключам операционный усилитель подсоединяется с помощью опт ронов, При фиксированных значениях опорного напряжения катодное пятно перемещается относительно некоторого центра с амплитудой перемещения, не превышающей 5 см, Изменением величин опорного напряжения можно перемещать катодное пятно на любой участок поверхности катода,г 56) Авторское свидетельство СССР М 461163, кл. С 23 С 14/32, 1975,Отчет об опытно-экспериментальной работе Комплексная ионно-плазменная обработка режущего инструмента из быстро- режущих сталей, Гос. регистр. М 2232, Харьков, 1989, с, 19-23. сении покрытий на протяженные иэделия с соизмеримыми поперечными размерами, оно дополнительно снабжено одной парой токаи,:дводов с управляемыми ключами в их цепи, системой управления положением катодного пятна, при этом токоподводы устаноалены в зоне вершин катода, датчик текущего положения катодного пятна выполнен в виде набора неконтактирующих один с другил проводников, параллельных друг другу и поверхности испарения катод;, подклю енных одноименными концами к цепочке из последовательно соединенных резисторов, при этом первый проводник набора подсоединен к началу цепочки, а остальные - к соединению двух соседних резисторов, с входом операционного усилителя соединены одноименные концы2001970 12 Составитель Л. Саблев Техред М. Моргентал Редактор Т. Юрчикова орректор М. Керецма Заказ 3 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035,Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5 енно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1 О Произво крайних проводников набора. причем проводники каждого набора установлены нормал ьно соот ветствуощей диагоналикатода,