UA153270U - Спосіб зміцнення поверхні виробів із металевих матеріалів - Google Patents

Abstract

Спосіб зміцнення поверхні виробів із металевих матеріалів включає розміщення виробу на утримувачі в вакуумній камері, в яку через штуцери подають реактивні гази, вмикають джерела живлення, підпалюючий пристрій, анод, катод, плазмовід, фокусуючий соленоїд та селектор іонів. На модулятор, підкладинкоутримувач та оптично прозорий електрод напругу подають в режимі від’ємного зворотного зв’язку між змінами струму дуги між катодом і анодом та відповідних їм змін магнітного та електричного полів всередині плазмоводу. Обробку поверхні здійснюють в режимі очищення та дифузійного насичення реактивними газами нанесенням через проміжки часу від 30 хвилин до 1 години блокуючих покриттів та остаточного захисного покриття пульсуючим потоком іонів за допомогою модулятора та подачі змінної (імпульсної) напруги на оптично прозорий електрод та виріб.

Description

Корисна модель належить до галузі машинобудування і спрямована на створення технологій одержання виробів із заданими експлуатаційними властивостями поверхонь, що забезпечує їх підвищену стійкість до дії механічних навантажень. Відомими підходами є застосування процесів азотування для утворення в поверхневому шарі сполук на основі азоту, а також іонно-плазмового нанесення захисних покриттів, завдяки чому збільшуються значення мікротвердості. Залежно від виду сплаву, з якого виготовлено виріб, застосовуються комбінації технологічних операцій азотування.

Відомим є спосіб (патент РФ Мо 2241782, МПК С23С 14/48, 2004), що полягає в попередньому іонному очищенні поверхні з підтримкою постійної температури на всіх стадіях обробки, азотування здійснюють шляхом ініціювання електродугового розряду з наступним нанесенням покриття потоком металевої плазми. Недоліком даного способу є утворення внутрішніх напружень на границі поділу між модифікованим шаром та основною частиною виробу, що виникають в процесі синтезу нітридів заліза. Також цей спосіб не передбачає інструментів фізичного управління процесом розподілу азоту в поверхні мішені.

Відомим є спосіб, що полягає в азотуванні поверхні іонами азоту, що утворюються у вакуумній камері внаслідок дугового та газового розряду (патент РФ Мо 2131480, 1999). При цьому за одне завантаження в камеру виконують операції очистки поверхні та нанесення нітриду титану. На виріб подається негативний потенціал зміщення від 300 до 1000 В. Внаслідок такої обробки синтезується тришарова зона різного компонентного складу розмірами 100-120 мкм, значення твердості якої збільшуються від 2 ГПа всередині до 7,5 ГПа на поверхні. Разом з тим, при проведенні технологічних операцій не розглядається проблема того, що зародки нових фаз виступають центрами виникнення внутрішніх напружень, які в подальшому ініціюють зародження тріщин при циклічних навантаженнях. До недоліків також слід віднести тривалість процесу і відсутність засобів пришвидшення процесу дифузії азоту.

Відомим є спосіб |(Патент РФ Мо 1721119, МПК С23С 8/06, 19921 газового азотування, яке відбувається в два етапи, причому на другому етапі температура підвищується на 20-40 "С, а обробка відбувається в магнітному полі, яке виступає фізичним інструментом управління процесом дифузії та синтезу азотовмісних сполук. Недоліком є велика тривалість процесу, яка становить близько 5 годин.

Відомим є спосіб |Патент України на корисну модель Мо Ю 91096, МПК С23С 8/36, 20141, який полягає в тому, що обробку проводять у вакуумі, оброблювану деталь з'єднують з від'ємним полюсом джерела струму та подають пульсуючу напругу 1100-1400 В з тривалістю імпульсу 10-20 мс та величиною періоду подавання імпульсів 40 мс, при цьому як робочий газ використовують азот, який відрізняється тим, що при подачі пульсуючої напруги 1100-1400 В на деталь та стінки контейнера, деталь нагрівають збудженим тліючим розрядом до 600 "с.

Особливістю способу є те, що процеси дифузії азоту істотно пришвидшуються завдяки термоциклічним напруженням, що генеруються в деталі. Недоліком способу є те, що він не передбачає можливості нанесення в єдиному циклі захисного покриття, яке б не вносило додаткових внутрішніх напружень.

Найближчим аналогом корисної моделі є спосіб |Патент України на корисну модель Мо 5699,

МПК НОБН 1/26, 20061, який реалізується на установці, яка складається з вакуумної камери; утримувача оброблюваного виробу, електродугового джерела плазми, яке включає вмикаюче джерело живлення, підпалюючий пристрій, анод, катод, плазмовід з розташованим на ньому фокусуючим соленоїдом та селектором іонів, містить модулятор (оптично прозорий електрод, охоплений електромагнітною котушкою) та додатковий електрод. При цьому модулятор, утримувач та додатковий електрод підключені до джерела живлення змінних струму та напруги.

Плазмовід, виготовлений у вигляді циліндра з розвинутою внутрішньою поверхнею стінки, розміщений між катодом і анодом, ізольований від корпусу вакуумної камери та електрично зв'язаний через обмотку соленоїда з анодом, оснащений додатковою струмовою магнітною котушкою, яка послідовно ввімкнута в ланцюг живлення катода. Недоліком способу є відсутність можливості насичення поверхні виробу іонами реактивних газів, наприклад азоту, для формування додаткового демпфуючого шару між зовнішнім покриттям та виробом.

В основу корисної моделі поставлена задача усунути недоліки найближчого аналога.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі зміцнення поверхні виробів із металевих матеріалів, що включає розміщення виробу на утримувачі в вакуумній камері, в яку через штуцери подають реактивні гази, вмикають джерела живлення, підпалюючий пристрій, анод, катод, плазмовід, фокусуючий соленоїд та селектор іонів, при цьому на модулятор, підкладинкоутримувач та оптично прозорий електрод напругу подають в режимі від'ємного зворотного зв'язку між змінами струму дуги між катодом і анодом та відповідних їм змін 60 магнітного та електричного полів всередині плазмоводу, згідно з корисною моделлю, обробку поверхні здійснюють в режимі очищення та дифузійного насичення реактивними газами нанесенням через проміжки часу від 30 хвилин до 1 години блокуючих покриттів та остаточного захисного покриття пульсуючим потоком іонів за допомогою модулятора та подачі змінної (імпульсної) напруги на оптично прозорий електрод та виріб.

Спосіб реалізують на установці - 1 (креслення), яка працює наступним чином. На утримувачі 2 закріплюють оброблюваний виріб 16, після чого закривають завантажувальний люк вакуумної камери. Вмикають вакуумний насос. При досягненні в камері заданої глибини вакууму, в порожнину камери через штуцер 17 подають реактивний газ і з допомогою електродів 12, 14 та джерел 5, 15 змінної напруги здійснюють попередню чистку (активацію) поверхні підкладинки виробу 16 в жевріючому розряді. Після завершення процесу чистки, регулюючи напругу на джерелах 5, 15 переходять до процесу дифузійного насичення іонами реактивного газу, при цьому після насичення протягом часу від 30 хвилин до 1 години переходять до режиму нанесення блокуючих покриттів, які перешкоджають процесу зворотної дифузії. Для цього, встановивши за допомогою пульта керування необхідний режим роботи камери, вмикають джерела живлення (9, 11, 15). Випаровування матеріалу катода З здійснюється катодною плямою вакуумної дуги сильнострумового низьковольтного розряду в проміжку катод З - плазмовод 6, корпус 1 (анод). Під дією первинних електронів та іонів підпалюючого електрода 4 відбувається іонізація випареної речовини катода 3 та реагуючих газів, встановлюється стаціонарний дуговий розряд, що спричиняє виникнення високошвидкісних потоків, які складаються із заряджених та нейтральних часток: іонів, нейтральних атомів та мікрочасток - крапель та твердих уламків катода 3.

В результаті дії на поверхню плазмоводу б заряджених компонент плазми (іони та електрони) між плазмоводом б та анодом (корпусом 1) виникає різниця потенціалів. Через котушку соленоїда 7 протікає електричний струм, в результаті чого всередині плазмоводу 6 створюється магнітне поле. Магнітне поле заданої конфігурації формується накладенням магнітних полів соленоїда 7 та додаткових струмових котушок 8, 13.

Під дією радіальної складової електричного поля, форма еквіпотенціалів якого визначається топографією магнітного поля та електричним потенціалом плазмоводу 6, іонна частина потоку плазми, змінюючи напрям руху, як показано на кресленні, проходить без значних втрат на

Зо стінках плазмоводу, де переважно осаджується мікрокрапельна складова випарюваного катода

З.

Стабілізація характеристик потоку плазми забезпечується за рахунок реалізації в конструкції плазмооптичного стабілізатора від'ємного зворотного зв'язку між змінами струму дуги та відповідних йому змін магнітного та електричного полів всередині плазмоводу 6.

Селектор іонів 10, за рахунок дії електричного поля в міжрешітковому просторі, забезпечує проходження позитивних іонів скрізь оптично непрозорий екран, покращуючи співвідношення між корисною іонною складовою та нейтральними мікрочастками.

Формування покриття на підкладинці 16 здійснюється пульсуючим потоком іонів за допомогою модулятора та подачі змінної (імпульсної) напруги на оптично прозорий електрод 12 та підкладинку 16 (при нанесенні покриттів на діелектрики, напруга подається на додатковий електрод 14).

Потік іонів на виході селектора 10, попадаючи в зону дії змінного електричного та магнітного полів прискорюється, утворюючи пульсуючий потік іонів змінної енергії, які осаджуються на підкладинку 16. В міжрешітковому просторі оптично прозорого електрода 12 формується електромагнітне поле, яке забезпечує проходження прискорюваних іонів без значних втрат. За рахунок прикладеної різниці потенціалів між електродом 12 та підкладинкою 16 (електродом 14) здійснюється додаткова іонізація молекул реактивного газу в зоні нанесення покриття.

Термодинамічна обробка покриття потоком іонів змінної енергії при відсутності у конденсованому потоці крапельних утворень та нейтральних часток матеріалу катода дозволяє досягти високої адгезії покриття до підкладинки, забезпечити високу щільність та суцільність покриттів, підвищену мікровтомлювану та абразивну зносостійкість.

Завдяки зниженню внутрішніх напружень на границі поділу покриття-підкладинка, знижуються вимоги до умов узгодженості коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів покриття та підкладинки, що істотно розширює технологічні можливості установки.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб зміцнення поверхні виробів із металевих матеріалів, що включає розміщення виробу на утримувачі в вакуумній камері, в яку через штуцери подають реактивні гази, вмикають джерела

   60 живлення, підпалюючий пристрій, анод, катод, плазмовід, фокусуючий соленоїд та селектор іонів, при цьому на модулятор, підкладинкоутримувач та оптично прозорий електрод напругу подають в режимі від'ємного зворотного зв'язку між змінами струму дуги між катодом і анодом та відповідних їм змін магнітного та електричного полів всередині плазмоводу, який відрізняється тим, що обробку поверхні здійснюють в режимі очищення та дифузійного насичення реактивними газами нанесенням через проміжки часу від 30 хвилин до 1 години блокуючих покриттів та остаточного захисного покриття пульсуючим потоком іонів за допомогою модулятора та подачі змінної (імпульсної) напруги на оптично прозорий електрод та виріб. ; Б Ї є т Ж не нанивнія ОН Мет нн я і | Пш ж о ХУ Балони дедчвккх ТЕ Еоанімдонямих ЖЕ днк люду І зренннннь З 3 1 ' рю З а ; о А Шк Щур раннннннняня пейкка сіхжнкх дя : й їв ек Ще г і-ї : ік бере ПОВ сви Не жене ї СХптлянлнннн в Є пен Зндякннкнннкнння ХОР в ї З гне а сос диеесесокааня | рення і В ЯН мі НЯ