RU2478141C2 - Modification method of material surface by plasma treatment - Google Patents

Modification method of material surface by plasma treatment Download PDF

Info

Publication number
RU2478141C2
RU2478141C2 RU2011118209/02A RU2011118209A RU2478141C2 RU 2478141 C2 RU2478141 C2 RU 2478141C2 RU 2011118209/02 A RU2011118209/02 A RU 2011118209/02A RU 2011118209 A RU2011118209 A RU 2011118209A RU 2478141 C2 RU2478141 C2 RU 2478141C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
vacuum
arc discharge
chamber
vacuum arc
Prior art date
Application number
RU2011118209/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011118209A (en
Inventor
Дмитрий Алексеевич Карпов
Владимир Николаевич Литуновский
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова")
Priority to RU2011118209/02A priority Critical patent/RU2478141C2/en
Priority to PCT/RU2012/000340 priority patent/WO2012150877A2/en
Priority to DE112012001978.4T priority patent/DE112012001978T5/en
Publication of RU2011118209A publication Critical patent/RU2011118209A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2478141C2 publication Critical patent/RU2478141C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325Electric arc evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/08Surface hardening with flames
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34Methods of heating
    • C21D1/38Heating by cathodic discharges
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/773Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055Arc discharge
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54Controlling or regulating the coating process
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266Magnetic control means

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: method involves loading of material to a chamber, vacuum pumping of the chamber, plasma treatment of material surface and its unloading. Plasma treatment is performed with cathode spots of vacuum arc discharge created in the chamber so that remelting of the material surface layer is provided. Pressure in the chamber is maintained at the level of not more than 1 Pa, voltage of vacuum arc discharge - not less than 10 V, and current of vacuum arc discharge - not less than 1 A. Excitation and maintenance of vacuum arc discharge is performed at application between cathode and anode of constant or impulse-periodic voltage, and localisation of cathode spots on the surface and control of their movement is performed with magnetic field.
EFFECT: improving efficiency and quality of modification of surface of materials and produced items.
6 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области пучково-плазменных технологий улучшения эксплуатационных свойств конструкционных материалов и изделий.The invention relates to the field of beam-plasma technologies for improving the operational properties of structural materials and products.

Уровень техникиState of the art

Во многих случаях изменение физико-химических характеристик поверхностного слоя конструкционных материалов и изделий является достаточным и экономически выгодным способом улучшения их эксплуатационных свойств. В настоящее время исторически традиционные подобные технологии (гальваническое нанесение покрытий, термическая закалка, цементирование, полировка и пр.) в основном замещены экологически чистыми плазменно-пучковыми технологиями. Хотя по объему продукции нанесение функциональных покрытий (в том числе наноструктурированных) с помощью таких технологий занимает наибольший сегмент рынка, значительный интерес представляют технологии модифицирования поверхностного слоя с помощью обработки концентрированными потоками энергии (лазерное излучение, электронные пучки, плазменные потоки). Использование тех или иных источников энергии определяется спецификой конкретных задач и имеет или может иметь свою нишу в области использования современных технологий модификации поверхности.In many cases, changing the physico-chemical characteristics of the surface layer of structural materials and products is a sufficient and cost-effective way to improve their operational properties. Currently, historically traditional similar technologies (galvanic coating, thermal hardening, cementing, polishing, etc.) are mainly replaced by environmentally friendly plasma-beam technologies. Although the production volume of functional coatings (including nanostructured coatings) using such technologies occupies the largest market segment, technologies of modifying the surface layer by processing with concentrated energy flows (laser radiation, electron beams, plasma flows) are of considerable interest. The use of various energy sources is determined by the specifics of specific tasks and has or may have its own niche in the use of modern surface modification technologies.

Результатами обработки конструкционных материалов и изделий концентрированными потоками энергии являются удаление поверхностных загрязнений (включений), полировка поверхности, однако, наиболее важным является возможность при определенных условиях изменять микроструктуру и фазовый состав поверхностного слоя материалов и изделий и, тем самым, улучшать их функциональные эксплуатационные характеристики. В первом случае происходит разукрупнение зерен (вплоть до аморфизации), во втором - появление метастабильных фаз и соединений, которые при обычных методах термообработки образоваться не могут.The results of processing structural materials and products with concentrated energy flows are the removal of surface contaminants (inclusions), surface polishing, however, the most important is the ability, under certain conditions, to change the microstructure and phase composition of the surface layer of materials and products and, thereby, improve their functional performance. In the first case, the grains are disaggregated (up to amorphization), in the second, the appearance of metastable phases and compounds, which cannot be formed under conventional heat treatment methods.

Необходимым условием (псевдо)аморфизации микроструктуры является высокая (≥ 106 К/с) скорость охлаждения расплавленного слоя (Люборский Ф.Е., Дэвис Х.А., Либерман Х.Х. Аморфные металлические сплавы, М., Металлургия, 1987, 582 с.). Использование импульсных источников концентрированных потоков энергии позволяет при определенных условиях использовать для быстрого охлаждения поверхностного слоя естественный теплопроводностный отток тепла вглубь материала. Требования к скорости нагрева до температуры плавления могут быть оценены, исходя из необходимости использования адиабатического режима, при котором энергия, поглощаемая в поверхностном слое, остается в его пределах в течение длительности импульса, т.е. не выносится в глубину материала.A necessary condition for (pseudo) amorphization of the microstructure is a high (≥ 10 6 K / s) cooling rate of the molten layer (Luborsky F.E., Davis H.A., Liberman H.H. Amorphous metal alloys, M., Metallurgy, 1987, 582 p.). The use of pulsed sources of concentrated energy flows makes it possible under certain conditions to use the natural thermal conductivity outflow of heat into the material for rapid cooling of the surface layer. The requirements for the heating rate to the melting temperature can be estimated based on the need to use the adiabatic regime in which the energy absorbed in the surface layer remains within its limits for the duration of the pulse, i.e. not carried into the depths of the material.

Операции лазерной поверхностной обработки материалов (закалка, аморфизация, полировка, ударное упрочнение и др.) используют импульсный (импульсно-периодический) режим излучения с малым диаметром пучка, так что обработка площади с сантиметровыми размерами и более требует использования сканирования пучка. Высокая стоимость оборудования делает возможным коммерциализацию таких технологий только для очень специфических операций, например изготовления микрооптических элементов из стеклокерамики (Veiko I.P., Kieu O.K.Laser amorphisation of glass ceramics: Basic properties and new possibilities for manufacturing microoptical elements // Quantum Electronics, 2007, v. 37, No. 1, pp.92-98).Laser surface treatment of materials (hardening, amorphization, polishing, impact hardening, etc.) uses a pulsed (repetitively pulsed) radiation mode with a small beam diameter, so processing an area with centimeter or more dimensions requires the use of a beam scan. The high cost of equipment makes it possible to commercialize such technologies only for very specific operations, for example, manufacturing microoptical elements from glass ceramics (Veiko IP, Kieu OK Laser amorphization of glass ceramics: Basic properties and new possibilities for manufacturing microoptical elements // Quantum Electronics, 2007, v. 37, No. 1, pp. 92-98).

Использование электронных пучков для подобных операций предпочтительно для достижения относительно больших (до ~100 мкм) значений толщины модифицированных слоев, однако сложность, сравнительно высокие массогабаритные характеристики и стоимость такого оборудования существенно ограничивают области использования этой технологии (Bakai A.S., Borisenko A.A. Russel K.C. Amorphisation kinetics under electron irradiation // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 2005, №4, с.108-113).The use of electron beams for such operations is preferable to achieve relatively large (up to ~ 100 μm) thicknesses of the modified layers, however, the complexity, relatively high weight and size characteristics and the cost of such equipment significantly limit the use of this technology (Bakai AS, Borisenko AA Russel KC Amorphization kinetics under electron irradiation // Issues of Atomic Science and Technology, Ser. Physics of Radiation Damage and Radiation Materials Science, 2005, No. 4, pp. 108-113).

Современные источники (ускорители) потоков плазмы позволяют проводить обработку поверхностей относительно большой площади (например, ~300×300 мм2, Litunovsky V.N. et al. Quasistationary plasma accelerators for experiments on thermonuclear fusion and technology // Plasma Devices and Operations, v. 2, Issue 2, 1992, pp.111-123) за один импульс с целью модификации топографии, структуры и состава поверхностного слоя материалов и изделий, в том числе сложной геометрии. Подобные ускорители работают в импульсном режиме, ограничивающем производительность технологического процесса, а также достаточно сложны, что сдерживает их коммерческое использование.Modern sources (accelerators) of plasma flows allow the processing of surfaces with a relatively large area (e.g., ~ 300 × 300 mm 2 , Litunovsky VN et al. Quasistationary plasma accelerators for experiments on thermonuclear fusion and technology // Plasma Devices and Operations, v. 2, Issue 2, 1992, pp. 111-123) in a single pulse to modify the topography, structure and composition of the surface layer of materials and products, including complex geometry. Such accelerators operate in a pulsed mode, limiting the performance of the process, and are also quite complex, which inhibits their commercial use.

Известна экологически чистая технология очистки поверхности металлургической продукции с помощью электродуговой обработки, включающей возбуждение электродугового разряда, формирование на обрабатываемой поверхности катодных пятен и очистку поверхности катодными пятнами с целью удаления окалины, окисной пленки и других загрязнений ("Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме", авт.свид. СССР №1695704, С23С 14/02, 1987; "Способ катодно-вакуумной обработки поверхности металлических деталей", патент РФ 2118399, 1996; авт.свид. СССР №719710, В08В 3/10, 1977; авт.свид. СССР №935141, В08В 3/10, 1980; авт.свид. СССР №1749279, С22В 9/20,1990).A well-known environmentally friendly technology for cleaning the surface of metallurgical products using electric arc treatment, including the initiation of an electric arc discharge, the formation of cathode spots on the surface to be treated and cathode spots cleaning the surface to remove scale, oxide film and other contaminants ("Method of surface treatment of products by arc discharge in vacuum" , autosweet USSR No. 1695704, С23С 14/02, 1987; "Method for cathodic-vacuum surface treatment of metal parts", patent of the Russian Federation 2118399, 1996; autoswitch USSR 719,710, V08V 3/10, 1977; avt.svid USSR №935141, V08V 3/10, 1980;. Avt.svid USSR №1749279, S22V 9 / 20.1990)..

Обработка горячих металлических заготовок таким способом, например, не только исключает брак по окалине, но и является гарантией против образования флокенов, волосовин и плен ("Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме", патент РФ №2144096, 1998).Processing hot metal billets in this way, for example, not only eliminates dross defect, but also is a guarantee against the formation of flocs, hairs and captures ("Method for surface treatment of products by arc discharge in a vacuum", RF patent No. 2144096, 1998).

Известен также способ обработки материалов катодными пятнами дугового разряда для предварительной обработки металлических поверхностей (в том числе при наличии органических загрязнений) для последующего нанесения функциональных покрытий (Yuya Kubo et al. Pre-treatment on metal surface for plasma spray with cathode spots of low pressure arc // Surface and Coating Technology, v. 200, Issue 1-4, 2005, pp.1168-1172; Takeda К. Dry cleaning of metal surfaces by a vacuum arc // Surface and Coating Technology, v.131, Issue 1-3, 2000, pp.234-238; Masaya Sugimoto, Koichi Takeda, Surface variation caused by vacuum arc cleaning of organic contaminant// Thin Solid Films, 506-507 (2006) p.337-341). Типично такая обработка производится при значениях тока дуги до 120 А и давлении в камере 200-300 Па. Техническим результатом обработки является повышение адгезионной способности поверхности за счет удаления оксидного слоя и повышения шероховатости.There is also a method of processing materials with cathode spots of an arc discharge for pretreatment of metal surfaces (including in the presence of organic contaminants) for subsequent application of functional coatings (Yuya Kubo et al. Pre-treatment on metal surface for plasma spray with cathode spots of low pressure arc // Surface and Coating Technology, v. 200, Issue 1-4, 2005, pp.1168-1172; Takeda K. Dry cleaning of metal surfaces by a vacuum arc // Surface and Coating Technology, v.131, Issue 1- 3, 2000, pp. 234-238; Masaya Sugimoto, Koichi Takeda, Surface variation caused by vacuum arc cleaning of organic contaminant // Thin Solid Films, 506-507 (2006) p.337-341). Typically, such processing is performed at arc current values up to 120 A and a chamber pressure of 200-300 Pa. The technical result of the treatment is to increase the adhesion ability of the surface by removing the oxide layer and increasing the roughness.

Известно, что в дуговых разрядах с интегрально холодными электродами (катод и анод) разрядный ток может концентрироваться на электродах в так называемых катодных или анодных пятнах, из которых происходит испарение материала соответствующих электродов. Формирование катодных и анодных пятен на поверхности электродов в значительной степени определяется давлением газа (газов), при котором происходит протекание разряда. При относительно высоких давлениях (>1 Па) дуговой разряд протекает в форме одновременно существующих малоподвижных (неподвижных) анодных пятен и подвижных катодных пятен, либо в форме только анодных пятен. Область давлений 1-10 Па является переходной областью давлений от режима протекания дугового разряда с одновременным существованием как катодных, так и анодных пятен к режиму протекания дугового разряда в форме исключительно катодных пятен (авт.свид. СССР №1152433, Н01J 41/20, 1988). При давлениях<1 Па дуговой разряд протекает в форме исключительно катодных пятен, которые являются единственным источником электропроводящей среды (ионизированные пары материала катода) в межэлектродном промежутке.It is known that in arc discharges with integrally cold electrodes (cathode and anode), the discharge current can concentrate on the electrodes in the so-called cathode or anode spots, from which the material of the corresponding electrodes evaporates. The formation of cathode and anode spots on the surface of the electrodes is largely determined by the pressure of the gas (s) at which the discharge occurs. At relatively high pressures (> 1 Pa), the arc discharge occurs in the form of simultaneously existing inactive (motionless) anode spots and mobile cathode spots, or in the form of only anode spots. The pressure range of 1-10 Pa is the transition pressure range from the mode of flow of the arc discharge with the simultaneous existence of both cathode and anode spots to the mode of flow of the arc discharge in the form of exclusively cathode spots (ed. USSR. No. 1152433, H01J 41/20, 1988 ) At pressures <1 Pa, an arc discharge occurs exclusively in the form of cathode spots, which are the only source of an electrically conductive medium (ionized vapors of the cathode material) in the interelectrode gap.

В вышеперечисленных технологиях и известных способах и устройствах их реализации обработка катодными пятнами осуществляется при давлении технологического процесса существенно выше 1 Па. При таких давлениях среда для поддержания дугового разряда создается не только ионизированными парами материала катода, но и ионизацией остаточного (или вводимого рабочего) газа и ионизированными парами материала анода. Это значительно влияет на микроструктуру и морфологию обрабатываемой поверхности, привнося в них примеси газов и материала анода, что является недостатком, который в ряде приложений (например, получение мелкозернистого или аморфного поверхностного слоя высокой чистоты) делает такие способы неприемлемыми. Кроме того, при росте давления газа в камере, начиная с 1 Па и выше, скорость эрозии катода катодными пятнами значительно (в разы) падает по сравнению со скоростью эрозии в вакуумных условиях (р<1 Па), а подвижность катодных пятен уменьшается. Это свидетельствует о переходе к более стационарному термическому процессу на поверхности катода с существенным снижением доли энергозатрат на создание проводящей среды из материала катода (то есть на плавление, испарение и ионизацию материала катода), что снижает эффективность обработки поверхности материалов катодными пятнами (Juttner В., Puchkarev V., Hantzsche E., Beilis I. "Cathode Spots", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by R.L.Boxman, P.J.Martin and D.M Sanders. Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, pp.145-149; Хороших В.М. Плазма вакуумной дуги в присутствии газа в разрядном промежутке // Физическая инженерия поверхности, 2005, т.3, №1-2, с.82-96; Логачев А.А., Чалый A.M., Школьник С.М. Динамика пятен на медном катоде в сильноточной вакуумной дуге // ЖТФ, 1997, т.67, №4, с.133-136). Формально, такой режим классифицируется как дуга низкого давления. Хотя и при таких давлениях (р>1 Па) переплав участков поверхностного слоя катода (обрабатываемого изделия) безусловно возможен, однако эффективность этого процесса заметно ниже, а скорость охлаждения расплава существенно снижается из-за значительно большей стационарности процессов.In the above technologies and known methods and devices for their implementation, the treatment with cathode spots is carried out at a process pressure substantially higher than 1 Pa. At such pressures, the medium for maintaining the arc discharge is created not only by ionized vapors of the cathode material, but also by ionization of the residual (or introduced working) gas and ionized vapors of the anode material. This significantly affects the microstructure and morphology of the treated surface, introducing them into the impurities of gases and anode material, which is a drawback that in some applications (for example, obtaining a fine-grained or amorphous surface layer of high purity) makes such methods unacceptable. In addition, with increasing gas pressure in the chamber, starting from 1 Pa and above, the cathode erosion rate by cathode spots decreases significantly (several times) compared to the erosion rate under vacuum conditions (p <1 Pa), and the mobility of the cathode spots decreases. This indicates a transition to a more stationary thermal process on the cathode surface with a significant reduction in the share of energy consumption for creating a conductive medium from the cathode material (i.e., for melting, evaporation and ionization of the cathode material), which reduces the efficiency of surface treatment of materials with cathode spots (Juttner B., Puchkarev V., Hantzsche E., Beilis I. "Cathode Spots", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by RLBoxman, PJMartin and DM Sanders. Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, pp. 145-149; Good V.M. Vacuum arc plasma in the presence of gas in the discharge gap // Physical surface engineering, 2005, v.3, No. 1-2, pp. 82-96; Logachev A.A., Chaly AM, Shkolnik S.M. Dynamics of spots on a copper cathode in a high-current vacuum arc // ZhTF, 1997, v.67, No. 4, p.133-136). Formally, this mode is classified as a low-pressure arc. Although at such pressures (p> 1 Pa) remelting of sections of the surface layer of the cathode (workpiece) is certainly possible, however, the efficiency of this process is noticeably lower, and the melt cooling rate is significantly reduced due to the much more stationary processes.

Подобный режим дугового разряда использован также в способе модификации свойств конструкционной стали катодным пятном дуги низкого давления (Демиденко В.В., Потемкин Г.В., Ремнев Г.Е. и др. Модификация свойств конструкционной стали катодным пятном дуги низкого давления // Физика и химия обработки материалов, 2010, №5, с.43-49), который и выбран в качестве прототипа.A similar mode of arc discharge was also used in the method of modifying the properties of structural steel with a cathode spot of a low pressure arc (Demidenko VV, Potemkin GV, Remnev G.E. et al. Modification of properties of structural steel with a cathode spot of a low pressure arc // Physics and chemistry of material processing, 2010, No. 5, p. 43-49), which is selected as a prototype.

Процесс обработки описывается следующей последовательностью. После вакуумирования камеры до давления 1 Па в нее напускался азот до давления -1000 Па. Катодом служило изделие - лист из стали Ст.3 размером 0,5×0,8 м2. Над катодом размещается анодный узел с кольцевым графитовым анодом. Обработка производилась длинной дугой в режиме единичного катодного пятна при напряжении дуги 25-35°В и токе дуги 100-150 А.The processing process is described by the following sequence. After evacuation of the chamber to a pressure of 1 Pa, nitrogen was admitted into it to a pressure of -1000 Pa. The product was used as the cathode — a steel sheet St.3 measuring 0.5 × 0.8 m 2 . An anode assembly with an annular graphite anode is located above the cathode. Processing was carried out by a long arc in the mode of a single cathode spot with an arc voltage of 25-35 ° V and an arc current of 100-150 A.

После инициации разряда температура поверхности графитового анода поднималась до 2000°С, что вызывало его испарение и образование интенсивного потока атомов углерода на катод (изделие). Горение дуги происходило в парогазовой смеси атомарных углерода, азота, железа и кислорода. Последние два потока исходят из катода и значительно (50-100%) ионизованы. Разлет заряженного компонента катодного факела и перемещение катодного пятна контролировались наложением на область катодного падения напряжения дуги тангенциального магнитного поля В=10-20 мТ.After the discharge was initiated, the surface temperature of the graphite anode rose to 2000 ° С, which caused its evaporation and the formation of an intense flux of carbon atoms to the cathode (product). Arc burning occurred in a gas-vapor mixture of atomic carbon, nitrogen, iron and oxygen. The last two streams emanate from the cathode and are significantly (50-100%) ionized. The expansion of the charged component of the cathode torch and the movement of the cathode spot were controlled by applying a tangential magnetic field of B = 10-20 mT to the cathode region of the voltage drop.

Подобный процесс обработки позволяет эффективно очищать поверхность от оксидных пленок и жировых загрязнений, а также модифицировать структуру и фазовый состав поверхностного слоя не только за счет обработки поверхности катодным пятном, но и за счет термодинамически неравновесного процесса насыщения поверхностного расплава атомами и ионами рабочего газа и анода. В частности, пересыщение поверхностного слоя толщиной 30-40 мкм углеродом позволило уменьшить размер зерна в слое, что приводило к увеличению коррозионностойкости. При этом, однако, микротвердость после обработки не изменялась, или значительно снижалась (до 3 раз).Such a processing process allows you to effectively clean the surface of oxide films and grease, as well as to modify the structure and phase composition of the surface layer, not only by treating the surface with a cathode spot, but also due to the thermodynamically nonequilibrium process of saturation of the surface melt with atoms and ions of the working gas and anode. In particular, supersaturation of the surface layer with a thickness of 30–40 μm with carbon made it possible to reduce the grain size in the layer, which led to an increase in corrosion resistance. In this case, however, the microhardness after processing did not change, or significantly decreased (up to 3 times).

Однако данный способ может быть использован только для ограниченного круга материалов (в которых как газовые, так и углеродные примеси или соединения могут дать положительный эффект) и непригоден для получения чистых модифицированных поверхностных слоев.However, this method can be used only for a limited range of materials (in which both gas and carbon impurities or compounds can have a positive effect) and is unsuitable for obtaining pure modified surface layers.

Цель изобретения - увеличение эффективности и качества модификации поверхности материала плазменной обработкой, получение чистых и особо чистых модифицированных поверхностных слоев материала.The purpose of the invention is to increase the efficiency and quality of surface modification of the material by plasma treatment, to obtain clean and highly pure modified surface layers of the material.

Указанная цель достигается тем, что плазменную обработку поверхности материала осуществляют катодными пятнами вакуумного дугового разряда с обеспечением переплавления поверхностного слоя материала, при этом давление в камере поддерживают не более 1 Па, напряжение вакуумного дугового разряда - не менее 10 В, ток вакуумного дугового разряда - не менее 1 А.This goal is achieved by the fact that the plasma treatment of the surface of the material is carried out by cathode spots of a vacuum arc discharge to ensure remelting of the surface layer of the material, while the pressure in the chamber is maintained no more than 1 Pa, the voltage of the vacuum arc discharge is not less than 10 V, the current of the vacuum arc discharge is not less than 1 A.

В частных случаях реализации предложенного способа плазменной обработки поверхности для возбуждения и поддержания вакуумного дугового разряда используют постоянное или импульсно-периодическое напряжение между катодом и анодом с произвольным соотношением длительностей импульса и паузы, а также напуск инертного и/или рабочего газа в вакуумную камеру.In special cases, the implementation of the proposed method of plasma surface treatment to excite and maintain a vacuum arc discharge using a constant or pulse-periodic voltage between the cathode and the anode with an arbitrary ratio of pulse duration and pause, as well as the inert and / or working gas inlet into the vacuum chamber.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Известно, что при давлении р≤1 Па реализуется режим вакуумного дугового разряда, который протекает исключительно в парах материала катода, а генерация этих паров осуществляется катодными пятнами 1, 2 или 3 типа, формирующимися на поверхности катода. При этом тип формирующегося на поверхности катода катодного пятна определяется состоянием поверхности (ее чистотой), током вакуумного дугового разряда и временем его существования (Зыкова Н.М., Канцель В.В., Раховский В.И., ЖЭТФ, 1965, т.48, №5, с.677; Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги, Изд. "Наука", М., 1968; Juttner В., Puchkarev V.F., Hantzsche E., Beilis I. "Cathode Spots", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by R.L. Boxman, P.J. Martin and D.M Sanders, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, pp.73-281). Характерную особенность развития вакуумного дугового разряда при таких давлениях - концентрацию разрядного тока в микроскопических нестационарных каналах (катодных пятнах), где плотность тока и мощности может достигать значений 100 МА/см2 и 109 Вт/см2 соответственно (в силу малых размеров каналов -10 мкм и длительности их существования ~10-7 с), определяет взрывной механизм эмиссии электронов из микронеоднородностей (геометрических и структурных) поверхности катода под действием сильного (~10 МВ/м) локального электрического поля в тонкой прикатодной области (Anders A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review // Science & Coatings Technol., v. 93, 1997, pp.158-167). Давление в таком плазменном канале (катодном пятне) может достигать уровня 1010 Па, что определяет очень быстрое (взрывное) его расширение и ограничивает его длительность (Mesyats G.A. et al. Pulsed Electrical Discharge in Vacuum, Springer Verlag, Berlin, 1989). При этом скорость охлаждения плазмы катодных пятен определяется не только свободным ее расширением в межэлектродный промежуток, но и высокими радиационными потерями эрозионной плазмы, что в итоге ограничивает время жизни плазмы единичного катодного пятна до 10-7-10-8 с (Anders A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review. Science & Coatings Technol., v.93, 1997, pp.158-167). При завершении микроразряда в одном катодном пятне, напряжение на промежутке катод-анод восстанавливается, и микроразряд возникает на другом участке поверхности катода (другом катодном пятне). Таким образом, движение катодного пятна по поверхности катода является не материальным движением, а процессом, связанным с генерацией и распадом каналов разрядного тока в активных эмиссионных точках поверхности катода (катодных пятнах).It is known that at a pressure p≤1 Pa, a vacuum arc discharge mode is realized, which occurs exclusively in the vapors of the cathode material, and the generation of these vapors is carried out by cathode spots 1, 2 or 3 of the type formed on the cathode surface. The type of cathode spot formed on the cathode surface is determined by the state of the surface (its purity), the current of the vacuum arc discharge and the time of its existence (Zykova N.M., Kantsel V.V., Rakhovsky V.I., ZhETF, 1965, vol. 48, No. 5, p.677; Kesaev I.G. Cathodic processes of an electric arc, Publishing House "Science", M., 1968; Juttner V., Puchkarev VF, Hantzsche E., Beilis I. "Cathode Spots", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by RL Boxman, PJ Martin and DM Sanders, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, pp. 73-281). A characteristic feature of the development of a vacuum arc discharge at such pressures is the concentration of the discharge current in microscopic unsteady channels (cathode spots), where the current density and power can reach 100 MA / cm 2 and 10 9 W / cm 2, respectively (due to the small size of the channels - 10 microns and the duration of their existence ~ 10 -7 s), determines the blasting mechanism of electron emission from microscopic inhomogeneities (geometric and structural) of the surface of the cathode by a strong (about 10 MV / m), the local electric field in the thin skin prick todnoy region (Anders A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition:. a review // Science & Coatings Technol, v 93, 1997, pp.158-167.). The pressure in such a plasma channel (cathode spot) can reach 10 10 Pa, which determines its very rapid (explosive) expansion and limits its duration (Mesyats GA et al. Pulsed Electrical Discharge in Vacuum, Springer Verlag, Berlin, 1989). In this case, the cooling rate of the plasma of the cathode spots is determined not only by its free expansion into the interelectrode gap, but also by the high radiation losses of the erosion plasma, which ultimately limits the lifetime of the plasma of a single cathode spot to 10 -7 -10 -8 s (Anders A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review. Science & Coatings Technol., v. 93, 1997, pp. 158-167). When the microdischarge is completed in one cathode spot, the voltage at the cathode-anode gap is restored, and the microdischarge occurs on another part of the cathode surface (another cathode spot). Thus, the movement of the cathode spot along the cathode surface is not a material movement, but a process associated with the generation and decay of the discharge current channels at the active emission points of the cathode surface (cathode spots).

Высокая плотность мощности микроразряда при давлении р≤1 Па обеспечивает интенсивный нагрев участка поверхности катода размером порядка 10 мкм до температур фазовых переходов материала катода, причем область высоких температур значительно больше размеров КП (эмиссионного центра) (Валуев В.П., Валуева Т.В. Вакуумно-дуговой разряд на интегрально-холодном катоде // Инструмент и технологии, 2010, №29, в. 3, с.36-49). Поскольку, основываясь на представлении о диффузионном характере теплоотвода от расплавленного слоя вглубь материала, показано, что скорость охлаждения расплава связана с мощностью нагрева Рh как ∂Т/∂t~Р2h (Алексеев В.А., Конкашбаев И.К., Киселев Е.А. и др. // Письма в ЖТФ, 1983, 9, вып.1, с.42-45), то необходимая для аморфизации скорость охлаждения расплава 107-109К/с заведомо достижима для интегрально холодных катодов (материалов и изделий) при вышеприведенном уровне значений мощности в катодном пятне Ph~109 Вт/см2.The high power density of the microdischarge at a pressure of p≤1 Pa provides intensive heating of a cathode surface area of about 10 μm in size to the phase transition temperatures of the cathode material, and the high temperature region is much larger than the size of the cathode (emission center) (Valuev V.P., Valueva T.V. Vacuum-arc discharge at an integrated cold cathode // Instrument and Technology, 2010, No. 29, v. 3, p. 36-49). Since, based on the idea of the diffusion nature of heat removal from the molten layer deep into the material, it is shown that the melt cooling rate is related to the heating power Р h as ∂Т / ∂t ~ Р 2 h (Alekseev V.A., Konkashbaev I.K., Kiselev E.A. et al. // Letters in ZhTF, 1983, 9, issue 1, pp. 42-45), the melt cooling rate necessary for amorphization is 10 7 -10 9 K / s, which is obviously achievable for integrally cold cathodes (materials and products) at the above level of power values in the cathode spot P h ~ 10 9 W / cm 2 .

Действительно, мощность теплопереноса в глубину материала

Figure 00000001
, где χ, с, ρ - коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала соответственно, а Т=Tисп - температура поверхности, принимаемая равной температуре испарения, имеет максимальные значения в диапазоне 0,5 - 2 МВт/см2 для основных (Сu, W, Al, Ti и др.) конструкционных материалов (Литуновский В.Н. Исследование взаимодействия плазмы с поверхностью в режимах импульсной плазменной обработки материалов // Препринт НИИЭФА, П-0992, Федеральное Агентство по атомной энергии, ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова" 2005, 10 с.), что существенно меньше уровня мощности нагрева (~109 Вт/см2). Таким образом, выполняется критерий эффективности процесса аморфизации - адиабатический режим нагрева, при котором энергия, поглощаемая поверхностным слоем материала в процессе нагрева до температуры фазовых переходов, остается в его пределах вплоть до окончания импульса нагрева.Indeed, the heat transfer capacity in the depth of the material
Figure 00000001
, where χ, s, ρ is the coefficient of thermal conductivity, specific heat and density of the material, respectively, and T = T isp - surface temperature, taken equal to the temperature of evaporation, has maximum values in the range of 0.5 - 2 MW / cm 2 for the main (Сu , W, Al, Ti, etc.) of structural materials (V. Litunovsky. Investigation of the interaction of plasma with the surface in pulsed plasma treatment of materials // Preprint NIIEFA, P-0992, Federal Agency for Atomic Energy, Federal State Unitary Enterprise NIIEFA named after D. .V. Efremova "2005, 10 pp.), Which is significantly less nya heating power (~ 10 9 W / cm 2). Thus, the criterion for the efficiency of the amorphization process is fulfilled - the adiabatic heating mode, in which the energy absorbed by the surface layer of the material during heating to the temperature of phase transitions remains in its range until the end of the heating pulse.

Для большинства материалов (Ti, Al, Cu, Zr, сталь и др.) поддержание разряда в собственных парах при давлениях р≤1 Па не вызывает проблем, однако для некоторых материалов (Мо, W и др.) оно может быть затруднено при переходе к сверхнизким давлениям. В этом случае в камеру после вакуумирования может быть введен поток инертного и/или рабочего газа, стабилизирующего разряд. Однако условие р≤1 Па должно соблюдаться и в этом случае для реализации режима протекания разряда исключительно в парах материала катода (парах обрабатываемого материала).For most materials (Ti, Al, Cu, Zr, steel, etc.), maintaining a discharge in intrinsic vapor at pressures p≤1 Pa does not cause problems, however, for some materials (Mo, W, etc.) it can be difficult to transition to ultra low pressures. In this case, after evacuation, a stream of inert and / or working gas stabilizing the discharge can be introduced into the chamber. However, the condition p≤1 Pa must be observed in this case as well in order to realize the discharge flow regime exclusively in pairs of the cathode material (pairs of the processed material).

Общее время обработки является статистической суперпозицией импульсных процессов в отдельных спонтанно (или под воздействием магнитного поля) перемещающихся по поверхности катода (изделия) сильноточных микроразрядах. Хотя процесс существования отдельного микроразряда является сугубо импульсным (τp~10-7 с), в целом режим работы устройства для реализации заявляемого способа обработки можно характеризовать как высокопроизводительный стационарный процесс. Производительность этого процесса может легко регулироваться величиной разрядного тока. Увеличение разрядного тока приводит к "делению" катодного пятна, т.е. увеличению числа одновременно существующих активных эмиссионных центров, каждое из которых имеет примерно одинаковые параметры (Anders A. Cathodic arc plasma deposition, Vac. Technol. & Coating, v.3, No.7, 2002, pp.27-35). Использование вместо постоянного напряжения импульсно-периодического предоставляет дополнительную возможность вариации производительности процесса обработки путем изменения соотношения длительностей импульса напряжения и паузы.The total processing time is a statistical superposition of pulsed processes in individual high-current microdischarges spontaneously (or under the influence of a magnetic field) moving along the surface of the cathode (product). Although the process of existence of a separate microdischarge is purely pulsed (τ p ~ 10 -7 s), in general, the operation mode of the device for implementing the inventive processing method can be characterized as a high-performance stationary process. The performance of this process can easily be controlled by the amount of discharge current. An increase in the discharge current leads to a “division” of the cathode spot, i.e. an increase in the number of simultaneously active emission centers, each of which has approximately the same parameters (Anders A. Cathodic arc plasma deposition, Vac. Technol. & Coating, v.3, No.7, 2002, pp. 27-35). The use of pulse-periodic instead of constant voltage provides an additional opportunity to vary the productivity of the processing process by changing the ratio of the duration of the voltage pulse and pause.

Изобретение позволяет проводить качественно иную (чем в аналогах и прототипе) модификацию поверхности материалов и изделий, а именно изменение и гомогенизацию микроструктуры и фазового состава поверхностного слоя, включая его аморфизацию, при обеспечении чистоты модифицированного слоя от газовых и/или других включений и/или их соединений с обрабатываемым материалом, что приводит в итоге к улучшению эксплуатационных свойств материалов (коррозионностойкость, износостойкость, повышенная твердость и др.).The invention allows to carry out a qualitatively different (than in analogues and prototype) surface modification of materials and products, namely, changing and homogenizing the microstructure and phase composition of the surface layer, including its amorphization, while ensuring the cleanliness of the modified layer from gas and / or other inclusions and / or their compounds with the processed material, which ultimately leads to improved operational properties of materials (corrosion resistance, wear resistance, increased hardness, etc.).

Изобретение позволяет также формирование уникальных чистых материалов и сплавов на поверхности изделий, легирование поверхности конструкционных сталей (например, никелем, или алюминием). Вследствие высокой скорости охлаждения расплавленного слоя возможно образование соединений, которые в обычных (равновесных) условиях не образуются (Fe/Pb, Mo/Cu и др.). Как известно, особо чистые материалы и сплавы могут быть получены электронно-лучевой плавкой в вакууме, в процессе которой происходит переплавление всего материала в вакууме при давлении (1-10-3) Па и удалении растворенных в материале газовых и других примесей (Bruckmann G. and Scholz H. "General Metallurgical Aspects of Vacuum Treatment", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by R.L. Boxman, P.J. Martin and D.M Sanders, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, pp.554-559). Во многих приложениях, однако, требования чистоты материалов и сплавов предъявляются только к их поверхности. В этом случае нет необходимости в вакуумном переплаве всего материала, достаточен поверхностный переплав при тех же давлениях, который может быть легко реализован с помощью предлагаемого способа. Это значительно упрощает и удешевляет технологический процесс.The invention also allows the formation of unique pure materials and alloys on the surface of products, alloying the surface of structural steels (for example, nickel, or aluminum). Due to the high cooling rate of the molten layer, it is possible to form compounds that do not form under ordinary (equilibrium) conditions (Fe / Pb, Mo / Cu, etc.). It is known that highly pure materials and alloys can be obtained by electron beam melting in vacuum, during which re-melting of all material in vacuum occurs at a pressure of (1-10 -3 ) Pa and removal of gas and other impurities dissolved in the material (Bruckmann G. and Scholz H. "General Metallurgical Aspects of Vacuum Treatment", in the "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications", edited by RL Boxman, PJ Martin and DM Sanders, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA 1995, pp. 544-559). In many applications, however, the requirements for the purity of materials and alloys are imposed only on their surface. In this case, there is no need for a vacuum remelting of the entire material, a surface remelting at the same pressures is sufficient, which can be easily implemented using the proposed method. This greatly simplifies and reduces the cost of the process.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Заявляемый способ обработки материалов и изделий иллюстрируется эскизами возможных конструктивных устройств для его реализации. На фиг.1 представлена схема одного из возможных вариантов устройства для обработки изделий цилиндрической формы.The inventive method of processing materials and products is illustrated by sketches of possible structural devices for its implementation. Figure 1 presents a diagram of one of the possible variants of a device for processing products of cylindrical shape.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1 с быстросъемным загрузочным люком 2, которая служит анодом вакуумного дугового разряда; водоохлаждаемого полого цилиндрического катода-держателя 3 обрабатываемых изделий, присоединяемого к вакуумной камере с помощью фланца 4 с разъемами 5 для подвода тока и охлаждающей воды; обрабатываемого изделия 6, размещенного на катоде-держателе с обеспечением хорошего электрического и теплового контактов; верхней 7 и нижней 8 электромагнитных катушек, расположенных в полости катода-держателя таким образом, что средние их сечения находятся в плоскости верхнего и нижнего оснований обрабатываемого изделия; изолятора 9, служащего для электрической развязки анода и катода. Вакуумная откачка камеры осуществляется через фланец 10 на вакуумной камере, а напуск газа - через клапан 11.The device consists of a vacuum chamber 1 with a quick-detachable loading hatch 2, which serves as the anode of a vacuum arc discharge; a water-cooled hollow cylindrical cathode holder 3 of the workpiece to be connected to the vacuum chamber using a flange 4 with connectors 5 for supplying current and cooling water; the workpiece 6, placed on the cathode-holder with ensuring good electrical and thermal contacts; the upper 7 and lower 8 electromagnetic coils located in the cavity of the cathode-holder in such a way that their middle sections are in the plane of the upper and lower bases of the workpiece; insulator 9, used for electrical isolation of the anode and cathode. The vacuum pumping of the chamber is carried out through the flange 10 on the vacuum chamber, and the gas inlet through the valve 11.

На фиг.2 представлена схема одного из возможных вариантов устройства для обработки изделий плоской формы. Устройство состоит из вакуумной камеры 1 с быстросъемным загрузочным люком 2, которая служит анодом вакуумного дугового разряда; водоохлаждаемого катода-держателя обрабатываемых изделий 3, присоединяемого к вакуумной камере с помощью фланца 4 с разъемами 5 для подвода тока и охлаждающей воды; обрабатываемого изделия 6, размещенного на катоде-держателе с обеспечением хорошего электрического и теплового контактов; верхней 7 и нижней 8 электромагнитных катушек, расположенных на вакуумной камере выше и ниже плоскости обрабатываемого изделия соответственно; изолятора 9, служащего для электрической развязки анода и катода. Вакуумная откачка камеры осуществляется через фланец 10 на вакуумной камере, а напуск газа - через клапан 11.Figure 2 presents a diagram of one of the possible variants of a device for processing products of a flat shape. The device consists of a vacuum chamber 1 with a quick-detachable loading hatch 2, which serves as the anode of a vacuum arc discharge; a water-cooled cathode-holder of the processed products 3, connected to the vacuum chamber using a flange 4 with connectors 5 for supplying current and cooling water; the workpiece 6, placed on the cathode-holder with ensuring good electrical and thermal contacts; the upper 7 and lower 8 electromagnetic coils located on the vacuum chamber above and below the plane of the workpiece, respectively; insulator 9, used for electrical isolation of the anode and cathode. The vacuum pumping of the chamber is carried out through the flange 10 on the vacuum chamber, and the gas inlet through the valve 11.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. После вакуумной откачки устройства до остаточного давления не более 1 Па между катодом (обрабатываемое изделие 6) и анодом (вакуумная камера 1) возбуждается вакуумная дуга постоянного или импульсного напряжения, величиной не менее 10 В, с разрядным током не менее 1 А. Для облегчения инициации и поддержания вакуумно-дугового разряда возможна подача инертного газа в вакуумную камеру при величине потока, обеспечивающей интегральное давление в камере не выше 1 Па. Весь разрядный ток вакуумной дуги концентрируется на катоде в одном (или нескольких) катодных пятнах, которые хаотически перемещаются по поверхности катода. Для равномерной обработки катодными пятнами всей поверхности изделия управление перемещением катодных пятен осуществляют магнитным полем.The inventive method is as follows. After vacuum evacuation of the device to a residual pressure of not more than 1 Pa between the cathode (workpiece 6) and the anode (vacuum chamber 1), a vacuum arc of constant or pulsed voltage of at least 10 V with a discharge current of at least 1 A is excited. To facilitate initiation and maintaining a vacuum arc discharge, it is possible to supply an inert gas to the vacuum chamber at a flow value providing an integral pressure in the chamber of not higher than 1 Pa. The entire discharge current of the vacuum arc is concentrated on the cathode in one (or several) cathode spots, which randomly move along the cathode surface. For uniform processing by cathode spots of the entire surface of the product, the movement of the cathode spots is controlled by a magnetic field.

В случае изделия цилиндрической формы (фиг.1) магнитное поле арочной конфигурации на поверхности изделия создается двумя электромагнитными катушками, расположенными в его полости. Катодные пятна в таком магнитном поле локализуются под вершиной магнитной арки и с большой скоростью (до 100 м/сек) вращаются в азимутальном направлении. Положение вершины магнитной арки определяется токами в электромагнитных катушках и может меняться от плоскости верхнего основания цилиндра (при включении только верхней электромагнитной катушки) до плоскости его нижнего основания (при включении только нижней электромагнитной катушки). Равномерная обработка поверхности изделия катодными пятнами осуществляется при управлении токами в электромагнитных катушках (вручную или по программе).In the case of a cylindrical product (Fig. 1), the magnetic field of the arched configuration on the surface of the product is created by two electromagnetic coils located in its cavity. The cathode spots in such a magnetic field are localized under the apex of the magnetic arch and rotate in the azimuth direction at high speed (up to 100 m / s). The position of the top of the magnetic arch is determined by currents in the electromagnetic coils and can vary from the plane of the upper base of the cylinder (when only the upper electromagnetic coil is turned on) to the plane of its lower base (when only the lower electromagnetic coil is turned on). Uniform surface treatment of the product by cathode spots is carried out when controlling currents in electromagnetic coils (manually or according to the program).

В случае плоского изделия (фиг.2) соленоидальное магнитное поле на поверхности изделия создается двумя электромагнитными катушками, расположенными на вакуумной камере. Катодные пятна в таком магнитном поле, вращаясь в азимутальном направлении, перемещаются также в направлении острого угла, образованного пересечением силовых линий магнитного поля с поверхностью изделия. При включении верхней катушки это перемещение соответствует направлению к центру изделия, при включении нижней катушки - к его периферии. Равномерная обработка поверхности изделия катодными пятнами осуществляется при управлении токами в электромагнитных катушках (вручную или по программе).In the case of a flat product (figure 2), a solenoidal magnetic field on the surface of the product is created by two electromagnetic coils located on the vacuum chamber. The cathode spots in such a magnetic field, rotating in the azimuthal direction, also move in the direction of the acute angle formed by the intersection of the magnetic field lines with the surface of the product. When the upper coil is turned on, this movement corresponds to the direction to the center of the product, when the lower coil is turned on, to its periphery. Uniform surface treatment of the product by cathode spots is carried out when controlling currents in electromagnetic coils (manually or according to the program).

Производительность обработки может варьироваться величиной разрядного тока и/или соотношением длительностей тока и паузы при импульсном электропитании.Processing performance may vary by the magnitude of the discharge current and / or the ratio of the duration of the current and pause during pulsed power supply.

Энергозатраты на проведение обработки катодными пятнами согласно предлагаемому способу не превышают 0,5 кВт-ч/м2. Это значительно меньше соответствующих значений для модификации поверхности с помощью лазерных, электронно-пучковых и других плазменных технологий. Кроме того, простота оборудования и, соответственно, его стоимость также выгодно отличает предложенный способ от перечисленных технологий.Energy costs for processing cathode spots according to the proposed method do not exceed 0.5 kWh / m 2 . This is significantly less than the corresponding values for surface modification using laser, electron-beam, and other plasma technologies. In addition, the simplicity of the equipment and, accordingly, its cost also compares favorably with the proposed method from the above technologies.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими способами аналогичного назначения обеспечивает достижение цели - повышение эффективности и качества модификации поверхности материала плазменной обработкой.Thus, the proposed method in comparison with the prototype and other methods of similar purpose ensures the achievement of the goal is to increase the efficiency and quality of surface modification of the material by plasma treatment.

Claims (6)

1. Способ модификации поверхности материала плазменной обработкой в вакууме, включающий загрузку материала в камеру, вакуумную откачку камеры, плазменную обработку поверхности материала и его выгрузку, отличающийся тем, что плазменную обработку осуществляют катодными пятнами возбуждаемого в камере вакуумного дугового разряда с обеспечением переплавления поверхностного слоя материала, при этом давление в камере поддерживают не более 1 Па, напряжение вакуумного дугового разряда - не менее 10 В, ток вакуумного дугового разряда - не менее 1 А.1. A method of modifying the surface of a material by plasma treatment in vacuum, including loading the material into the chamber, vacuum pumping the chamber, plasma treating the surface of the material and unloading it, characterized in that the plasma treatment is carried out by cathode spots of a vacuum arc discharge excited in the chamber to ensure remelting of the surface layer of the material while the pressure in the chamber is maintained no more than 1 Pa, the voltage of the vacuum arc discharge is at least 10 V, the current of the vacuum arc discharge is at least 1 . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение и поддержание вакуумного дугового разряда осуществляют при приложении между катодом и анодом постоянного напряжения, а производительность плазменной обработки регулируют путем изменения величины тока разряда.2. The method according to claim 1, characterized in that the excitation and maintenance of a vacuum arc discharge is carried out when a constant voltage is applied between the cathode and anode, and the plasma processing performance is controlled by changing the value of the discharge current. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение и поддержание вакуумного дугового разряда осуществляют при приложении между катодом и анодом импульсно-периодического напряжения, а производительность плазменной обработки регулируют путем изменения величины тока разряда и/или соотношения длительностей импульса тока и паузы.3. The method according to claim 1, characterized in that the excitation and maintenance of a vacuum arc discharge is carried out when a pulse-periodic voltage is applied between the cathode and anode, and the plasma processing performance is controlled by changing the magnitude of the discharge current and / or the ratio of the duration of the current pulse and pause. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что после вакуумирования камеру заполняют инертным газом и/или рабочим газом, в среде которого проводят возбуждение и поддержание вакуумно-дугового разряда.4. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that after evacuation the chamber is filled with an inert gas and / or working gas, in the medium of which the excitation and maintenance of the vacuum-arc discharge are carried out. 5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что локализацию катодных пятен на обрабатываемой поверхности и управление их перемещением по поверхности осуществляют магнитным полем.5. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the localization of the cathode spots on the treated surface and control their movement on the surface is carried out by a magnetic field. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что локализацию катодных пятен на обрабатываемой поверхности и управление их перемещением по поверхности осуществляют магнитным полем. 6. The method according to claim 4, characterized in that the localization of the cathode spots on the treated surface and control their movement on the surface is carried out by a magnetic field.
RU2011118209/02A 2011-05-05 2011-05-05 Modification method of material surface by plasma treatment RU2478141C2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011118209/02A RU2478141C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Modification method of material surface by plasma treatment
PCT/RU2012/000340 WO2012150877A2 (en) 2011-05-05 2012-04-28 Method for modifying the surface properties of materials and articles
DE112012001978.4T DE112012001978T5 (en) 2011-05-05 2012-04-28 Method of modifying the surface properties of materials and articles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011118209/02A RU2478141C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Modification method of material surface by plasma treatment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011118209A RU2011118209A (en) 2012-11-27
RU2478141C2 true RU2478141C2 (en) 2013-03-27

Family

ID=47108169

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011118209/02A RU2478141C2 (en) 2011-05-05 2011-05-05 Modification method of material surface by plasma treatment

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE112012001978T5 (en)
RU (1) RU2478141C2 (en)
WO (1) WO2012150877A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541325C1 (en) * 2013-07-19 2015-02-10 Николай Яковлевич Василик Method of hard facing of metal items
RU2542912C2 (en) * 2013-07-18 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Method of intermetallic anti-emission coating production at net-shaped electrodes of oscillating tubes

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2118399C1 (en) * 1996-08-30 1998-08-27 ГНЦ Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Process of cathode-vacuum treatment of surfaces of metal parts
RU2144096C1 (en) * 1998-05-18 2000-01-10 Антипов Борис Федорович Method of treatment of surfaces of articles by arc discharge in vacuum
RU2380456C1 (en) * 2008-05-04 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1695704C (en) * 1987-12-21 1992-12-23 Институт электроники им.У.А.Арифова Method of treating surface articles by arc discharge in vacuum
CA2201810A1 (en) * 1996-04-12 1997-10-12 Alexander F. Rogozin Gas-controlled arc apparatus and process
RU2386705C1 (en) * 2009-04-21 2010-04-20 Институт проблем машиноведения Российской академии наук Steel items hardening method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2118399C1 (en) * 1996-08-30 1998-08-27 ГНЦ Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Process of cathode-vacuum treatment of surfaces of metal parts
RU2144096C1 (en) * 1998-05-18 2000-01-10 Антипов Борис Федорович Method of treatment of surfaces of articles by arc discharge in vacuum
RU2380456C1 (en) * 2008-05-04 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542912C2 (en) * 2013-07-18 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Method of intermetallic anti-emission coating production at net-shaped electrodes of oscillating tubes
RU2541325C1 (en) * 2013-07-19 2015-02-10 Николай Яковлевич Василик Method of hard facing of metal items

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012150877A3 (en) 2013-03-07
RU2011118209A (en) 2012-11-27
DE112012001978T5 (en) 2014-02-20
WO2012150877A2 (en) 2012-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wei et al. Surface modification of 5CrMnMo steel with continuous scanning electron beam process
JPH0633451B2 (en) Surface treatment method of work piece
US20080138529A1 (en) Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition
TWI411696B (en) Method for depositing electrical isulating layers
US4478703A (en) Sputtering system
CN112210747A (en) Arc discharge ion nitriding technology and nitriding furnace
RU2478141C2 (en) Modification method of material surface by plasma treatment
Yang et al. Cathodic plasma electrolysis processing for metal coating deposition
Pyachin et al. Formation and study of electrospark coatings based on titanium aluminides
Semenov et al. An apparatus for vacuum deposition of composite TiN− Cu coatings using coupled vacuum-arc and ion-plasma processes
JP2006169630A (en) Method and apparatus for cathodic arc deposition of materials on a substrate
JP6696991B2 (en) Plasma process and reactor for thermochemical treatment of the surface of metal pieces
RU2686505C1 (en) Method of plasma processing of metal products
RU2654161C1 (en) Method or local ionic nitriding of steel articles in glow discharge with magnetic field
Borisov et al. Effective processes for arc-plasma treatment in large vacuum chambers of technological facilities
Kwon et al. Geometric effect of ion nitriding on the nitride growth behavior in hollow tube
CN103966556B (en) A kind of method and apparatus realizing ion-plating deposition MCrAlX protective coating
Borthakur et al. Surface hardening of high carbon steel by plasma focus nitriding
JP6544087B2 (en) Method of manufacturing heat shield parts
Kulka et al. Trends in physical techniques of boriding
RU167782U1 (en) Pipe Surface Cleaning Machine
RU2607398C2 (en) Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation
CN108251810A (en) A kind of preparation method of corrosion-resistant Sintered NdFeB magnet
JP2018119185A (en) Formation method of decorative film by magnetron sputtering method
CN113278928B (en) Method for preparing nano-structure transition metal nitride film by utilizing plasma

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20150526

PD4A Correction of name of patent owner