устройство для нанесения упрочняющих покрытий

Формула изобретения

Устройство для нанесения упрочняющих покрытий, включающее реакционную камеру, стол и катодные узлы, состоящие из катода и токоподводящей трубы, отличающееся тем, что камера имеет дверцу и патрубок для присоединения вакуумной системы, каждый катодный узел имеет патрубки для подачи и забора воды и трубку для подвода реакционного газа, расположенную в токоведущей трубе, а внутри катода выполнен канал, сообщающийся с трубкой для подвода реакционного газа, в форме конуса с вершиной, обращенной к этой трубке.

Описание изобретения к патенту

Bзобретение относится к области электротермии, в частности к устройствам для нанесения ионно-плазменных покрытий.

Известно устройство-прототип для нанесения упрочняющих покрытий (RU 20666704 C1, С 23 С 14/24, 20.09.1996) из водоохлаждаемой камеры, в которой расположены стол, патрубок для присоединения вакуумной системы, трубка для подвода реакционного газа и катодные узлы с водоохлаждаемым каплеуловителем, состоящие из цельного катода цилиндрической формы, токоведущей шины и охлаждающей системы. Устройство работает по принципу плазменного ускорителя. Ионы, содержащиеся в плазменном потоке, с большой скоростью бомбардируют поверхность деталей, очищают и активируют поверхность обработки. Ионы внедряются в кристаллическую решетку поверхностного слоя и образуют на поверхности микропленку конденсируемого материала тугоплавкого катода.

Недостатком известного устройства-прототипа являются:

- низкий коэффициент использования реакционного газа, не превышающий 30%;

- высокие температуры нагрева деталей ионной бомбардировкой, не ниже 300^oС, что значительно снижает эффективность метода;

- значительное количество микрокапельной фазы, не позволяющее наносить покрытия на детали с шероховатостью, меньшей, чем R_a 2,5...1,25 из-за неизбежного ухудшения чистоты поверхности, при этом использование водоохлаждаемого каплеуловителя не достаточно эффективно.

Кроме того, при нанесении покрытий может формироваться переходная зона со столбчатой структурой, которая значительно понижает адгезионную прочность ионно-плазменных покрытий с обрабатываемыми деталей.

Технический результат от использования заявляемого изобретения состоит в повышении коэффициента использования реакционных газов, снижении температуры нагрева деталей ионной бомбардировкой, уменьшении количества "микрокапельной" фазы, избежании формирования переходной зоны со столбчатой структурой.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для нанесения покрытий, включающем реакционную камеру, стол и катодные узлы, состоящие из катода и токоподводящей трубы, камера имеет дверцу и патрубок для присоединения вакуумной системы, каждый катодный узел имеет патрубки для подачи и забора воды и трубку для подвода реакционного газа, расположенную в токоведущей трубе, а внутри катода выполнен канал, сообщающийся с трубкой для подвода реакционного газа, в форме конуса с вершиной, обращенной к этой трубке.

На фиг. 1 показана схема устройства для нанесения упрочняющих покрытий. На фиг.2 показано поперечное сечение катодного узла.

Устройство для нанесения упрочняющих покрытий содержит корпус 1, дверцу 2, стол 3, патрубок для присоединения вакуумной системы 4, катодные узлы 5. Катодный узел состоит из катода 6, внутреннего канала 7, токоведущей трубы 8, трубки для подвода реакционного газа 9, патрубков для подачи и забора воды 10.

Устройство работает следующим образом. Образец размещают на столе 3, расположенном в корпусе 1, через дверцу 2.

Откачку воздуха из камеры проводят с использованием вакуумной системы через патрубок 4.

Очистку деталей проводят плазмой тлеющего разряда в среде аргона при давлении в реакционной камере (4...5)10^-2 мм pт.cт. при постепенном подъеме напряжения до 0,8. ..1,2 кВ до полного прекращения микродуг на поверхности деталей.

Нагрев образцов ионной бомбардировкой проводят двумя катодными узлами 5 до температуры, которая определяется типом инструментальной стали: У8 и 40Х - 473. . . 493 К (200...220^oС); ХВГ и Х12Ф1 - 603 К (330...350^oС); 30ХГСА и 4Х5МФС - 703...732К (430...450^oС).

Ток дуги на катодах: Ti-80A; Сr-60А; Аl-90А. Величина тока фокусирующих катушек: 0,4. . .0,5 А. Величина тока стабилизирующих катушек: 0,6...0,8 А. Величина остаточного давления в реакционной камере: (4...5)^o10^-4 мм рт.ст.

Конденсацию упрочняющих покрытий проводят при следующих режимах: покрытие Ti-TiN: титан - 20 мин, нитрид титана - 30 мин; покрытие (Ti, Cr)-(Ti, Cr)N: титан-хром - 20 мин, нитрид титана-хром - 30 мин; покрытие (Ti, Al)N: нитрид титана-алюминий - 40 мин.

Давление азота в реакционной камере (4...5)10^-3 мм рт.ст. Величину опорного напряжения при конденсации покрытий изменяют от 300 В до 150 В в зависимости от изменения температуры деталей.

При этом реакционный газ по трубке 9, поступает в расположенный внутри катода 6 канал 7, выполненный в форме конуса, вершина которого сообщается с трубкой для подвода реакционного газа 9, где происходит формирование нитридов тугоплавких металлов, образующих покрытие. Напряжение подается на токоведущую трубу 8, в которой циркулирует вода, поступающая через патрубки для подачи и забора воды 10.

Использование предлагаемого устройства показало, что по сравнению с прототипом, заявляемое устройство обеспечивает уменьшение количества "микрокапельной" фазы в объеме покрытий в 40-50 раз. По данным металлографического анализа в структуре покрытий наблюдается небольшое количество "микрокапельной" фазы с дисперсностью, не превышающей 20...30 мкм.

Кроме того, уменьшается расход реакционных газов, понижается температура нагрева деталей до 180-200^oС, повышается адгезионная прочность.

Из анализа результатов по изменению шероховатости поверхности образцов из различных инструментальных сталей следует, что конденсация многослойных и комбинированных покрытий с использованием заявляемого устройства не приводит к понижению шероховатости до значений Ra 0,04...0,02. При этом при исходной шероховатости Ra 2,5...1,25 чистота поверхности после конденсации покрытий толщиной 6...8 мкм повышается, независимо от состава инструментальной стали.

Исследования показывают, что процесс нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на конструкционные и инструментальные стали при подаче реакционных газов по центральному каналу катодного узла значительно расширяет возможности ионно-плазменной технологии при нанесении покрытий различного функционального назначения.

При формировании покрытий в результате сепарации "микрокапельной" фазы значительно повышаются физико-механические свойства: микро-твердость с 1000-1200 кг/мм² до 1800-2000 кг/мм², твердость с 35-40 HRC до 60-65 HRC.

Коэффициент использования реакционных газов (аргон, азот, ацетилен) возрастает с 30-35% до 80-90%.

Значительное уменьшение микрокапельной фазы в составе покрытий позволили наносить покрытия на поверхности с шероховатостью до 12 класса и использовать ионно-плазменную технологию для упрочнения штампов и пресс-форм с высокой степенью подготовки поверхности.

Использование при нанесении ионно-плазменных покрытий низких температур нагрева деталей (не выше 200^oС) позволяет проводить упрочнение формующих поверхностей деформирующего инструмента из углеродистых сталей, нагрев которых до более высоких температур приведет к разупрочнению инструмента.