Електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі

Реферат: Електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі містить протяжний витрачуваний катод, виконаний із матеріалу, що випаровується, анод, джерело підпалювання електродуги, з'єднане з анодом джерело постійної напруги електроживлення дуги, струмопідводи, засіб визначення положення катодної точки у вигляді датчиків поточного положення катодної точки, два комутатори, два керуючі трансформатори, електричні вентилі, які попарно об'єднані катодами через вторинні обмотки керуючих трансформаторів. При цьому середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів об'єднані та підключені до негативного виходу джерела постійної напруги електроживлення дуги. Електродуговий випарник виконаний з можливістю переміщення катода у вертикальному або у горизонтальному напрямках відносно анода за рахунок наявності механічних вузлів, кожен з яких закріплений на виході катода. UA 96589 U (12) UA 96589 U UA 96589 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до устаткування для нанесення покриттів у вакуумі, а саме до електродугового випарника металів та сплавів, і може бути використана для нанесення покриттів на вироби машинобудування та інших галузей техніки. Відомий електродуговий випарник металів для нанесення покриттів у вакуумі, виконаний із матеріалу, що випаровується, який містить протяжний витрачуваний катод, анод, підпалювальний електрод, джерело живлення дуги, струмовідводи, засіб утримання положення катодної плями [1]. Він дозволяє наносити багатошарові покриття, але він не забезпечує значного підвищення рівномірності нанесення покриття на довгомірні вироби. Відомий електродуговий випарник для нанесення покриттів у вакуумі, виконаний з матеріалу, що випаровується, який містить протяжний витрачуваний катод, анод, вакуумну камеру, блок управління з програмним пристроєм та джерелами постійного струму, котушку з двома соленоїдами [2]. Він дозволяє наносити багатошарові покриття, але він не забезпечує значного підвищення рівномірності нанесення покриття на довгомірні вироби. Відомий електродуговий випарник металів для нанесення покриттів у вакуумі, виконаний із матеріалу, що випаровується, який містить протяжний витрачуваний катод, анод - камеру, підпалювальне джерело, джерело постійного струму [3]. Він забезпечує підвищення коефіцієнта використання матеріалу катода та підвищення швидкості напилювання, але не забезпечує підвищення рівномірності нанесення покриття на довгомірні вироби. Відомий електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі, виконаний із матеріалу, що випаровується, містить протяжний (порожнистий) витрачуваний катод, анод, джерело підпалювання електродуги (підпалювальний електрод), датчики положення дуги (катодної плями), джерело постійного струму (постійної напруги електроживлення дуги), з'єднане з анодом (вакуумна камера), струмовідводи, засіб визначення положення катодної плями у вигляді датчиків поточного положення катодної плями, блок керування роботою джерел постійного струму [4]. Таке технічне рішення має поширені технологічні можливості - дозволяє наносити покриття на внутрішню поверхню глухого отвору, але цей випарник не забезпечує підвищення рівномірності нанесення покриття на довгомірні вироби. Відомий вакуумний електродуговий випарник, який містить катод, анод, додатковий анод, виконаний як корпус вакуумної камери, постійні магніти, що виконані з можливістю їх переміщення, програмованого узгодження їх позицій відносно катода, джерела живлення, механізм переміщення, який зв'язаний з першим портом ПЕОМ (Персональної електроннообчислювальної машини) [5]. В такому пристрої збільшена частина поверхні катода, яка випаровується, завдяки чому підвищується продуктивність цього пристрою, але він також не забезпечує підвищення рівномірності нанесення покриття на довгомірні вироби. Найбільш близьким до запропонованого електродугового випарника є електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі, виконаний із матеріалу, що випаровується, що містить протяжний (порожнистий) витрачуваний катод, анод, джерело підпалювання електродуги (підпалювальний електрод), з'єднане з анодом (вакуумною камерою), джерело постійної напруги електроживлення дуги, струмопідводи, засіб визначення положення катодної точки (катодної плями) у вигляді датчиків поточного положення катодної плями - дуги [6]. Такий електродуговий випарник спрямований на забезпечення стабільного керування катодної точки для однорідної обробки поверхні виробу, що обробляють. Але це технічне рішення має резерв для удосконалення за рахунок поліпшення технологічних можливостей, і в результаті - підвищення однорідності обробки поверхні виробів. В основу корисної моделі поставлена задача створення електродугового випарника металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі, який би за рахунок сукупності ознак, за рахунок його нових ознак - нових конструктивних елементів, зв'язків між ними, дозволив би одержати технічний результат при його використанні - поліпшити технологічні можливості, підвисити однорідність обробки поверхні виробів, а також поширити асортимент сучасних електродугових випарників металів та сплавів. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі містить протяжний (порожнистий) витрачуваний катод, виконаний з матеріалу, що випаровується, анод, джерело підпалювання електродуги (підпалювальний електрод), з'єднане з анодом (вакуумною камерою) джерело постійної напруги електроживлення дуги, струмопідводи, засіб визначення положення катодної точки (катодної плями) у вигляді датчиків поточного положення катодної точки. Новим у запропонованому пристрої є те, що він містить два комутатори, два керуючі трансформатори, електричні вентилі, які попарно об'єднані катодами через вторинні обмотки керуючих трансформаторів, при цьому середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів об'єднані та підключені до 1 UA 96589 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 негативного виходу джерела постійної напруги електроживлення дуги (дугового розряду), крім того, електродуговий випарник виконаний з можливістю переміщення катода у вертикальному або у горизонтальному напрямках відносно анода за рахунок наявності механічних вузлів, кожен з яких закріплений на виході катода. Додатково запропонований пристрій характеризується наступними уточнюючими новими ознаками. Електродуговий випарник містить два струмопідводи, до кожного з яких підключені об'єднані аноди електричних вентилів. Катоди кожного з електричних вентилів підключені до вторинної обмотки відповідного керуючого трансформатора. Середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів об'єднані та підключені до негативного виводу джерела постійної напруги електроживлення дуги, позитивний вихід якого з'єднаний з анодом. На кінцях протяжного витрачуваного катода розташовані датчики положення катодної точки (датчики для регулювання положення катодної точки), вихід кожного з яких з'єднаний з виходом відповідного комутатора. Вихід кожного комутатора з'єднаний з первинною обмоткою відповідного керуючого трансформатора. Джерело підпалювання виконано у вигляді блока підпалювання, який з'єднаний позитивним виводом через об'єднані середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів та електричних вентилів зі струмовідводами і через негативний вивід цей блок підпалювання з'єднаний з керамічним резистором. Кожен механічний вузол виконаний у вигляді металевої плити з пазами і закріпленими на ній гумовими ущільненнями. Промислова придатність запропонованого електродугового випарника металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі описана нижче, а також ілюстрована кресленнями, на яких зображено: на фіг. 1 - загальна схема запропонованого електродугового випарника металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі; на фіг. 2 - механічний вузол для переміщення катода відносно анода. Опис в статичному стані запропонованого електродугового випарника металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі наведено нижче. Електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі містить протяжний (порожнистий) витрачуваний катод 1, виконаний із матеріалу, що випаровується, з струмовідводами 2 і 3 на його торцях (фіг. 1). До струмопідводу 2 підключені об'єднані аноди 4 та 5 електричних вентилів 6 та 7, а до струмопідводу 3 підключені об'єднані аноди 8 та 9 електричних вентилів 10 та 11. Катоди 12 та 13 електричних вентилів 6 та 7 підключені до вторинної обмотки 14 керуючого трансформатора 15; катоди 16 та 17 електричних вентилів 10 та 11, відповідно, підключені до вторинної обмотки 18 керуючого трансформатора 19. Середні точки 20 та 21 вторинних обмоток 14 та 18 керуючих трансформаторів 15 та 19 об'єднані та підключені до негативного виводу 22 джерела 23 постійної напруги електроживлення дуги, позитивний вихід 24 якого з'єднаний з анодом (вакуумною камерою) 25. На кінцях протяжного витрачуваного катода 1 розташовані датчики положення катодної точки 26 та 27 (датчики для регулювання положення катодної точки), виходи яких з'єднані з виходами комутаторів 28 та 29 відповідно. Вихід комутатора 28 з'єднаний з первинною обмоткою 30 керуючого трансформатора 15, а вихід комутатора 29 з'єднаний з первинною обмоткою 31 керуючого трансформатора 19. Запропонований електродуговий випарник містить блок підпалювання 32, який з'єднаний позитивним виводом 33 через об'єднані середні точки 20 та 21 вторинних обмоток 14 та 18 керуючих трансформаторів 15 і 19 та електричних вентилів 6, 7, 10 та 11 зі струмопідводами 2 і 3 катода 1, і цей блок підпалювання 32 з'єднаний негативним виводом 34 з керамічним резистором 35. На виводах катода 1 закріплені механічні вузли 36 та 37 для можливості переміщення катода 1 відносно анода 25 у горизонтальному напрямку та у вертикальному напрямку (горизонтальний та вертикальний напрямок руху на фіг. 1 зазначений двосторонніми стрілками). Механічні вузли 36 та 37 мають однакові складові елементи - зображення на фіг. 2, де: 38 - вивід катода 1, 39 - клема струмовідводу, 40 - вакуумний ввід (верхня та нижня ізоляційні втулки, гумова прокладка, гайка - цифровими позиціями не зазначені), 41 - плита з пазами, 42 - фланець анода (вакуумної камери) зі шпильками, 43 - гумове ущільнення, 44 гайка та шайба, 45, 46, 47 - типові вакуумні ущільнення на вводах (фіг. 1). 2 UA 96589 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Катод 1 може бути виконаним у вигляді труби з матеріалу, що випаровується, наприклад, з титану ВТ-1, яка має довжину 1000-6000 мм, діаметр зовнішній 4-120 мм, діаметр внутрішній 1020 мм. Струмопідводи 2 та 3 являють собою нержавіючі труби, що закріплені на торцях катода 1, які водночас застосовують для підводу та відводу охолоджуючої рідини через катод 1. Електричний ланцюг через вторинні обмотки 14 та 18 керуючих трансформаторів 15 та 19 та електричні вентилі 6, 7, 10, 11 забезпечують симетричне підключення негативного виводу 22 джерела 23 постійної напруги електроживлення дуги до струмопідводів 2 та 3 катода 1. Електричні вентилі 6, 7, 10, 11 можуть бути виконані на діодах типу Д-161-320-14. Як джерело постійної напруги електроживлення дуги 23 може бути використаним зварювальний випрямляч ВДУ-506. Як анод 25 може бути застосована камера вакуумної установки або додаткові електроди. Датчики 12 та 13 виконані у вигляді стрижнів із нержавіючої сталі, що закріплені на електричному екрані (цифровою позицією не зазначений) та ізольовані від нього. Комутатори 28 та 29 можуть бути виконані на тиристорних модулях типу МТОТО/3-80-12. Керуючі трансформатори 15 та 19 можуть бути типу ОСМ1-2,5 (з перемотаною вторинною обмоткою, яка має середню точку). Блок підпалювання 32 формує високовольтний імпульс і може бути виконаним за будь-якою існуючою схемою. Вищеописані складові елементи запропонованого електродугового випарника наведені нижче у вигляді специфікаційного переліку, де: 1 - протяжний (порожнистий) витрачуваний катод; 2 - струмопідвід (лівий) катода 1; 3 - струмопідвід (правий) катода 1; 4 - анод електричного вентиля 6; 5 - анод електричного вентиля 7; 6 - електричний вентиль; 7 - електричний вентиль; 8 - анод електричного вентиля 10; 9 - анод електричного вентиля 11; 10 - електричний вентиль; 11 - електричний вентиль; 12 - катод вентиля 6; 13 - анод вентиля 7; 14 - вторинна обмотка керуючого трансформатора 15; 15 - керуючий трансформатор; 16 - катод вентиля 10; 17 - катод вентиля 11; 18 - вторинна обмотка керуючого трансформатора 19; 19 - керуючий трансформатор; 20 - середня точка вторинної обмотки 14 керуючого трансформатора 15; 21 - середня точка вторинної обмотки 18 керуючого трансформатора 19; 22 - негативний вивід джерела 23 постійної напруги електроживлення дуги; 23 - джерело постійної напруги електроживлення дуги; 24 - позитивний вихід джерела 23; 25 - анод (вакуумна камера); 26 - датчик (для регулювання) положення катодної точки; 27 - датчик (для регулювання) положення катодної точки; 28 – комутатор; 29 – комутатор; 30 - первинна обмотка керуючого трансформатора 15; 31 - первинна обмотка керуючого трансформатора 19; 32 - блок підпалювання (підпалювальний електрод); 33 - позитивний вивід блока підпалювання 32; 34 - негативний вивід блока підпалювання 32; 35 - керамічний резистор; 36, 37 - механічні вузли, які забезпечують переміщення катода 1 у вертикальному напрямку або у горизонтальному напрямку відносно анода 25; 38 - вивід катода 1; 39 - клема струмовідводу; 40 - вакуумний ввід (верхня та нижня ізоляційні втулки, гумова прокладка, гайка цифровими позиціями не зазначені); 3 UA 96589 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 41 - плита з пазами; 42 - фланець анода (вакуумноїкамери) зі шпильками; 43 - гумове ущільнення; 44 - гайка та шайба; 45, 46, 47 - типові вакуумні ущільнення на вводах; 48 - умовне зображення деталі, на яку наносять покриття. Запропонований електродуговий випарник металів та сплавів працює наступним чином. У вакуумну камеру (анод) 25 встановлюють деталі або вироби для нанесення на них покриття. Електродуговий випарник підключають до джерела постійної напруги електроживлення дуги 23, подають напругу холостого ходу між катодом 1 та анодом 25. Включають блок підпалювання дугового розряду 32, і при включенні блока 32 формується високовольтний імпульс, який пробиває іскру на поверхні кераміки керамічного резистора 35, при цьому ініціюється виникнення електричної дуги між катодом 1 та анодом 25 (в атмосфері азоту) – на ділянці правого струмопідводу 3. При проходженні утвореної катодної точки на ділянці струмовідводу 3, де ініційовано виникнення електричної дуги, сигнал керування з датчика 26 надходить на комутатор 28. Керуючий трансформатор 15 через електричні вентилі 6 та 7 подає негативний потенціал на струмовідвід 2, у результаті чого з'являється (виникає) асиметрія у розподіленні напруги електричного поля по довжині катода 1 та анода 25, внаслідок чого катодна точка переміщується на ділянці лівого струмовідводу 2. При досягненні катодної точки струмовідводу 2 на датчику 27 з'являється сигнал керування, який надходить на комутатор 29. Керуючий трансформатор 19 через електричні вентилі 10 та 11 подає негативний потенціал на струмовідвід 3, і катодна точка переміщується на ділянку правого струмовідводу 3. Таким чином забезпечується зворотно-поступальне переміщення катодної точки повздовж катода 1. Механічні вузли 36 та 37 забезпечують рух катода 1 відносно анода 25 у вертикальному або у горизонтальному напрямках. Конструкція кожного механічного вузла 36 та 37 дозволяє виконувати переміщення катода 1 у вертикальному напрямі за допомогою верхньої та нижньої втулок, гумової прокладки та гайки вакуумного вводу 40, а переміщення катода 1 у горизонтальній площині виконується за допомогою плити 41 з пазами та гайки з шайбою 44. В процесі здійснення нанесення металів, сплавів на деталі, на вироби запропонованим електродуговим випарником досягається одержання абсолютно рівномірного покриття цих деталей або виробів металами або сплавами. Сукупність усіх ознак запропонованого електродугового випарника при його використанні, застосуванні дозволяє одержати технічний результат - поліпшити технологічні можливості, підвисити однорідність обробки поверхні виробів, а також поширити асортимент сучасних електродугових випарників металів та сплавів. При експлуатації запропонованого випарника проявляються нові властивості цього технічного рішення, обумовлені введенням його нових ознак, в результаті яких проявляються його внутрішні властивості, які забезпечують поліпшення технологічних можливостей цього пристрою - абсолютну однорідність обробки поверхні виробів за рахунок нових ознак, а саме - за рахунок наявності двох комутаторів, двох керуючих трансформаторів, електричних вентилів, які попарно об'єднані катодами через вторинні обмотки трансформаторів, об'єднання середніх точок вторинних обмоток керуючих трансформаторів, що підключені до негативного виходу (клеми) джерела (постійної напруги) електроживлення дуги (дугового розряду), виконання електродугового випарника з можливістю переміщення катода у вертикальному або у горизонтальному напрямках відносно анода за рахунок наявності особливих конструктивних елементів. У поєднанні ці ознаки, їх нова сукупність призвели до одержання несподіваного ефекту регулювання, що обумовлює нанесення покриттів з великим ступенем рівномірності по всій поверхні виробу. Ймовірно, оптимальний режим здійснення абсолютно рівномірного покриття при застосуванні запропонованого випарника обумовлений досягненням рівномірної рекомбінації частинок матеріалу, що випаровується, (молекул титану) та молекул азоту в процесі кумулятивного електромагнітного впливу та утворенням іонно-молекулярних зв'язків взаємодіючих середовищ, парів і плазми металу - з оптимальною інтенсивністю енергій і напрямком їх руху, при цьому не утворюються неелектропровідні сполуки. Застосування у запропонованому пристрої симетричного струмовідводу до торців довгомірного катода через електричні вентилі, які розташовані у вторинних обмотках керуючих трансформаторів, при цьому у залежності від місцезнаходження катодної точки на поверхні катода, що визначається датчиками положення по сигналу, які відповідають за переміщення катодної точки, забезпечення переміщення катода у вертикальному та горизонтальному напрямках у поєднанні дозволяють здійснювати регульоване переміщення катодної точки 4 UA 96589 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дугового розряду по катоду і, відповідно - якісне, рівномірне нанесення покриття металів або сплавів на поверхню виробів. При використанні електродугового випарника технічний результат посилюється за рахунок наявності саме двох струмопідводів, до кожного з яких підключені об'єднані аноди електричних вентилів, підключення катодів електричних вентилів до вторинної обмотки керуючого трансформатора, об'єднання середніх точок вторинних обмоток керуючих трансформаторів та підключення їх до негативного виводу джерела постійної напруги електроживлення дуги, певне встановлення датчиків положення катодної точки, комутаторів, джерела підпалювання у вигляді блока підпалювання, що з'єднаний позитивним виводом через об'єднані середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів та електричних вентилів з струмовідводами та через негативний вивід - з керамічним резистором. Запропонований електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі виготовлений у промислових умовах, проведені його широкі експериментальновиробничі випробування, які показали промислову спроможність цього випарника, його високу ефективність при використанні: випробувальне покриття деталей, виробів (1000 одиниць на один катод) з застосуванням такого електродугового випарника були здійснені з високою точністю регулювання процесу і з одержанням абсолютної рівномірності покриттів. Можливість виробництва створеного пристрою поширює асортимент сучасних електродугових випарників металів та сплавів. Джерела інформації: 1. Авторське свідоцтво СРСР № 1802550, м.кл. С23С14/56, заявл. 28.05.1987,опубл. 15.12.1994. 2. Патент Російської Федерації на винахід № 2186874, м.кл. С23С14/35, опубл. 10.08.2002. 3. Патент Російської Федерації на винахід № 2077604, м. кл. С23С14/32, опубл. 20.04.1997. 4. Патент України на корисну модель № 1995, м.кл. С23С14/32, опубл. 15.09.2003 бюл. № 9. 5. Патент України на винахід № 86841, м.кл. С23С14/00, опубл. 25.05.2009 бюл. № 10. 6. Патент Російської Федерації на винахід № 2059737, м.кл. С23С14/35, опубл. 10.06.1996 прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Електродуговий випарник металів та сплавів для нанесення покриттів у вакуумі, який містить протяжний витрачуваний катод, виконаний із матеріалу, що випаровується, анод, джерело підпалювання електродуги, з'єднане з анодом джерело постійної напруги електроживлення дуги, струмопідводи, засіб визначення положення катодної точки у вигляді датчиків поточного положення катодної точки, який відрізняється тим, що він містить два комутатори, два керуючі трансформатори, електричні вентилі, які попарно об'єднані катодами через вторинні обмотки керуючих трансформаторів, при цьому середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів об'єднані та підключені до негативного виходу джерела постійної напруги електроживлення дуги, крім того, електродуговий випарник виконаний з можливістю переміщення катода у вертикальному або у горизонтальному напрямках відносно анода за рахунок наявності механічних вузлів, кожен з яких закріплений на виході катода. 2. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що він містить два струмопідводи, до кожного з яких підключені об'єднані аноди електричних вентилів. 3. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що катоди електричних вентилів підключені до вторинної обмотки відповідного керуючого трансформатора. 4. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів об'єднані та підключені до негативного виводу джерела постійної напруги електроживлення дуги, позитивний вихід якого з'єднаний з анодом. 5. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що на кінцях протяжного витрачуваного катода розташовані датчики положення катодної точки, вихід кожного з яких з'єднаний з виходом відповідного комутатора. 6. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що вихід кожного комутатора з'єднаний з первинною обмоткою відповідного керуючого трансформатора. 7. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що джерело підпалювання виконано у вигляді блока підпалювання, який з'єднаний позитивним виводом через об'єднані середні точки вторинних обмоток керуючих трансформаторів та електричних вентилів зі струмовідводами і через негативний вивід цей блок підпалювання з'єднаний з керамічним резистором. 5 UA 96589 U 8. Електродуговий випарник за п. 1, який відрізняється тим, що кожен механічний вузол виконаний у вигляді металевої плити з пазами та закріпленими на ній гумовими ущільненнями. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6