UA53365C2 - A mechanism for the vacuum-plasma treatment of articles - Google Patents

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.

Проведення процесу хіміко-термічної обробки методами вакуумно-плазмової технологи включає два необхідних фактори: нагрівання виробу та створення газової плазми, яка сприяє активізації процесу.

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.

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.

Відомий пристрій, який обрано як прототип, може бути використаний для вакуумно-плазмової обробки виробів (А.

Апаегз апа М. Кіїнп Спагасієгігайоп ої а Іом-епегду сопвігпісієа-ріазта 5о0-игсе," Веум. сі. Іпвігит. 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.

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.

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.

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.

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.

При вмиканні джерела постійного струму між катодом та анодом (тримачем із виробами) збуджується дуговий розряд.

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.

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.

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).

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.

Роботу пристрою розглянемо на прикладі хіміко-термічної обробки (азотування).

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.

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.

Зіштовхуючись із нейтральними молекулами газу, іони з високою ймовірністю дисоціюють їх, що веде до активізації процесу хіміко-термічної обробки.

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.

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).

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.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.

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.

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.

Після обробки визначали мікротвердість азотованого шару в залежності від глибини. Графік цієї залежності зображений на фіг.З (крива 2).

Як випливає із графіка, використання прискорювача іонів газу веде до збільшення товщини азотованого шару приблизно на 4095 при однаковому часі проведення процесу (ЗОхв.)

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.

1 2

Їй й ц З

ДІ ! 10 ! т 8 9 т ! Фіг. 1 вч

Аж Ян о чу / у. З " | | сен 7 Я їз ї хо ДОНУ си ( Ого» ан г : Ше у. т й їЕ ши

Фіг. 2 чернь нене

Я е- ие не нн и пн хв НН НИ пи МИ я МА ше пиши - ЗВИНАН Щ Е !

З 4200 СТУ НКИ миши стр гі 4486 мент й - чиї чи пня т--я ше ше і 4860. Ян рення -- 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 о

Глибина, мкм

Фіг. З

Claims (1)

1. Пристрій вакуумно-плазмової обробки виробів, який містить робочу камеру з анодом, сполучені з нею принаймні крізь один отвір, камеру з катодом, джерело живлення постійного струму, який відрізняється тим, що він має додаткову камеру з додатковим анодом, з'єднаним із додатковим джерелом постійного струму, яка сполучена з робочою камерою принаймні крізь один отвір, як анод вибраний тримач виробів, а катод виконаний у вигляді катода вакуумно-дугового розряду.