Пристрій для нанесення покриттів у вакуумі

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на материалы, а именно, к устройствам для получения износостойких покрытий на рабочих поверхностях различных инструментов и изделий машиностроения с целью существенного повышения их работоспособности, надежности и долговечности, и может быть использовано для нанесения таких покрытий как на инструментальные стали, так и на изделия из конструкционных сталей (У8, У 10, 9ХС и др.), широко используемые в инструментальном производстве и машиностроении. Известны установки, в которых на выходе плазменного источника соосно с последним размещен соленоид, магнитное поле которого позволяет уменьшать угол разлета плазменного потока, улучшив тем самым соотношение между капельной и ионной компонентами потока [1]. Однако, полного пространственного разделения потока макрочастиц (капель) и плазменного потока в такой системе осуществить не удается, поэтому полученные покрытия имеют дефекты, обусловленные присутствием капельной составляющей. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является установка, содержащая рабочую камеру для нанесения покрытий в вакууме и размещенными в ней электродуговыми испарителем и подложкодержателем, а также плазмовводом, выполненным в виде изогнутой оптически непрозрачной трубы из немагнитного материала, установленного между подложкодержателем и электродуговым испарителем. На поверхности плазмоввода расположен управляющий соленоид, а на внутренней поверхности трубы выполнены поперечные ребра [2]. Применение плазмоввода, в значительной мере, убирает капельную составляющую и, тем самым, улучшает качество покрытий. Однако, для обеспечения хороших адгезионных покрытий к подложке необходима высокая энергия (частиц) ионов и интенсивная очистка перед нанесением покрытия с помощью ионной бомбардировки, что приводит к существенному нагреву образцов. Это в значительной мере сужает область применения данных устройств, особенно в случае упрочнения образцов, изготовленных из термообработанных сталей с низкой температурой отпуска, а также мелкоразмерного инструмента. Кроме того, покрытия, полученные с помощью известной установки, обладают нестабильным стехиометрическим составом и характеризуются недостаточной сплошностью. В основу изобретения поставлена задача создания устройства для нанесения покрытий в вакууме, в котором введение ВЧ-генератора с согласующей улучшает стабильность стехиометрического состава и сплошности покрытия за счет чего повышается качество покрытий. Решение задачи заключается в следующем: устройство для нанесения покрытий, содержащее рабочую камеру с размещенными в ней электродуговым испарителем и подложкодержателем, согласно изобретению, содержит ВЧ-генератор с системой согласования в виде конденсатора переменной емкости, соединенного с коаксиальным кабелем изменяемой длины, центральная жила которого соединена с подложкодержателем, а его экран - с рабочей камерой. Согласование ВЧ - генератора с нагрузкой (подложкодержателем) обеспечивает поглощение энергии плазмой, что приводит к увеличению энергии ее частиц, что способствует повышению степени ионизации плазм, а также к разрушению капель и макрочастиц, создаваемых электродуговым испарителем, а, следовательно, улучшению стабильности стехиометрического состава покрытия. На чертеже изображена схема устройства для нанесения покрытий в вакууме. Устройство содержит вакуумную камеру 1, на которой герметично размещен электродуговой испаритель 2, соединенный с источником питания 3. Внутри находится подложкодержатель 4 с образцом 5. Подложкодержатель размещен на электровводе 6, изолированном от корпуса камеры с помощью диэлектрической втулки 7. Электроввод подложкодержателя соединен с центральной жилой коаксиального кабеля изменяемой длины 8, экран которого соединен с рабочей камерой. ВЧ-генератор 9 одним из выводов через конденсатор переменной емкости 10 соединен с центральной жилой кабеля изменяемой длины, другим выводом - с экраном кабеля. Камера устройства и корпус ВЧ-генератора заземлены с помощью заземляющей шины (на чертеже не показана). Откачка вакуумной камеры осуществляется через горловину 11. На камере размещен игольчатый вентиль-натекатель 12 для регулируемого напуска реакционного газа (азот, метан и др.). Устройство работает следующим образом. При достижении в камере рабочего вакуума включают испаритель 2, который питается от источника 3. Испаритель является источником плазмы- дугового разряда, который развивается в парах эродирующего катода. Испарение материала катода осуществляется с катодным микропятен. Диаметр катодного пятна лежит в пределах 1...100 мкм, плотность тока составляет 106…108 А/см 2. Благодаря этому происходит практически мгновенный разогрев микроскопических пиков на поверхности катода, которые затем испаряются взрывом с образованием плотной металлической плазмы, содержащей достаточную для самостоятельного разряда долю ионов и электронов. На подложкодержатель 4 с образцом 5 подается ВЧ-напряжение с помощью ВЧ-генератора 9. Согласование ВЧ-генератора с нагрузкой осуществляется конденсатором переменной емкости 10, с помощью которого выбирается эффективная длина согласующего кабеля 8. Выбор ее можно проиллюстрировать следующим образом: l l Ik » k = 0 ( 2n - 1) -1 4 4 e где I k - длина кабеля, l k - длина волны в кабеле. l 0 - длина волны в вакууме, C f0 где С - скорость света, f0 - частота генератора, n - целые числа от 1 и более. Выбор частоты ВЧ-поля определяется. исходя из необходимости ускорения электронов до энергий, обеспечивающих ионизацию нейтрального (рабочего) газа l0 = ~ eE Ve = , 300m e 2 pfo где Ve - скорость электрона, е - заряд электрона, ~ E - напряженность ВЧ-поля, m e - масса электрона. Осцилляция электронов в ВЧ-поле будет определяться по формуле: V Ze = e 2p fo где Ze - длина пробега электрона. При согласовании ВЧ-генератора с нагрузкой обеспечивается поглощение энергии плазмой, что приводит к увеличению энергии ее частиц и способствует повышению степени ионизации плазмы (появлению многозарядных ионов), а также к разрушению капель и микрочастиц, создаваемых электродуговым испарителем, а, затем, и к улучшению стабильности стехиометрического состава покрытия. Процесс нанесения покрытий предусматривает операции ионной бомбардировки и осаждения покрытий. В процессе ионной бомбардировки разрушаются тонкие окисные пленки на поверхности образца, а также обеспечивается повышение температуры, не превышающей температур у, отпуска данного материала образца. После окончания ионной бомбардировки через вентиль-натекатель 12 в камеру 1 подают легирующий газ ив результате плазмохимической реакции на поверхности образца осаждается покрытие. Вследствие воздействия ВЧ-поля на плазму происходит существенное увеличение уровня ионизации плазмы как за счет распада нейтральных макрочастиц (капель) на отдельные ионы в результате воздействия на них электронов с измененной энергией, так и появление многозарядных ионов элементов, вступающих в плазмохимическую реакцию. Это приводит к дополнительной активации поверхностного слоя на образце 5, что обеспечивает осаждение покрытий с хорошей адгезией, отсутствием капель, высокой сплошностью и стабильным стехиометрическим составом. Достоверность вышесказанного была проверена экспериментально. Приведены сравнительные эксперименты по нанесению износостойких покрытий, полученных в настоящем изобретении и установке-прототипе. В качестве ВЧ-генератора использовали генератор мощностью 1 кВт в стационарном режиме и частотой 1...10 МГц, конденсатор с емкостью 15-250 pF, а кабель длиной 10 м. Работоспособность режущего и штампового инструмента с покрытием оценивалась в условиях производства. В качестве критерия стойкости выбрано время, отработанное инструментом с покрытием, нанесенным с помощью предложенного устройства. Пример 1. На пуансоны из стали 9ХС наносят покрытие TIN по следующей технологии. В вакуумную камеру загружают пуансоны, предварительно обезжиренные последовательной промывкой в бензине, ацетоне, спирте. Затем, с помощью вакуумной системы создают в камере вакуум 5·10-5 мм рт.ст. После этого включают электродуговой испаритель, на подложку подают ВЧ-напряжение. Ток дуги Ig = 75 А, UВЧ = 300 В. В таком режиме проводят ионную бомбардировку и очистку поверхности изделий в течение 2 мин. Затем напряжение ВЧ снижают до 100 В, напускают в камеру азот и осаждают покрытие. Парциальное давление азота составляет 1,3·10-3 мм рт.ст., время осаждения покрытия - 30 мин. Температура подложки составляет 180°С. В процессе осаждения температура подложки практически не меняется. Работоспособность пуансона из стали 9ХС после нанесения покрытия TIN с помощью предложенного устройства составила 120 ч, в то время как обработанные на установке-прототипе детали с такой маркой стали неработоспособны (изменяют физико-механические свойства материала). Пример 2. По приведённой технологии наносят покрытие на матрицы из стали ХТ2М. В данном случае работоспособность матрицы из материала с низкой температурой отпуска составила также 120 час. Пример 3. На метчики М14х1, изготовленные и стали 9 ХС, наносят покрытие TIN, указанным в примере 1 способом. Пример 4. На мелкоразмерные сверла O 1 мм, 1,1 мм из материала P18 наносят покрытие ZrN+TIN на / заявляемой установке и на установке-прототипе. Производственные испытания показали, что сверла, упрочненные на установке-прототипе, имеют более низкую работоспособность, чем сверла из исходного материала без покрытия в то время как сверла, упрочненные на предложенном устройстве, показали увеличение стойкости в среднем в 2,5 раза при обработке стали ХВСГ. Пример 5. Аналогично примеру 4 на метчики-раскатчики (материал Р6М5) наносились покрытие ZrN+TlN. Увеличение стойкости составило 2,8 раза. Пример 6. На твердосплавные платины ВК-6 наносят покрытие TIN на предложенном устройстве. Время ионной бомбардировки - 3 мин; Ток дуги 1д - 100 А, Напряжение ВЧ 11в.ч. - 300 В. Осаждение производят при токе дуги 100 А напряжение ВЧ 100 В. Время нанесения покрытия - 5 мин., толщина покрытия - 5 мкм, Пример 7. На аналогичные пластины наносят покрытия на установке-прототипе. Ток дуги 100В В режиме ионной бомбардировки напряжение составляло 1 кВ, время ионной бомбардировки 10 мин, для достижения температуры 550°С. В процессе осаждения Ig - 110 А, Un-170B. Время осаждения 1 час 30 мин, Толщина покрытия - 5 мкм. Результаты испытаний инструмента из материалов с низкой и высокой температурой отпуска в таблице. Из таблицы видно, что на пуансоны, матрицы, метчики, изготовленные из стали 9ХС, Х12М с низкой температурой отпуска, а также на мелкоразмерный инструмент покрытия наносились только на подложенном устройстве, причем эти изделия имели высокую работоспособность. Нанесение покрытий на установке-прототипе с хорошей адгезией возможно только при температурах 400-500°C, что в случаях с вы шеуказанными сталями недопустимо, т.к. это привело бы к существенному ухудшению физико-механических свойств материала. Пластины из материала марки ВК-6 (с высокой температурой отпуска) с покрытием, нанесенным на заявляемой установке, имели работоспособность выше, чем пластины с покрытием, нанесенным на установке-прототипе. Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет получать покрытия со стабильными стехиометрическим составом и высокой адгезией на материалах с температурой отпуска 150-500°С.