устройство для обработки в разряде в условиях низкого давления

Формула изобретения

1. Устройство для обработки в разряде в условиях низкого давления, содержащее вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным с корпусом камеры, отличающееся тем, что оно снабжено вертикально размещенным по середине подложки электропроводящим стержнем с заостренной вершиной для перераспределения плотности тока разряда между деталью и подложкой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень имеет возможность вертикального перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротермическому машиностроению, в частности к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде.

Это изобретение может найти широкое применение в машиностроении, автостроении, химической промышленности.

Известно устройство для обработки в разряде [1] включающее вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом и закрепленной на ней оснасткой для загрузки деталей.

Недостатком устройства является большая вероятность дугообразования, низкое быстродействие при гашении микродуг и как следствие повреждение поверхности обрабатываемых деталей.

Наиболее близким к данному устройству является устройство для катодно-плазменного азотирования изделий [2] включающее вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом для размещения деталей и дополнительный горячий электрод.

Недостатком устройства являются большая вероятность дугообразования, низкое быстродействие при гашении микродуг и как следствие повреждение поверхности обрабатываемых изделий.

Задачей изобретения является снижение вероятности образования микродуг и уменьшение повреждения поверхности деталей от их воздействия.

В устройстве, содержащем вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом для размещения деталей и дополнительный горячий электрод, решение задачи достигается тем, что посередине подложки располагается токопроводящий стержень с заостренной вершиной.

Процесс обработки изделий в разряде, как правило, состоит из двух стадий. Вначале осуществляется очистка поверхности (катодное распыление) и далее непосредственно решается поставленная задача: осуществляется химико-термическая обработка в разряде, осаждается покрытие или же решается задача распыления обрабатываемой в разряде поверхности. Как известно, в местах загрязнений работа выхода электронов с поверхности существенно ниже, что и приводит к лавинообразному процессу, так если бы образованию микродуги на поверхности обрабатываемой детали. В результате воздействия микродуги происходит выгорание загрязнения того или иного рода и образованию микрократера. Во время образования микродуг значительно возрастает ток разряда в камере, что и позволяет создать различные электронные дугогасящие устройства, которые, однако, не обладают достаточным быстродействием и поэтому лишь уменьшают повреждение поверхности детали при воздействии микродуг. С другой стороны, если не уничтожить (выжечь) локальные загрязнения на поверхности, то в процессе дальнейшего осаждения покрытия в этих местах будет наблюдаться неудовлетворительная адгезия покрытия. Таким образом необходимо ограничить ток горения микродуги настолько, чтобы результатом ее воздействия было выгорание загрязнений при контролируемом повреждении поверхности. Совершенно очевидно, что это приведет к увеличению длительности первой стадии процесса обработки в разряде, но позволит сохранить обрабатываемую поверхность.

Ограничение тока горения микродуги может быть достигнуто путем перераспределения плотности ионного потока между поверхностью обрабатываемых деталей и подложкой за счет создания градиента напряженности электрического поля. Пусть I_р ток разряда в вакуумной камере во время горения микродуги. Тогда имеет место равенство

I_р I_п + I_д, (1)

где I_п ток через поверхность подложки; I_д ток через поверхность деталей. Откуда следует, что

I_д I_р I_п (2)

Таким образом, как следует из уравнения (2), при фиксированном значении тока разряда в вакуумной камере (I_р) ограничить ток горения микродуги на поверхности обрабатываемой детали (I_д) можно за счет увеличения тока через поверхность подложки (I_п). Увеличение площади подложки приведет лишь к увеличению тока разряда в вакуумной камере (что энергетически невыгодно), а не к перераспределению тока разряда между деталью и подложкой. Если же посередине подложки расположить токопроводящий стержень с заостренной вершиной, то напряженность поля в районе заостренной вершины стержня будет заметно выше, что и приведет к перераспределению плотности тока разряда между подложкой и деталью.

Выражение (2) может быть представлено в виде

I_д I_р U/R, (3)

где U разность потенциалов между подложкой и корпусом вакуумной камеры; R сопротивление соответствующего разрядного промежутка. С другой стороны R JL/S, где J удельное сопротивление разрядного промежутка; L - расстояние между вершиной заостренного стержня и корпусом вакуумной камеры; S площадь эффективного поперечного сечения электропроводящего стержня с заостренной вершиной. Таким образом, выражение (3) примет вид

I_д I_р US/(JL) (4)

Из (4) следует, что при прочих равных параметрах ток разряда, проходящий через детали (I_д), может регулироваться за счет изменения расстояния между вершиной электропроводящего стержня с заостренной вершиной и корпусом вакуумной камеры, а также за счет изменения эффективной площади сечения стержня с заостренной вершиной (S). Заостренная вершина стержня является более предпочтительной по сравнению с плоской, так как позволяет существенно сократить длину стержня вследствие более высокой напряженности поля вблизи острия стержня.

На чертеже показана схема устройства для обработки в разряде в условиях низкого давления.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, термоэмиссионный электрод 2, электропроводящий стержень 3 с заостренной вершиной, подложку 4 для размещения деталей 5, посередине которой вертикально размещен стержень 3, имеющий возможность вертикального перемещения, регулируемые выпрямитель 6 и источник 7 переменного тока, соединенные с корпусом камеры и термоэмиссионным электродом, и регулируемый выпрямитель 8, соединенный со стержнем 3 и корпусом камеры.

Устройство работает следующим образом. На первой стадии процесса обработки в разряде /катодное распыление/ электропроводящий стержень с заостренной вершиной выдвигается вверх, что приводит согласно формуле /4/ к понижению вероятности дугообразования. Горение несамостоятельного разряда в вакуумной камере, откаченной до давления 0,13-13,3 Па, обеспечивается за счет источника электронов термоэмиссионного электрода, разогретого до соответствующей температуры посредством пропускания через нить накала переменного тока от регулируемого источника переменного тока. Подача отрицательного смещения на термоэмиссионный электрод 2 от регулируемого выпрямителя 6 зажигает ионизирующий разряд между термоэмиссионным электродом и корпусом камеры 1. Как следствие горения ионизирующего разряда возникают одновременно существующие два разряда: между термоэмиссионным электродом и подложкой 4 с расположенными на ней деталями 5 и электропроводящим стержнем 3 с заостренной вершиной, а также между подложкой и корпусом камеры, в которых и осуществляется обработка. Если же микродуга все же возникает на поверхности детали, то в силу перераспределения плотности тока между подложкой и деталями повреждения от ее воздействия будут менее значительны. В принципе можно настолько выдвинуть стержень вершиной вверх, что в силу малой плотности тока возникновение микродуг на поверхности деталей станет невозможным. Однако, как отмечалось выше, выгорание различного рода загрязнений на поверхности деталей является необходимым процессом, а потому требуется лишь ограничить ток микродуг для предотвращения оплавления поверхности деталей в виде микрократеров. В связи с вышеизложенным по мере повышения чистоты поверхности обработанных деталей длину выдвинутого стержня следует уменьшить. Диапазон изменения длины стержня и площадь его сечения зависят от размеров деталей, подложки и ряда других факторов, а потому подбираются экспериментально.

На второй стадии обработки в разряде /химико-термическая обработка, осаждение покрытий, распыление поверхности/ вероятность образования микродуг значительно меньше, а потому электропроводящий стержень с заостренной вершиной целесообразно опустить для интенсификации обработки деталей. Однако, следует отметить, что при осаждении покрытий их адгезия зависит от скорости конденсации, которая может регулироваться /в определенном диапазоне/ за счет изменения длины выдвинутого стержня, а также за счет изменения температуры разогрева термоэмиссионного электрода.

Использование данного устройства по сравнению с известными позволяет понизить вероятность образования микродуг на поверхности обрабатываемых в разряде деталей, уменьшить повреждения поверхности деталей вследствие воздействия микродуг.