RU2454485C1 - Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation - Google Patents
Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2454485C1 RU2454485C1 RU2010142498/02A RU2010142498A RU2454485C1 RU 2454485 C1 RU2454485 C1 RU 2454485C1 RU 2010142498/02 A RU2010142498/02 A RU 2010142498/02A RU 2010142498 A RU2010142498 A RU 2010142498A RU 2454485 C1 RU2454485 C1 RU 2454485C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- voltage
- ions
- metal
- substance
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами и предназначено для изменения физических, механических и химических свойств поверхностных слоев металлов и сплавов с помощью ионной имплантации.The invention relates to ion-beam technologies for producing materials with special properties and is intended to change the physical, mechanical and chemical properties of the surface layers of metals and alloys using ion implantation.
Известен способ ионной имплантации (авторское свидетельство СССР №1412517, МПК H01O 37/317, 1990 г.), заключающийся в следующем. С помощью импульсного вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы, из которой затем ускоряются ионы. Ускоренными ионами облучают образец, затем вновь генерируют импульсы плазмы и облучают образец потоком плазмы. Указанные операции повторяются многократно и поочередно. В данном способе плазменный поток компенсирует поток распыляемых под действием ионной бомбардировки атомов образца, что позволяет повысить в образце концентрацию имплантируемой примеси.The known method of ion implantation (USSR author's certificate No. 1412517, IPC H01O 37/317, 1990), which consists in the following. Using a pulsed vacuum-arc discharge, plasma pulses are generated, from which ions are then accelerated. The sample is irradiated with accelerated ions, then the plasma pulses are again generated and the sample is irradiated with a plasma stream. These operations are repeated repeatedly and alternately. In this method, the plasma flow compensates for the flow of sample atoms atomized by the ion bombardment, which makes it possible to increase the concentration of implantable impurities in the sample.
Недостатком этого способа является то, что поочередное облучение образца ионами и плазмой приводит к осаждению посторонних примесей на образце в промежутках между импульсами.The disadvantage of this method is that alternating irradiation of the sample with ions and plasma leads to the deposition of impurities on the sample in the intervals between pulses.
Известен «Способ импульсно-периодической ионной обработки изделия и устройство для его осуществления» (авторское свидетельство СССР №1764335, МПК C23C 14/32, 1994 г.). По этому способу с помощью ваккумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы и ускоряют ионы. В отличие от предыдущего способа в каждом импульсе генерации плазмы из нее ускоряют ионы и проводят облучение образца плазмой и ионами как одновременно, так и последовательно (сразу после окончания ионного облучения). Соотношение доз ионного и плазменного облучения регулирует соотношение длительностей импульсов генераций плазмы и ускорения ионов.The well-known "Method of pulse-periodic ion processing of the product and a device for its implementation" (USSR copyright certificate No. 1764335, IPC C23C 14/32, 1994). According to this method, using a vacuum-arc discharge, plasma pulses are generated and ions are accelerated. Unlike the previous method, in each plasma generation pulse from it, ions are accelerated and the sample is irradiated with plasma and ions both simultaneously and sequentially (immediately after the end of ion irradiation). The ratio of the doses of ion and plasma irradiation regulates the ratio of the durations of the pulses of the plasma generation and ion acceleration.
Данный способ имеет невысокую эффективность имплантации ионов в поверхность обрабатываемой детали, поскольку длина свободного пробега ионов, а следовательно, и их энергия недостаточно велики. Кроме того, при дуговом распылении имплантируемого вещества неизбежно образование микрокапельной фракции, которая ухудшает качество поверхности обрабатываемой детали.This method has a low efficiency of implanting ions into the surface of the workpiece, since the mean free path of ions, and therefore their energy, is not large enough. In addition, during arc spraying of the implantable substance, the formation of a microdrop fraction is inevitable, which affects the surface quality of the workpiece.
Известен «Способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия и устройство для его осуществления» (патент РФ №2113538, МПК 6 C23C 14/32, C23C 14/48, C23C 14/56, 1998 г.). Способ предусматривает поочередную обработку изделий плазмой дугового разряда и импульсами ионов, ускоряемых из этой плазмы. Генерацию плазмы осуществляют непрерывно. Соотношение доз облучения ускоренными ионами и плазмой регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряемого напряжения изменения расстояния от источника ионов и плазмы до изделия.The well-known "Method of pulse-periodic ion and plasma processing of the product and a device for its implementation" (RF patent No. 2113538, IPC 6 C23C 14/32, C23C 14/48, C23C 14/56, 1998). The method provides for the sequential processing of products by plasma arc discharge and pulses of ions accelerated from this plasma. Plasma generation is carried out continuously. The ratio of radiation doses by accelerated ions and plasma is controlled by changing the repetition rate, pulse duration of the accelerated voltage, changing the distance from the ion source and plasma to the product.
В данном способе из-за непрерывности генерации плазмы дуговым разрядом на поверхности обрабатываемых деталей возможно появление распыляемого вещества катода в капельной форме, характерное для этой формы развития разряда. Кроме того, наличие интервала времени, в промежутке которого на поверхность деталей воздействует плазма, уменьшает эффективность имплантации ионов.In this method, due to the continuity of plasma generation by an arc discharge on the surface of the workpieces, a sputtered cathode substance can appear in a droplet form characteristic of this form of discharge development. In addition, the presence of a time interval during which plasma acts on the surface of the parts reduces the efficiency of ion implantation.
В качестве прототипа выбран «Способ и устройство для обработки поверхности заготовки путем обеспечения столкновения ионов с подвергающейся имплантации поверхностью заготовки» (заявка на изобретение РФ №98100674, МПК C23C 14/48, 1999 г.), который содержит следующие операции: подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, ионизацию ионизируемого вещества для формирования ионной плазмы вблизи подвергающихся имплантации поверхностей одной или более заготовок и ускорение ионов в плазме при помощи электрического поля.As a prototype, “Method and device for processing the surface of the workpiece by ensuring the collision of ions with the surface of the workpiece being implanted” was selected (application for invention of the Russian Federation No. 98100674, IPC C23C 14/48, 1999), which contains the following operations: supply of the ionizable substance inside chambers, ionization of an ionizable substance to form an ionic plasma near the surfaces of one or more preforms undergoing implantation, and ion acceleration in a plasma using an electric field.
К недостаткам указанного способа следует отнести низкую степень ионизации, которая снижает эффективность имплантации и не обеспечивает высокого качества поверхностей режущего инструмента и деталей машин.The disadvantages of this method include a low degree of ionization, which reduces the efficiency of implantation and does not provide high quality surfaces of the cutting tool and machine parts.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение рабочих свойств поверхностей режущего инструмента и деталей машин, повышение их износостойкости.The technical result of the claimed invention is to improve the working properties of the surfaces of the cutting tool and machine parts, increasing their wear resistance.
Технический результат достигается тем, что в способе импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия, включающем операции: помещение металлических изделий в вакуумную камеру, подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, ионизацию ионизируемого вещества для формирования ионной плазмы вблизи подвергающихся имплантации поверхностей металлических изделий и ускорение ионов из плазмы при помощи электрического поля, дополнительно перед операцией имплантации поверхность металлического изделия очищают от загрязнений путем бомбардировки ионами и электронами, затем поочередно и многократно осуществляют генерацию плазмы и ускорение ионов из плазмы имплантируемого вещества.The technical result is achieved by the fact that in the method of pulse-periodic ion processing of a metal product, which includes operations: placing metal products in a vacuum chamber, supplying an ionizable substance into the chamber, ionizing an ionizable substance to form an ionic plasma near implanted surfaces of metal products and accelerating ions from plasma using an electric field, in addition to the implantation operation, the surface of the metal product is cleaned from contamination bombardment by ions and electrons, then alternately and repeatedly carry out the generation of plasma and acceleration of ions from the plasma of the implanted substance.
Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия реализуется следующим образом. В заземленную металлическую вакуумную камеру помещают металлические изделия. Осуществляют откачку газовой среды до глубокого вакуума. С целью удаления загрязнений, производят очистку поверхности металлических изделий путем бомбардировки ионами и электронами с низкой энергией (менее 1 кэВ) для подготовки поверхности металлических изделий к имплантации. Осуществляют подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, а затем поочередно и многократно осуществляют генерацию плазмы до степени ионизации, близкой к единице, и ускорение ионов из плазмы имплантируемого вещества при помощи воздействия импульсного электрического поля, что позволяет использовать один и тот же объем вакуумной камеры для генерации и ускорения ионов.The method of pulse-periodic ionic processing of a metal product is implemented as follows. Metal products are placed in a grounded metal vacuum chamber. Carry out the pumping of the gaseous medium to a deep vacuum. In order to remove contaminants, the surface of metal products is cleaned by bombarding with low-energy ions and electrons (less than 1 keV) to prepare the surface of metal products for implantation. The ionized substance is supplied inside the chamber, and then, alternately and repeatedly, plasma is generated to a degree of ionization close to unity and the ions are accelerated from the plasma of the implanted substance by the action of a pulsed electric field, which makes it possible to use the same volume of the vacuum chamber to generate and acceleration of ions.
Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия реализован в устройстве, содержащем заземленную металлическую вакуумную камеру с закрепленными в ней внешним электродом и опорным электродом, которые подключены через вакуумные проходные изоляторы к источнику напряжения, подключенному через блок управления к первому коммутатору, соединенному с первым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к средней точке вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, и ко второму коммутатору, соединенному со вторым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора.The method of pulse-periodic ionic processing of a metal product is implemented in a device containing a grounded metal vacuum chamber with an external electrode and a reference electrode fixed in it, which are connected through vacuum bushing insulators to a voltage source connected via a control unit to the first switch connected to the first high-voltage capacitive a drive connected to the midpoint of the secondary winding of the high-voltage pulse transformer, and to the second switch, connected with a second high-voltage capacitive storage connected to the primary winding of a high-voltage pulse transformer.
Предлагаемое устройство схематически изображено на чертеже.The proposed device is schematically depicted in the drawing.
Устройство содержит заземленную металлическую вакуумную камеру 1, внешний электрод 2, опорный электрод 3 для крепления обрабатываемых металлических изделий, высоковольтные вакуумные проходные изоляторы 4, высоковольтный импульсный трансформатор 5 со средней точкой в обмотке высокого напряжения, первый емкостный накопитель 6, подключенный к средней точке высоковольтной обмотки импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель 7, первый коммутатор 8, осуществляющий коммутацию первого емкостного накопителя 6, второй коммутатор 9, осуществляющий коммутацию второго емкостного накопителя 7, блок управления 10 коммутаторами, 11 - обрабатываемые металлические изделия.The device contains a grounded metal vacuum chamber 1, an external electrode 2, a reference electrode 3 for fastening the metal products to be processed, high-voltage vacuum bushings 4, a high-voltage pulse transformer 5 with a mid-point in the high-voltage winding, the first capacitive storage 6 connected to the mid-point of the high-voltage winding pulse transformer, the second capacitive storage 7, the first switch 8, switching the first capacitive storage 6, the second switch 9, OS fected switching the second storage capacitor 7, the control unit 10 switches 11 - processed metal products.
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
Обрабатываемые металлические изделия 11 помещают в заземленную металлическую вакуумную камеру 1 на опорный электрод 3. Заземленную металлическую вакуумную камеру 1 откачивают до давления менее чем 10-3 Па. С целью удаления загрязнений, производят очистку поверхности металлических изделий. При этом в заземленную металлическую вакуумную камеру 1 подается рабочий газ, а на внешний электрод 2 и опорный электрод 3 подается переменное напряжение от внешнего источника (на чертеже не показан). Величина переменного напряжения должна быть не менее 300 В для обеспечения зажигания тлеющего разряда между внешним электродом 2 и опорным электродом 3. Образовавшиеся в тлеющем разряде электроны и ионы с низкой энергией (менее 1 кэВ) бомбардируют поверхность металлических изделий, очищая ее от загрязнений. Далее в вакуумную камеру 1 подается имплантируемое вещество. Затем поочередно и многократно выполняют две операции: возбуждают газовый разряд с эффектом полого катода и ускоряют ионы из плазмы имплантируемого вещества. Для этого между внешним электродом 2 и опорным электродом 3 от блока управления 10 подается управляющий сигнал на первый коммутатор 8, который осуществляет подачу отрицательного напряжения относительно заземленной металлической вакуумной камеры 1 через среднюю точку высоковольтной обмотки импульсного трансформатора 5 величиной не менее 300 В. Длительность подачи напряжения должна быть такой, чтобы обеспечить генерацию плазмы со степенью ионизации плазмы, близкой к единице. Затем от блока управления 10 подается управляющий сигнал на второй коммутатор 9, который осуществляет подачу напряжения на первичную обмотку импульсного трансформатора 5. При этом на выводах вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 возникает разность потенциалов более 1 кВ, которая прикладывается к внешнему электроду 2 и опорному электроду 3. Полярность напряжения устанавливается так, что внешний электрод 2 становится анодом, а опорный электрод 3 - катодом. При этом в плазме имплантируемого вещества наблюдается разделение зарядов. Отрицательные электроны смещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. Положительные ионы, ускоряясь в прикатодной области, приобретают энергию, пропорциональную напряжению, возникающему на выводах вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, и имплантируются в поверхность обрабатываемых металлических изделий с энергией более 1 кэВ.The processed metal products 11 are placed in a grounded metal vacuum chamber 1 on the supporting electrode 3. The grounded metal vacuum chamber 1 is pumped to a pressure of less than 10 -3 Pa. In order to remove contaminants, the surface of metal products is cleaned. In this case, working gas is supplied to the grounded metal vacuum chamber 1, and an alternating voltage from an external source (not shown) is supplied to the external electrode 2 and the reference electrode 3. The magnitude of the alternating voltage must be at least 300 V to ensure ignition of a glow discharge between the external electrode 2 and the reference electrode 3. The electrons and ions formed in the glow discharge with low energy (less than 1 keV) bombard the surface of metal products, cleaning it from pollution. Next, the implantable substance is fed into the vacuum chamber 1. Then, one by one and repeatedly, two operations are performed: a gas discharge with the hollow cathode effect is excited and ions from the plasma of the implanted substance are accelerated. To do this, between the external electrode 2 and the reference electrode 3 from the control unit 10, a control signal is supplied to the first switch 8, which feeds a negative voltage relative to the grounded metal vacuum chamber 1 through the midpoint of the high-voltage winding of the pulse transformer 5 of at least 300 V. should be such as to ensure plasma generation with a degree of plasma ionization close to unity. Then, from the control unit 10, a control signal is supplied to the second switch 9, which supplies voltage to the primary winding of the pulse transformer 5. At the same time, a potential difference of more than 1 kV appears on the terminals of the secondary winding of the pulse transformer 5, which is applied to the external electrode 2 and the reference electrode 3 The voltage polarity is set so that the external electrode 2 becomes the anode, and the reference electrode 3 becomes the cathode. Moreover, in the plasma of the implantable substance, charge separation is observed. Negative electrons are displaced to the anode, and positive ions - to the cathode. Positive ions, accelerating in the cathode region, acquire energy proportional to the voltage occurring at the terminals of the secondary winding of the pulse transformer 5, and are implanted into the surface of the processed metal products with an energy of more than 1 keV.
Производили обработку поверхности режущих инструментов из стали 38 ХМЮА путем имплантации ионов азота с энергией ионов в диапазоне 50-100 кэВ и дозой 1016-1018 ион/см2 при давлении от 1 до 10 Па в течение 5-7 минут. Анализ износостойкости показал ее увеличение до 4 раз по сравнению с исходными образцами.The surface of cutting tools made of steel 38 KhMYuA was produced by implanting nitrogen ions with an ion energy in the range of 50-100 keV and a dose of 1016-1018 ion / cm 2 at a pressure of 1 to 10 Pa for 5-7 minutes. Analysis of wear resistance showed its increase up to 4 times compared with the original samples.
Таким образом, применение заявляемого способа и устройства позволяет улучшить рабочие свойства поверхностей режущего инструмента и деталей машин, повысить их износостойкость.Thus, the application of the proposed method and device can improve the working properties of the surfaces of the cutting tool and machine parts, to increase their wear resistance.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010142498/02A RU2454485C1 (en) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010142498/02A RU2454485C1 (en) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010142498A RU2010142498A (en) | 2012-04-27 |
| RU2454485C1 true RU2454485C1 (en) | 2012-06-27 |
Family
ID=46297042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010142498/02A RU2454485C1 (en) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2454485C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU198294U1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-06-30 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Device for cleaning the surface of samples for electron microscopy |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2113538C1 (en) * | 1996-07-09 | 1998-06-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
| RU98100674A (en) * | 1997-01-09 | 1999-10-27 | Итон Корпорейшн | METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING A SURFACE OF A PREPARATION BY MAKING COLLISION OF IONS WITH AN IMPLANTED SURFACE OF A PREPARATION |
| RU2238999C1 (en) * | 2003-02-19 | 2004-10-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете" | Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings |
| US20050260837A1 (en) * | 2004-05-24 | 2005-11-24 | Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. | Methods for stable and repeatable ion implantation |
-
2010
- 2010-10-18 RU RU2010142498/02A patent/RU2454485C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2113538C1 (en) * | 1996-07-09 | 1998-06-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
| RU98100674A (en) * | 1997-01-09 | 1999-10-27 | Итон Корпорейшн | METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING A SURFACE OF A PREPARATION BY MAKING COLLISION OF IONS WITH AN IMPLANTED SURFACE OF A PREPARATION |
| RU2238999C1 (en) * | 2003-02-19 | 2004-10-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете" | Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings |
| US20050260837A1 (en) * | 2004-05-24 | 2005-11-24 | Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. | Methods for stable and repeatable ion implantation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU198294U1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-06-30 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Device for cleaning the surface of samples for electron microscopy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010142498A (en) | 2012-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
| EP1559128B1 (en) | Methods and apparatus for generating high-density plasma | |
| JP2000256845A5 (en) | ||
| KR101243748B1 (en) | Method for cleaning ion source electrode | |
| JP6419078B2 (en) | Ion implantation apparatus having a plurality of plasma source parts | |
| Vorobyov et al. | Investigation of the stability of the electron source with a multi-aperture plasma emitter generating a large cross-section electron beam | |
| WO2002078407A3 (en) | Neutral particle beam processing apparatus | |
| JP2000054125A (en) | Surface treating method and device therefor | |
| RU2454485C1 (en) | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation | |
| JP2007066796A5 (en) | ||
| EP3226663A1 (en) | Plasma densification method | |
| RU2113538C1 (en) | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization | |
| RU2238999C1 (en) | Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings | |
| RU87065U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS | |
| JP2006253190A (en) | Neutral particle beam processing apparatus and method of neutralizing charge | |
| RU2026413C1 (en) | Method of heating of electric conducting products in working chamber | |
| Kazakov et al. | Formation of pulsed large-radius electron beam in the forevacuum pressure range by a plasma-cathode source based on arc discharge | |
| Torba et al. | Increasing the operation stability of the electron accelerator based on ion-electron emission | |
| RU165688U1 (en) | GAS DISCHARGE PLASMA GENERATOR WITH LOW PRESSURE OF IGNITION DISCHARGE | |
| RU2526654C2 (en) | Method for pulse-periodic ion-beam cleaning of surface of articles made of dielectric material or conducting material with dielectric inclusions | |
| Kazakov et al. | Formation of beam-produced plasma by a forevacuum plasma-cathode source of a pulsed large-radius electron beam | |
| Kazakov et al. | Influence of accelerating gap configuration on parameters of a forevacuum plasma-cathode source of pulsed electron beam | |
| RU2725788C1 (en) | Device for surface treatment of metal and metal-ceramic articles | |
| RU2116707C1 (en) | Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma | |
| RU2752877C1 (en) | Device for processing dielectric products with fast atoms |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20150114 |