Способ нанесения кадмиевого покрытия прецизионным вакуумным напылением на поверхность детали

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к вакуумному напылению деталей, и направлено на повышение точности получения толщины покрытия заданной геометрии на поверхности деталей симметричной формы. Изобретение может быть эффективно использовано в машиностроении, приборостроении, электронной промышленности, где предъявляются повышенные требования к деталям ответственного назначения.

Известен способ вакуумного напыления пленок и устройство для его осуществления (патент РФ №2190036, МПК⁷ С23С 14/30, публикация 27.09.2002), включающий формирование электронного пучка, испарение материала мишени электронным пучком и его осаждение на подложку, дополнительный нагрев материала мишени направленным тепловым излучением. Изобретение позволяет повысить качество напыления за счет снижения расхода испаряемого материала и увеличения скорости испарения. Недостатком способа является применение дорогостоящего оборудования и отсутствие управляемости для получения разнотолщинного покрытия.

Существует метод гальванического цианистого кадмирования (держатель подлинника методики - завод «Авангард»), имеющий ряд недостатков:

- необходимость выполнения специальных требований по организации рабочего места при работе с цианистым электролитом кадмирования;

- невозможность визуального контроля за процессом получения покрытия;

- вероятность получения пористого покрытия на границе электролит-воздух;

- значительная погрешность толщины кадмиевого покрытия.

Известен способ электронно-лучевого напыления слоя кадмия с заданным профилем на внутренней поверхности сферической оболочки, (О.В. Щедрин, Б.А. Власов «Нанесение разнотолщинной кадмиевой облицовки на внутреннюю сферическую поверхность оболочки методом электронно-лучевого напыления в вакууме» Препринт ВНИИЭФ-М.: ЦНИИатоминформ, 1992). Процесс включает: выбор геометрии расположения вкладыша относительно тигля с кадмием; отработку технологии электронно-лучевого напыления; отработку методики контроля толщины слоя кадмия на вкладыше; определение адгезионных свойств. К преимуществам электронно-лучевого метода нанесения покрытий относят возможность работы с изделиями из разнообразных материалов, высокую производительность и относительно небольшую трудоемкость. К недостаткам метода относят излишне сложное оборудование (электроннолучевая установка) и загрязнение установки парами кадмия, что делает неприемлемым использование метода в условиях серийного производства.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления слоя металла (RU 2190037 С2, МПК С23С 14/34 (2000.01) опубликовано 27.09.2002), заключающийся в том, что для получения слоя с требуемой плотностью по толщине вращение подложки осуществляют так, чтобы угол падения паров металла на подложку менялся в пределах от 0 до π/2 в произвольной точке поверхности. Вращательное движение плоских или цилиндрических поверхностей при этом осуществляют с периодическими колебаниями относительно оси, направленной перпендикулярно направлению потока пара. Перемещение подложки сферической формы осуществляют в виде планетарного вращения вокруг неподвижного центра сферы. Данный способ требует сложного технического оснащения в виде управляемых осей вращения и планетарных механизмов. Для получения требуемых свойств покрытия требуются многочисленные экспериментальные данные, зависящие от углов наклона поверхности к направлению потока пара.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, и которая не могла быть решена при использовании аналогов изобретения, является разработка способа нанесения кадмиевого покрытия с управляемой контролируемой толщиной и плотностью по секторам детали. Основными требованиями, которые предъявляются к прецизионному покрытию, являются получение покрытия без отслоений, обеспечение требований по распределению толщины и плотности в заданных секторах поверхности детали с плавным переходом толщины от одного сектора в другой.

Одновременно способ обеспечивает наименьшее загрязнение окружающей среды кадмием по сравнению с другими способами нанесения.

Обозначенную проблему решают способом вакуумного напыления с использованием вакуумной камеры, вращателя, источника питания нагрева детали и испарителя. Для достижения требуемого распределения толщины покрытия по секторам применяют монолитный многотигельный испаритель.

Процесс происходит при непрерывном перемещении детали. Сначала деталь нагревают для очистки и активирования напыляемой поверхности, затем температуру снижают до значений, при которых происходит конденсация паров испаряемого металла. Одновременно осуществляется нагрев испарителя до температуры испарения. Процесс перемещения детали относительно испарителя продолжают таким образом, чтобы расстояние напыляемой поверхности от источников пара было неизменным. Нанесение покрытия на тела вращения, такие, как цилиндр, конус, сфера осуществляют при их вращении вокруг собственной оси. Распределение толщины покрытия по заданной геометрии достигают расположением тиглей в испарителе и дозировкой испаряемого металла в тиглях. По мере обезгаживания испаряемого металла в тиглях температуру испарителя увеличивают, не превышая температуру кипения с целью исключения точечных выбросов на напыляемую поверхность. Требуемые размеры покрытия получают по достижению полного испарения напыляемого материала из тиглей путем выдержки по времени.

Пример реализации способа нанесения кадмиевого покрытия на внутреннюю поверхность стальной сферической детали.

Для обеспечения проведения эксперимента и организации рабочего места было предложено использовать имеющуюся в производстве экспериментальную установку Ж52А 3452.

Установка была оснащена электронными нагревателями, многотигельным испарителем, системой закрепления детали и ее вращения под заданным углом к горизонту.

В связи с тем, что требуемая мощность нагрева для достижения температуры устойчивого испарения кадмия невелика и составляет не более 50 Вт., данную величину мощности обеспечивали и поддерживали с высокой стабильностью электронной бомбардировкой. В качестве материала испарителя выбран молибден, обладающий преимуществами: высокими теплопроводностью и термостойкостью; отсутствием взаимодействия с кадмием; возможностью изготовления многотигельного подогревателя с одним источником нагрева; более высокой эрозионной стойкостью при электронной бомбардировке и, следовательно, ресурсом работы.

В качестве метода нагрева детали использовалась электронная бомбардировка, так как осуществлять нагрев перемещающейся детали в вакууме с непосредственным контролем мощности другими способами невозможно. По сравнению с другими известными методами, например, резистивным, радиационным или нагревом током высокой частоты, она проще реализуется, обладает более высокой стабильностью, легче в управлении. Нагрев сферической детали осуществлялся снаружи.

Реализованным способом было предусмотрено, что распределение толщины покрытия по секторам будет обеспечено несколькими тиглями - испарителями кадмия. Причем, одновременно процесс испарения идет из нескольких тиглей. Для равномерного распределения покрытия по периметру детали осуществлялось ее вращение. Расположение тиглей было равноудаленным от напыляемой сферической поверхности.

На приведенной ниже схеме представлена форма одного испарителя кадмия для многотигельной конструкции.

Представленная конструкция тигля в испарителе отличается наличием верхней и нижней молибденовых пластин корпуса. В верхней пластине выполнено сопло для ограничения распространения паров кадмия и направления их преимущественно на подложку. Отверстие сопла выполнено меньше диаметра камеры тигля с целью управления процессом образования пара и направлением его потока. Расстояние от испарителя до напыляемой поверхности устанавливают по их соотношению: H=L,

где L - расстояние между тиглями; L=1,2×D;

D - диаметр тигля.

Для обеспечения равномерного нанесения покрытия кадмия на внутреннюю поверхность детали производилось вращение сферы вокруг собственной оси симметрии с применением внешнего привода; использовались экраны, предотвращающие напыление кадмия на другие поверхности, испаритель с тиглями, нагреватель испарителя в виде вольфрамовой спирали, имитирующий электроны, источник питания электронной бомбардировки.

Так как температура испарителя является важным параметром процесса напыления, то для измерения температуры нагрева испарителя применялся пирометр Impac. Температура детали также контролировалась на всех стадиях процесса, так как от ее стабильности зависит толщина нанесенного слоя. При реализации способа было определено, что оптимальная температура процесса нанесения находится вблизи значения температуры испарителя 420°С, а температуры детали 250°С. Увеличение температуры испаряемого кадмия выше 450°С вызывает кипение, возникновение капельного переноса и нарушение равномерность покрытия.

Ведение процесса при температурах детали ниже 250°С может приводить к отслоению покрытия.

Способ оптимален с экологической точки зрения, позволяя получать покрытия детали типа вкладыш с заданной контролируемой толщиной и требуемым распределением слоя по напыляемой поверхности. Поступление кадмия в вакуумную систему не превышает 2% (осаждается в вакуумной системе), КПД осаждения кадмия на рабочей поверхности составляет 70%. Остальные пары улавливаются экранами.

Предложенный способ нанесения кадмиевого покрытия методом прецизионного вакуумного напыления опробован в производстве, позволяет применять обычное оборудование, не требует переподготовки персонала.