UA53365C2 - A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles - Google Patents
A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles Download PDFInfo
- Publication number
- UA53365C2 UA53365C2 UA2002053764A UA2002053764A UA53365C2 UA 53365 C2 UA53365 C2 UA 53365C2 UA 2002053764 A UA2002053764 A UA 2002053764A UA 2002053764 A UA2002053764 A UA 2002053764A UA 53365 C2 UA53365 C2 UA 53365C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- cathode
- chamber
- vacuum
- anode
- gas
- Prior art date
Links
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 title claims abstract description 4
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 34
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 5
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- BQIFCAGMUAMYDV-DHBOJHSNSA-N 1-(2-chloroethyl)-3-[(2r,6s)-2,6-dihydroxycyclohexyl]-1-nitrosourea Chemical compound O[C@H]1CCC[C@@H](O)C1NC(=O)N(CCCl)N=O BQIFCAGMUAMYDV-DHBOJHSNSA-N 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000566113 Branta sandvicensis Species 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000699670 Mus sp. Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001315 Tool steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000750042 Vini Species 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Treatment Of Fiber Materials (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
Винахід має відношення до вакуумно-плазмової обробки матеріалів та може бути використаний переважно при проведенні процесу хіміко-термічної обробки. Доцільно використовувати винахід для комплексної поверхневої обробки, що включає хіміко-термічну обробку поверхні виробу з наступним нанесенням на неї зміцнювального покриття.The invention is related to vacuum-plasma processing of materials and can be used mainly in the process of chemical-thermal processing. It is advisable to use the invention for complex surface treatment, which includes chemical and thermal treatment of the surface of the product followed by application of a strengthening coating.
Проведення процесу хіміко-термічної обробки методами вакуумно-плазмової технологи включає два необхідних фактори: нагрівання виробу та створення газової плазми, яка сприяє активізації процесу.Carrying out the process of chemical and thermal treatment by methods of vacuum-plasma technology includes two necessary factors: heating the product and creating a gas plasma, which helps to activate the process.
Відомі пристрій та спосіб вакуумно-плазмової обробки виробів у плазмі двоступеневого вакуумно-дугового розряду (патент США Мо 5.503.725, МПК С23С14/34, 1996). Пристрій має робочу камеру з розміщеними у ній катодом та анодом, який є тримачем виробу. Між ними розміщено непрозорий екран, проникний для електронів плазми. Пристрій має джерело живлення постійного струму. При здійсненні способу виріб, який знаходиться у газовій плазмі, є анодом розряду, піддається електронному бомбардуванню. Екран (частіше використовують типа "шеврон" або "жалюзі") заважає попаданню на виріб металевої плазми, яка генерується катодом вакуумно-дугового розряду (з-за конденсації на ньому іонів металу, які розповсюджуються за прямолінійними траєкторіями). Електрони газової плазми прогрівають виріб до робочої температури та одночасно активізують газове середовище. В результаті цього в процесі хіміко-термічної обробки виключено небажане травлення поверхні виробу.The device and method of vacuum-plasma processing of products in the plasma of a two-stage vacuum-arc discharge are known (US patent Mo 5.503.725, IPC C23С14/34, 1996). The device has a working chamber with a cathode and an anode placed in it, which is the holder of the product. An opaque screen is placed between them, permeable to plasma electrons. The device has a direct current power source. When implementing the method, the product, which is in the gas plasma, is the anode of the discharge, and is subjected to electron bombardment. The screen (the "chevron" or "blind" type is more often used) prevents metal plasma generated by the cathode of a vacuum-arc discharge from hitting the product (due to condensation on it of metal ions that spread along straight paths). Electrons of the gas plasma heat the product to the working temperature and at the same time activate the gas environment. As a result, in the process of chemical and thermal treatment, unwanted etching of the surface of the product is excluded.
Проте, якщо обробляти у цьому пристрою вироби великих розмірів, то потрібно створювати розрядний струм великого значення. При цьому не забезпечується однорідність електронного потоку за всією поверхнею виробу, тому, що на рух електронів оказує вплив магнітне поле, створюване розрядним струмом. Тому виріб прогрівається нерівномірно. Це обумовлює низьку ефективність хіміко-термічної обробки.However, if large-sized products are processed in this device, a large discharge current must be created. At the same time, the uniformity of the electron flow over the entire surface of the product is not ensured, because the movement of electrons is affected by the magnetic field created by the discharge current. Therefore, the product heats up unevenly. This determines the low efficiency of chemical and thermal treatment.
Відомий пристрій, який обрано як прототип, може бути використаний для вакуумно-плазмової обробки виробів (А.The well-known device, which was chosen as a prototype, can be used for vacuum-plasma processing of products (A.
Апаегз апа М. Кіїнп Спагасієгігайоп ої а Іом-епегду сопвігпісієа-ріазта 5о0-игсе," Веум. сі. Іпвігит. 69 (1998), 1340 - 1343).Apaegz apa M. Kiinp Spagasiegigayop oi a Iom-epegdu sopvigpisiea-riazta 5o0-igse," Veum. si. Ipvigyt. 69 (1998), 1340 - 1343).
Пристрій уявляє собою джерело газорозрядної плазми та містить робочу камеру с розміщеним у ній анодом. З робочою камерою сполучена, принаймні, крізь один отвір у вигляді сопла, камера з розміщеним у ній катодом. Пристрій має джерело живлення постійного струму, підключене полюсами до катода та анода. Таке плазмове джерело має назву стиснутого плазмового джерела (СРБ). Катод у ньому має порожнину з каналом для подачі робочого газу. При обробці робочий газ крізь нього подається до камери. Відкачка джерела СР5 відбувається з боку робочої камери. Унаслідок цього між камерою та робочою камерою утворюється перепад тиску, величина якого визначається газовою провідністю отвору, кількістю газу, який подають, та швидкістю відкачки помпи. Робочий газ із камери попадає до робочої камери у вигляді надзвукового струменя. При подачі напруги на електроди плазмового джерела в порожнині катода виникає тліючий розряд. Параметри тиску робочого газу в порожнині підбирають за умовою стабільного існування тліючого розряду. В області отвору в плазмі утворюється подвійний електричний шар, у якому спадання напруги може досягати ЗОВ. Електрони з такою енергією здатні іонізувати струмінь газу, що виходить із сопла. Середня енергія газових іонів, утворених джерелом, складає - 5евВ.The device is a gas discharge plasma source and contains a working chamber with an anode placed in it. The camera with the cathode placed in it is connected to the working chamber at least through one hole in the form of a nozzle. The device has a direct current power source connected by poles to the cathode and anode. Such a plasma source is called a compressed plasma source (CRP). The cathode in it has a cavity with a channel for supplying working gas. During processing, the working gas is supplied to the chamber through it. Pumping of the CP5 source takes place from the side of the working chamber. As a result, a pressure difference is formed between the chamber and the working chamber, the value of which is determined by the gas conductivity of the hole, the amount of gas supplied, and the pumping speed of the pump. The working gas from the chamber enters the working chamber in the form of a supersonic jet. When voltage is applied to the electrodes of the plasma source, a glow discharge occurs in the cathode cavity. The pressure parameters of the working gas in the cavity are selected under the condition of the stable existence of the glow discharge. In the region of the hole, a double electric layer is formed in the plasma, in which the voltage drop can reach the ZOV. Electrons with this energy are able to ionize the gas jet coming out of the nozzle. The average energy of gas ions formed by the source is - 5 eV.
Плазмові джерела СР5 знайшли застосування при одержанні плівкових покриттів арсеніду галію й окісних плівок на склі й пластмасах. Типові електричні параметри для СРО: напруга між катодом і анодом 300...5008, розрядний струм 10...200мА, повний іонний струм насичення від 0,1 до 1мА. Змінюючи геометрію сопла, швидкість відкачки, й газовий потік, можна змінювати в широкому діапазоні тиск у робочій камері від 103 до 100Па.CP5 plasma sources are used in the production of film coatings of gallium arsenide and oxide films on glass and plastics. Typical electrical parameters for SPO: voltage between cathode and anode 300...5008, discharge current 10...200mA, full ion saturation current from 0.1 to 1mA. By changing the geometry of the nozzle, the pumping speed, and the gas flow, it is possible to change the pressure in the working chamber in a wide range from 103 to 100 Pa.
Проте джерело з такими параметрами не може забезпечити ефективну хіміко-термічну обробку матеріалів у великих об'ємах, тому, що величина розрядного струму та, відповідно, потужність джерела малі. Крім того, мала й енергія газових іонів, що не достатньо для дисоціації газових молекул. Тому не забезпечується необхідний прогрів виробів та активізація газового середовища.However, a source with such parameters cannot provide effective chemical-thermal treatment of materials in large volumes, because the magnitude of the discharge current and, accordingly, the power of the source are small. In addition, the energy of gas ions was low, which is not enough for the dissociation of gas molecules. Therefore, the necessary heating of the products and activation of the gas environment is not provided.
В основу винаходу поставлено завдання створити такий пристрій вакуумно-плазмової обробки виробів, який у порівнянні із пристроєм, обраним як прототип, дозволить підвищити ефективність хіміко-термічної обробки виробів.The basis of the invention is the task of creating such a device for vacuum-plasma processing of products, which, in comparison with the device chosen as a prototype, will allow to increase the efficiency of chemical-thermal processing of products.
Поставлена задача вирішується у пристрої, який містить робочу камеру з анодом, сполучені з нею, принаймні, крізь один отвір, камеру з катодом, джерело живлення постійного струму. Згідно з винаходом пристрій має додаткову камеру з додатковим анодом, з'єднаним із додатковим джерелом постійного струму, яка сполучена з робочою камерою, принаймні, крізь один отвір, як анод обраний тримач виробів, а катод виконаний у вигляді катода вакуумно-дугового розряду.The task is solved in a device that contains a working chamber with an anode, connected to it, at least through one hole, a chamber with a cathode, a DC power source. According to the invention, the device has an additional chamber with an additional anode connected to an additional source of direct current, which is connected to the working chamber through at least one hole, the product holder is selected as the anode, and the cathode is made in the form of a vacuum-arc discharge cathode.
При вмиканні джерела постійного струму між катодом та анодом (тримачем із виробами) збуджується дуговий розряд.When the DC source is turned on, an arc discharge is excited between the cathode and the anode (the holder with the products).
Відміною катода вакуумно-дугового розряду від катода тліючого розряду є те, що він незалежно від площі катода, може забезпечити практично любий за величиною розрядний струм (величина останнього визначається тільки теплофізичними властивостями матеріалу катода, умовами його охолодження та параметрами джерела живлення). Крім того, катодне падіння потенціалу у дуговому розряді в десятки разів менше, ніж у тліючому, що дозволяє ефективно використовувати джерело живлення. Отвір, який з'єднує робочу камеру з камерою з катодом, сприяє збільшенню падіння напруги у зоні отвору, що веде до збільшення швидкості електронів у плазмі дугового розряду та, як наслідок, до збільшення потужності прогріву оброблюваного виробу.The difference between a vacuum-arc discharge cathode and a glow discharge cathode is that, regardless of the area of the cathode, it can provide almost any discharge current (the magnitude of the latter is determined only by the thermophysical properties of the cathode material, its cooling conditions, and power source parameters). In addition, the cathodic potential drop in an arc discharge is ten times smaller than in an incandescent one, which allows efficient use of the power source. The hole that connects the working chamber with the chamber with the cathode contributes to an increase in the voltage drop in the area of the hole, which leads to an increase in the speed of electrons in the plasma of the arc discharge and, as a result, to an increase in the heating power of the processed product.
При включенні додаткового джерела постійного струму між плазмою вакуумно-дугового розряду робочої камери та додатковим анодом збуджується додатковий вакуумно-дуговий розряд. Іони плазми, завдяки отвору, що з'єднує додаткову та робочу камери, прискорюються у бік тримача з виробами, забезпечуючи більш ефективну, ніж електрони дисоціацію молекул робочого газу. Збільшення числа атомів робочого газу прискорює процес утворення хімічних сполук згаданих атомів із металами виробу, а також сприяє активній дифузії вглиб металу. Ці обставини обумовлюють підвищення ефективності хіміко-термічної обробки.When an additional source of direct current is turned on between the plasma of the vacuum-arc discharge of the working chamber and the additional anode, an additional vacuum-arc discharge is excited. Plasma ions, due to the opening connecting the additional and working chambers, are accelerated towards the holder with the products, ensuring more effective dissociation of working gas molecules than electrons. An increase in the number of atoms of the working gas accelerates the process of formation of chemical compounds of the mentioned atoms with the metals of the product, and also promotes active diffusion into the depths of the metal. These circumstances lead to an increase in the efficiency of chemical and thermal treatment.
На фіг.1 наведено принципову схему пропонованого пристрою для одноразової обробки виробів електронами та іонами газової плазми. На фіг2 наведено схему поліпшеного варіанта пристрою. На фіг.З наведено графік залежності мікротвердості від глибини азотованого шару, отриманої для ріжучих пластин, виготовлених із стали РбМ5, для двох режимів роботи: при обробці тільки електронами (крива 1); при обробці електронами та іонами (крива 2).Figure 1 shows the schematic diagram of the proposed device for one-time processing of products with electrons and ions of a gas plasma. Figure 2 shows a diagram of an improved version of the device. Fig. 3 shows a graph of the dependence of microhardness on the depth of the nitrided layer, obtained for cutting plates made of PbM5 steel, for two modes of operation: during processing only with electrons (curve 1); during treatment with electrons and ions (curve 2).
Пристрій містить робочу камеру 1, у якій установлений тримач 2 виробу, яким є анод. З робочою камерою 1 з'єднано камеру 3, у якій розміщений катод 4 вакуумно-дугового розряду. Робоча камера 1 сполучена з камерою З крізь отвір 5 невеликого діаметра. Катод 4 та анод 2 (тримач виробів) підключений до джерела 6 постійного струму. Додаткова камера 7 сполучена з робочою камерою 1 крізь отвір 8. Пристрій може мати друге додаткове джерело 11 постійного струму (фиг.2), який включно між катодом 4 (від'ємний полюс) та камерою 3.The device contains a working chamber 1, in which a product holder 2, which is an anode, is installed. The working chamber 1 is connected to the chamber 3, in which the cathode 4 of the vacuum-arc discharge is placed. The working chamber 1 is connected to the chamber C through an opening 5 of a small diameter. Cathode 4 and anode 2 (product holder) are connected to source 6 of direct current. The additional chamber 7 is connected to the working chamber 1 through the opening 8. The device can have a second additional source 11 of direct current (Fig. 2), which is included between the cathode 4 (negative pole) and the chamber 3.
Роботу пристрою розглянемо на прикладі хіміко-термічної обробки (азотування).We will consider the operation of the device using the example of chemical and thermal treatment (nitriding).
Камери 1, З та 7 високовакуумними помпами (на кресленні не показані) відкачують до низького тиску (наприклад, до 1,3 х 103Па), а потім до них, за допомогою системи подачі робочого газу (на кресленні не показана), напускають робочий газу до тиску 0,1...1Па. При включенні джерела 6 постійного струму між катодом 4 та тримачем 2 із поставленими на нього виробами, збуджується дуговий розряд. Емісія електронів, які роблять іонізацію газу в робочій камері 1, відбувається з поверхні плазми у невеликому отворі 5 (декілька міліметрів). У його зоні створюється спадання напруги, що веде до збільшення швидкості електронів. В іншій частині порожнини робочої камери 1, яка примикає до отвору 5, спадання напруги незначне (як правило, напруженість електричного поля не більше 0,5Б/см). Тому, практично, вся напруга джерела живлення 6 прикладена до зони отвору 5 і визначає енергію прискорених електронів. При силі струму розряду 100...150А та напрузі джерела живлення 150...3008 потужність нагрівання може досягати декількох десятків кіловат, що дозволяє нагрівати відносно великі маси виробів за короткий час.Chambers 1, Z and 7 are pumped to a low pressure (for example, up to 1.3 x 103Pa) with high-vacuum pumps (not shown in the drawing), and then working gas is injected into them using a working gas supply system (not shown in the drawing) to a pressure of 0.1...1Pa. When the DC source 6 is turned on between the cathode 4 and the holder 2 with the products placed on it, an arc discharge is excited. The emission of electrons, which ionize the gas in the working chamber 1, occurs from the plasma surface in a small hole 5 (several millimeters). A voltage drop is created in its zone, which leads to an increase in the speed of electrons. In the other part of the cavity of the working chamber 1, which is adjacent to the opening 5, the voltage drop is insignificant (as a rule, the electric field strength is no more than 0.5V/cm). Therefore, practically the entire voltage of the power source 6 is applied to the zone of the hole 5 and determines the energy of the accelerated electrons. With a discharge current of 100...150A and a power source voltage of 150...3008, the heating power can reach several tens of kilowatts, which allows you to heat relatively large masses of products in a short time.
Для проведення процесу хіміко-термічної обробки (наприклад, азотування) дуже важливо, щоб нагріту поверхню оброблюваного виробу оточувала газова атмосфера, яка збагачена частками атомарного азоту, здатного проникати усередину кристалічної решітки матеріалу, що азотують, утворюючи твердий розчин азоту у матеріалі. Наявність атомарного азоту прискорює утворення хімічних сполук азоту з металом та сприяє дифузії азоту усередину поверхні матеріалу. При зіткненні електронів із молекулою дисоціація останньої незначна із-за невеликої маси електрона. Ефективну дисоціацію молекул газу можуть забезпечити тільки прискорені важкі частинки (іони газу). Для здійснення ефективного процесу дисоціації молекул газу на атомарні частинки у пропонованому пристрої є прискорювач іонів газу, який створений замкнутою порожниною додаткової камери 7, додатковим анодом 9, робочою камерою 1 та отвором 8 між робочою камерою 1 та камерою 3. При включенні джерела живлення 10, додатковий анод 9 має позитивний потенціал відносно анода 2, а, отже, і відносно плазмі, яка заповнює робочу камеру 1. Тому між плазмою та анодом 9 збуджується вакуумно- дуговий розряд. Плазма цього розряду перетиснена отвором 8 і тому у зоні отвору 8 виникає падіння напруги. Величина падіння напруги на проміжку, що прискорює може бути на рівні десятків і сотень вольт. Напруженість електричного поля у зоні отвору 8 направлена так, що іони газу прискорюються у напрямку виробу, який поставлений на тримачі 2.In order to carry out the process of chemical and thermal treatment (for example, nitriding), it is very important that the heated surface of the processed product is surrounded by a gas atmosphere, which is enriched with particles of atomic nitrogen, which can penetrate into the crystal lattice of the nitriding material, forming a solid solution of nitrogen in the material. The presence of atomic nitrogen accelerates the formation of chemical compounds of nitrogen with the metal and promotes the diffusion of nitrogen into the surface of the material. When electrons collide with a molecule, the dissociation of the latter is insignificant due to the small mass of the electron. Effective dissociation of gas molecules can be ensured only by accelerated heavy particles (gas ions). To carry out an effective process of dissociation of gas molecules into atomic particles, the proposed device has a gas ion accelerator, which is created by a closed cavity of an additional chamber 7, an additional anode 9, a working chamber 1 and an opening 8 between the working chamber 1 and the chamber 3. When the power source 10 is turned on, additional anode 9 has a positive potential relative to anode 2, and therefore relative to the plasma that fills the working chamber 1. Therefore, a vacuum arc discharge is excited between the plasma and anode 9. The plasma of this discharge is compressed by hole 8 and therefore a voltage drop occurs in the area of hole 8. The magnitude of the voltage drop on the accelerating gap can be at the level of tens or hundreds of volts. The voltage of the electric field in the area of the hole 8 is directed so that the gas ions are accelerated in the direction of the product placed on the holder 2.
Зіштовхуючись із нейтральними молекулами газу, іони з високою ймовірністю дисоціюють їх, що веде до активізації процесу хіміко-термічної обробки.Colliding with neutral gas molecules, ions are highly likely to dissociate them, which leads to activation of the chemical-thermal treatment process.
Таким чином, завдяки отвору 5 відбувається ефективне нагрівання виробу прискореним електронним потоком, а завдяки отвору 8 здійснюється обробка виробу атомами газу, що значно інтенсифікує процес хіміко-термічну обробку.Thus, thanks to hole 5, the product is effectively heated by an accelerated electron flow, and thanks to hole 8, the product is treated with gas atoms, which significantly intensifies the chemical-thermal treatment process.
При роботі пристрою вакуумно-плазмової обробки виробів струм вакуумно-дугового розряду між катодом 4 та анодом 2 не може бути нижче, мінімального струму (Імин.) стабільного існування дугового розряду на катоді 4. Величина цього струму залежить від матеріалу катода та конструкції катодного вузла (як правило, цей струм складає декілька десятків ампер).During the operation of the device for vacuum-plasma processing of products, the current of the vacuum-arc discharge between the cathode 4 and the anode 2 cannot be lower than the minimum current (Imin.) of the stable existence of the arc discharge on the cathode 4. The magnitude of this current depends on the material of the cathode and the design of the cathode assembly ( as a rule, this current is several tens of amperes).
Якщо підтримування температури виробу відбувається при значенні струму менше, ніж Імин., то розряд не існує, що зменшує ефективність процесу. Щоб виключити таку ситуацію, у пристрої передбачено джерело 11 (фиг,2) постійного струму, який з'єднаний з катодом 4 (негативним полюсом) і камерою 3. Таким чином, додатковим анодом для катода 4 є внутрішні стінки камери 3. При такій конструкції пристрою мінімальний струм стабільного горіння дугового розряду забезпечується не струмом між катодом 4 і анодом 2, а струмом між катодом 4 і внутрішніми стінками камери 3, який підтримується за допомогою джерела живлення 11. Температура виробу на потрібному рівні підтримується регулюванням напруги джерела живлення 6. В іншому робота пристрою, зображеного на фіг.2 аналогічна роботі пристрою, зображеного на фіг.1If the temperature of the product is maintained at a current value less than Imin., then the discharge does not exist, which reduces the efficiency of the process. To eliminate such a situation, the device provides a source 11 (fig. 2) of direct current, which is connected to the cathode 4 (negative pole) and the chamber 3. Thus, the additional anode for the cathode 4 is the inner walls of the chamber 3. With such a design device, the minimum current for stable burning of the arc discharge is not provided by the current between the cathode 4 and the anode 2, but by the current between the cathode 4 and the inner walls of the chamber 3, which is maintained by the power source 11. The temperature of the product at the required level is maintained by the voltage regulation of the power source 6. Otherwise the operation of the device shown in Fig. 2 is similar to the operation of the device shown in Fig. 1
Приклад 1. В камері З розмішували титановий катод 4 (діаметром 100мм). Робоча камера 1 сполучена з камерою З за допомогою п'яти отворів діаметром 10 мм, а робоча камера 1 сполучена з додатковою камерою 7 за допомогою п'яти отворів діаметром 8 мм. Використовували джерело 11 постійного струму напругою 40В, та потужністю бкВт. Джерела живлення 6 та 10 мали напругу 2208 та потужність 10кВт. Пластини з інструментальної сталі РБеМ5, розміром 8 х 20 х 20мм, ставили на масивний циліндр (загальною масою - 8кг) діаметром 250 мм та висотою 250мм. Циліндр розташовували на тримачі 2 виробів. Обертання циліндра здійснювали із швидкістю З0об/хв. Температуру вимірювали за допомогою оптичного пірометра. В камеру подавали суміш аргону з азотом. Робочий тиск підтримували на рівні 0,7Па (при парціальному тиску аргону 0,2Па). Нагрівання виробів до температури 500"С проводили при включеному джерелі живлення 11 із струмом розряду між катодом 4 та анодом 2 (циліндром) ЗОА і напрузі 2008. Час нагрівання складав - 8хв. Після досягнення виробами робочої температури, зменшували струм за допомогою регулювання джерела живлення 6.Example 1. Titanium cathode 4 (diameter 100 mm) was stirred in chamber C. Working chamber 1 is connected to chamber C by means of five holes with a diameter of 10 mm, and working chamber 1 is connected to an additional chamber 7 by means of five holes with a diameter of 8 mm. We used a source of 11 direct currents with a voltage of 40V and a power of bkW. Power sources 6 and 10 had a voltage of 2208 and a power of 10 kW. Plates made of RBeM5 tool steel, size 8 x 20 x 20 mm, were placed on a massive cylinder (total weight - 8 kg) with a diameter of 250 mm and a height of 250 mm. The cylinder was placed on the holder of 2 products. The cylinder was rotated at a speed of 30 rpm. The temperature was measured using an optical pyrometer. A mixture of argon and nitrogen was fed into the chamber. The working pressure was maintained at the level of 0.7 Pa (at a partial pressure of argon of 0.2 Pa). The products were heated to a temperature of 500"C with the power source 11 turned on, with a discharge current between the cathode 4 and anode 2 (cylinder) of the ZOA and a voltage of 2008. The heating time was 8 minutes. After the products reached the working temperature, the current was reduced by adjusting the power source 6 .
Азотування пластин здійснювали без включення прискорювача іонів (джерело живлення 10 відключено). Час проведення процесу хіміко-термічної обробки - ЗОхв. Після обробки визначали мікротвердість азотованого шару в залежності від глибини. Графік цієї залежності зображений на фіг.З (крива 1). Практично цей процес за своєю фізичною сутністю близький до процесу, відбувається у пристрої, обраному як прототип.Nitriding of the plates was carried out without turning on the ion accelerator (power source 10 was turned off). The time of the chemical and thermal treatment process - ЗОхв. After processing, the microhardness of the nitrided layer was determined depending on the depth. The graph of this dependence is shown in Fig. 3 (curve 1). Practically, this process in its physical essence is close to the process that takes place in the device chosen as a prototype.
Приклад 2. Підтримували всі ті ж параметри, що й у прикладі 1, але після досягнення робочої температури (5007) включали прискорювач іонів робочого газу. За допомогою джерела живлення 10 підтримували розряд між катодом 4 та анодом 9 при напрузі 1008 на джерелі 10 та силі струму З0А. Час проведення процесу хіміко-термічної обробки - ЗОхв.Example 2. All the same parameters as in example 1 were maintained, but after reaching the operating temperature (5007), the accelerator of working gas ions was included. With the help of the power source 10, the discharge between the cathode 4 and the anode 9 was maintained at a voltage of 1008 at the source 10 and a current of З0A. The time of the chemical and thermal treatment process - ЗОхв.
Після обробки визначали мікротвердість азотованого шару в залежності від глибини. Графік цієї залежності зображений на фіг.З (крива 2).After processing, the microhardness of the nitrided layer was determined depending on the depth. The graph of this dependence is shown in Fig. 3 (curve 2).
Як випливає із графіка, використання прискорювача іонів газу веде до збільшення товщини азотованого шару приблизно на 4095 при однаковому часі проведення процесу (ЗОхв.)As can be seen from the graph, the use of a gas ion accelerator leads to an increase in the thickness of the nitrided layer by approximately 4095 at the same time of the process (ZОхв.)
Таким чином, пропонований пристрій вакуумно-плазмової обробки виробів дозволяє у порівнянні із пристроєм, який обраний як прототип, одночасно ефективно прогрівати вироби прискореними електронами та активізувати газове середовище прискореними іонами, що свідчить про підвищення ефективності хіміко-термічної обробки.Thus, in comparison with the device chosen as a prototype, the proposed device for vacuum-plasma treatment of products allows to simultaneously effectively heat the products with accelerated electrons and activate the gas environment with accelerated ions, which indicates an increase in the efficiency of chemical-thermal treatment.
1 21 2
Їй й ц ЗShe and ts Z
ДІ ! 10 ! т 8 9 т ! Фіг. 1 вчDI! 10! t 8 9 t ! Fig. 1 h
Аж Ян о чу / у. З " | | сен 7 Я їз ї хо ДОНУ си ( Ого» ан г : Ше у. т й їЕ шиEven Yang o chu / y. Z " | | sen 7 Ya iz i ho DONU sy ( Ogo» an g : She u. t y iE shi
Фіг. 2 чернь ненеFig. 2 black nene
Я е- ие не нн и пн хв НН НИ пи МИ я МА ше пиши - ЗВИНАН Щ Е !I ee- ee no nn i mn min NN NI pi WE I MA she write - I'M STILL GUILTY!
З 4200 СТУ НКИ миши стр гі 4486 мент й - чиї чи пня т--я ше ше і 4860. Ян рення -- ш- ши шк шиFrom 4200 STU NKY mice str gi 4486 ment y - whose chi pnya t--ya she she and 4860. Yan rennya -- ш- ши шк ши
В вда --- - - - 5. стек в поннннсткн В й вини нен нин ння чад дня 8 10 Їй З 40 ще що то оIn vda --- - - - 5. stack in ponnnnstkn V y vini nen nin nia chad of the day 8 10 Her With 40 something else about
Глибина, мкмDepth, μm
Фіг. ЗFig. WITH
Claims (1)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
UA2002053764A UA53365C2 (en) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles |
RU2003111421/02A RU2312932C2 (en) | 2002-05-07 | 2003-04-22 | Device for vacuum plasma treatment of articles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
UA2002053764A UA53365C2 (en) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
UA53365C2 true UA53365C2 (en) | 2006-02-15 |
Family
ID=37455258
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
UA2002053764A UA53365C2 (en) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2312932C2 (en) |
UA (1) | UA53365C2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2479861C2 (en) * | 2010-07-19 | 2013-04-20 | Юрий Александрович Чивель | Device for monitoring and controlling thermal spraying process |
RU2676720C1 (en) * | 2018-03-28 | 2019-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Method of vacuum ion-plasma low-temperature deposition of noncrystalline coating from aluminum oxide |
-
2002
- 2002-05-07 UA UA2002053764A patent/UA53365C2/en unknown
-
2003
- 2003-04-22 RU RU2003111421/02A patent/RU2312932C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2312932C2 (en) | 2007-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
US6806651B1 (en) | High-density plasma source | |
US9136086B2 (en) | Closed drift magnetic field ion source apparatus containing self-cleaning anode and a process for substrate modification therewith | |
US20170029937A1 (en) | Method of coating high aspect ratio features | |
Gavrilov et al. | New broad beam gas ion source for industrial application | |
EP1554412B1 (en) | Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus | |
US4873445A (en) | Source of ions of the triode type with a single high frequency exitation ionization chamber and magnetic confinement of the multipole type | |
US7750575B2 (en) | High density plasma source | |
US20060066248A1 (en) | Apparatus for generating high current electrical discharges | |
AU2006349512B2 (en) | Method and apparatus for manufacturing cleaned substrates or clean substrates which are further processed | |
US20170178869A1 (en) | Hollow cathode ion source | |
JP4859523B2 (en) | Plasma source, film forming apparatus and film manufacturing method | |
UA53365C2 (en) | A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles | |
RU2752334C1 (en) | Gas-discharge sputtering apparatus based on planar magnetron with ion source | |
RU2450083C2 (en) | Plant for vacuum ion-plasma treatment of long components | |
US10573499B2 (en) | Method of extracting and accelerating ions | |
Borisov et al. | Effective processes for arc-plasma treatment in large vacuum chambers of technological facilities | |
US20070119375A1 (en) | Dual large area plasma processing system | |
RU2063472C1 (en) | Method and apparatus for plasma treatment of pieces | |
RU2116707C1 (en) | Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma | |
Zimmermann et al. | Gas Discharge Electron Sources–Powerful Tools for Thin-Film Technologies | |
JP2003213411A (en) | Film forming device using plasma | |
UA25285U (en) | Plant for vacuum-plasma treatment of articles |