устройство вакуумно-плазменной обработки изделий

Формула изобретения

Устройство вакуумно-плазменной обработки изделий, содержащее рабочую камеру с анодом, сообщающуюся с ней, по крайней мере, через одно отверстие камеру с катодом, источник питания постоянного тока, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной камерой с дополнительным анодом, соединенным с дополнительным источником постоянного тока, и сообщающейся с рабочей камерой, по крайней мере, через одно отверстие, при этом анод является держателем изделий, а катод выполнен в виде катода вакуумно-дугового разряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке материалов и может быть использовано преимущественно при проведении процесса химико-термической обработки. Целесообразно использовать изобретение для комплексной поверхностной обработки, включающей химико-термическую обработку поверхности изделия с последующим нанесением на нее упрочняющего покрытия.

Проведение процесса химико-термической обработки методами вакуумно-плазменной технологии включает два необходимых фактора: нагрев изделия и создание газовой плазмы, способствующей активизации процесса.

Известны устройство и способ вакуумно-плазменной обработки изделий в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (Патент США №5503725, МПК С23С 14/34, 1996) [1]. Устройство содержит рабочую камеру с размещенными в ней катодом и анодом, в качестве которого использован держатель изделия. Между ними установлен оптически непрозрачный экран, проницаемый для электронов плазмы. Устройство снабжено источником питания постоянного тока. При осуществлении способа изделие, находящееся в газовой плазме и являющееся анодом разряда, подвергается электронной бомбардировке. Экран (чаще всего применяется шеврон или жалюзи) препятствует попаданию на изделие металлической плазмы, генерируемой катодом вакуумно-дугового разряда (ввиду конденсации на нем ионов металла, распространяющихся по прямолинейным траекториям). Электроны газовой плазмы прогревают изделие до рабочей температуры и одновременно активизируют газовую среду. В результате этого в процессе химико-термической обработки исключается нежелательное травление поверхности изделия.

К недостатку этого устройства следует отнести то, что при больших размерах обрабатываемого изделия, а следовательно, больших значениях разрядного тока, трудно обеспечить однородность электронного потока по всей поверхности изделия, поскольку на движение электронов оказывает влияние магнитное поле, создаваемое разрядным током. Поэтому изделие прогревается неравномерно. Это обуславливает низкую эффективность химико-термической обработки изделий.

Известно устройство, которое выбрано в качестве прототипа и может быть использовано для вакуумно-плазменной обработки изделий (A.Anders and M.Kiihn Characterization of a low-energy constricted-plasma source." Rev. Sci. Instrum. 69 (1998), 1340-1343) [2]. Устройство представляет собой источник газоразрядной плазмы и содержит рабочую камеру с размещенным в ней анодом и сообщающуюся с ней, по крайней мере, через одно отверстие в виде сопла камеру с установленным в ней катодом. Устройство содержит также источник питания постоянного тока, подключенный своими полюсами к катоду и аноду. Такой плазменный источник получил название сжатого плазменного источника (CPS). Катод в нем имеет полость с каналом для подачи рабочего газа. При обработке рабочий газ через него подается в камеру. Откачка источника CPS производится со стороны рабочей камеры. В результате этого между камерой и рабочей камерой образуется перепад давлений, величина которого определяется газовой проводимостью отверстия, количеством подаваемого газа и быстротой откачки насоса. Рабочий газ из камеры попадает в рабочую камеру в виде сверхзвуковой струи. При подаче напряжения на электроды источника в полости катода возникает тлеющий разряд. Параметры давления рабочего газа в полости подбираются из условия стабильного существования тлеющего разряда. В области отверстия в плазме образуется двойной электрический слой, в котором падение напряжения может достигать 30 В. Электроны с такой энергией способны ионизировать струю газа, вытекающего из сопла. Средняя энергия газовых ионов, образуемых источником, составляет ˜ 5 эВ (определяется энергией молекул газа, ускоренных газодинамически и проходящих через сопло). Плазменные источники CPS нашли применение при получении пленочных покрытий из арсенида галлия и окисных пленок на стекле и пластмассах. Типичные электрические параметры для CPS: напряжение между катодом и анодом 300...500 В, разрядный ток 10...200 мА, полный ионный ток насыщения от 0.1 до 1 мА. Изменяя геометрию сопла, скорость откачки и газовый поток, можно изменять в широком диапазоне давление в рабочей камере от 10^-3 до 100 Па.

Источник с такими параметрами не может обеспечить эффективную химико-термическую обработку материалов в больших рабочих объемах, так как величина разрядного тока и, соответственно, мощность источника невелики. Кроме того, невелика и энергия газовых ионов, что не способствует диссоциации газовых молекул. По этим причинам не обеспечивается необходимый прогрев изделий и активизация газовой среды.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства вакуумно-плазменной обработки изделий, которое по сравнению с устройством, выбранным в качестве прототипа, позволило бы повысить эффективность химико-термической обработки изделий.

Поставленная задача решается в устройстве вакуумно-плазменной обработки изделий, содержащем рабочую камеру с анодом, сообщающуюся с ней по крайней мере, через одно отверстие камеру с катодом, источник питания постоянного тока. В соответствии с изобретением устройство снабжено дополнительной камерой с дополнительным анодом, соединенным с дополнительным источником постоянного тока, и сообщающейся с рабочей камерой, по крайней мере, через одно отверстие. В качестве анода использован держатель изделий, а катод выполнен в виде катода вакуумно-дугового разряда.

При включении источника постоянного тока между катодом и анодом (держателем с изделиями) возбуждается дуговой разряд. Отличием катода вакуумно-дугового разряда от катода тлеющего разряда является то, что он, независимо от площади катода, может обеспечить практически любой по величине разрядный ток (величина последнего определяется только теплофизическими свойствами материала катода, условиями его охлаждения и параметрами источника питания). Кроме того, катодное падение потенциала в дуговом разряде в десятки раз меньше, чем в тлеющем, что позволяет эффективней использовать источник питания. Отверстие, соединяющее рабочую камеру с камерой с катодом, способствует увеличению падения напряжения в зоне отверстия, что ведет к увеличению скорости электронов в плазме дугового разряда и, как следствие, к увеличению мощности прогрева обрабатываемого изделия.

При включении дополнительного источника постоянного тока между плазмой вакуумно-дугового разряда рабочей камеры и дополнительным анодом возбуждается дополнительный вакуумно-дуговой разряд. Ионы плазмы, благодаря отверстию между дополнительной и рабочей камерами, ускоряются в сторону держателя с изделиями. Это обеспечивает более эффективную, чем электроны, диссоциацию молекул рабочего газа. Увеличение числа атомов рабочего газа ускоряет процесс образования химических соединений упомянутых атомов с металлом изделия, а также способствует активной диффузии их вглубь металла. Эти обстоятельства обуславливают повышение эффективности химико-термической обработки.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для одновременной обработки изделий электронами и ионами газовой плазмы. На фиг.2 приведена схема улучшенного варианта устройства. На фиг.3 приведен экспериментальный график зависимости микротвердости от глубины азотированного слоя, полученный для режущих пластин, изготовленных из стали Р6М5, для двух режимов работы: при обработке только электронами (кривая 1); при обработке электронами и ионами (кривая 2).

Устройство содержит рабочую камеру 1, в которой установлен держатель 2 изделий, являющийся анодом. С рабочей камерой 1 соединена камера 3, в которой расположен катод 4 вакуумно-дугового разряда. Рабочая камера 1 соединяется с камерой 3 через отверстие 5 небольшого диаметра. Катод 4 и анод 2 (держатель изделий) подключены к источнику 6 постоянного тока. Дополнительная камера 7 сообщена с рабочей камерой 1 через отверстие 8. В дополнительной камере 7 расположен дополнительный анод 9, соединенный с дополнительным источником 10 постоянного тока. Устройство может быть снабжено вторым дополнительным источником 11 постоянного тока (фиг.2), включенным между катодом 4 (отрицательный полюс) и камерой 3.

Работу устройства рассмотрим на примере химико-термической обработки (азотирования).

Камеры 1, 3 и 7 высоковакуумными насосами (не показаны) откачиваются до низкого давления (например, до 1,3·10 ^-3 Па), а затем в них с помощью системы подачи рабочего газа (не показана) производится напуск рабочего газа до давления 0,1...1 Па. При включении источника 6 постоянного тока между катодом 4 и держателем 2 с установленным на него изделием возбуждается дуговой разряд. Плазма вакуумно-дугового разряда отверстием 5 разбивается на две области, существующие в рабочей камере 1 и камере 3. Эмиссия электронов, производящих ионизацию газа в рабочей камере 1, происходит с поверхности плазмы в небольшом отверстии 5 (несколько миллиметров). Благодаря этому отверстию в его зоне создается падение напряжения, что ведет к увеличению скорости электронов. В остальной части полости рабочей камеры 1, не примыкающей к отверстию 5, падение напряжения незначительное (как правило, напряженность электрического поля не более 0,5 В/см). Поэтому практически, все напряжение источника питания 6 приложено в зоне отверстия 5 и определяет энергию ускоренных электронов. При силе тока разряда 100...150 А и напряжении источника питания 150...300 В мощность прогрева может достигать нескольких десятков киловатт, что позволяет прогревать относительно большие массы изделий за короткое время.

Для проведения процесса химико-термической обработки (например, азотирования) чрезвычайно важно, чтобы нагретую поверхность обрабатываемого изделия окружала газовая атмосфера, обогащенная частицами атомарного азота, способного проникать внутрь кристаллической решетки азотируемого материала, образуя твердый раствор азота в материале. Наличие атомарного азота ускоряет образование химических соединений азота с металлом и способствует диффузии азота вглубь поверхности материала. При столкновении электронов с молекулой азота диссоциация последней незначительна из-за небольшой массы электрона. Эффективную диссоциацию молекул газа могут обеспечить только ускоренные тяжелые частицы (ионы газа). Для осуществления эффективного процесса диссоциации молекул газа на атомарные частицы в предлагаемом устройстве служит ускоритель ионов газа, который образован замкнутой полостью дополнительной камеры 7, дополнительным анодом 9, рабочей камерой 1 и отверстием 8 между рабочей камерой 1 и камерой 3. При включении источника питания 10 дополнительный анод 9 имеет положительный потенциал относительно анода 2, а следовательно, и относительно плазмы, заполняющей рабочую камеру 1. Поэтому между плазмой и анодом 9 возбуждается вакуумно-дуговой разряд. Плазма этого разряда пережата отверстием 8 и поэтому в зоне отверстия 8 возникает падение напряжения. Величина падения напряжения на ускоряющем промежутке может быть на уровне десятков и сотен вольт (определяется диаметром отверстия, давлением в рабочем объеме, величиной плотности тока в отверстии). Напряженность электрического поля в зоне отверстия 8 направлена таким образом, что ионы газа ускоряются в направлении изделия, установленного на держателе 2. Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионы с высокой вероятностью производят их диссоциацию, что активизирует процесс химико-термической обработки.

Таким образом, благодаря отверстию 5 производится эффективный нагрев изделия ускоренным электронным потоком, а благодаря отверстию 8 осуществляется обработка изделий атомами газа, значительно интенсифицирующими процесс химико-термической обработки.

При работе устройства вакуумно-плазменной обработки изделий ток вакуумно-дугового разряда между катодом 4 и анодом 2 не может быть ниже, чем минимальный ток (I_мин) стабильного существования дугового разряда на катоде 4. Величина этого тока зависит от материала катода и конструкции катодного узла (как правило, этот ток составляет несколько десятков ампер). Если поддержание температуры изделия происходит при значении тока меньшем, чем I_мин, то приходится отключать разряд, что уменьшает эффективность процесса. Чтобы исключить такую ситуацию, в устройстве предусмотрен источник 11 (фиг.2) постоянного тока, который соединен с катодом 4 (отрицательным полюсом) и камерой 3. Таким образом, вспомогательным анодом для катода 4 являются внутренние стенки камеры 3. При такой конструктивной схеме устройства значение минимального тока стабильного горения дугового разряда обеспечивается не током между катодом 4 и анодом 2, ответственным за прогрев изделия, а током между катодом 4 и внутренними стенками камеры 3, поддерживаемым с помощью источника питания 11. Обеспечение температуры изделия на заданном уровне происходит регулированием напряжения источника питания 6. В остальном работа устройства, изображенного на фиг.2, аналогична работе устройства, изображенного на фиг.1.

Пример 1. В камере 3 устанавливали титановый катод 4 (диаметром 100 мм). Рабочая камера 1 сообщалась с камерой 3 через 5 отверстий диаметром 10 мм, а рабочая камера 1 сообщалась с дополнительной камерой 7 через 5 отверстий диаметром 8 мм. Источник 11 постоянного тока имел напряжение 40 В и мощность 6 кВт. Регулируемые источники питания 6 и 10 имели напряжение 220 В и мощность 10 кВт. Пластины из инструментальной стали Р6М5 размером 8×20×20 мм устанавливали на массивном цилиндре (общей массой ˜ 8 кг) диаметром 250 мм и высотой 250 мм. Цилиндр располагался на держателе 2 изделий. Вращение цилиндра осуществляли со скоростью 30 об/мин. Температуру измеряли с помощью оптического пирометра. В камеру подавали смесь аргона с азотом. Рабочее давление поддерживали на уровне 5×10^-3 мм рт. ст. (при парциальном давлении аргона 1,4×10^-3 мм рт. ст.). Прогрев изделия до температуры 500°С производили с включенным источником питания 11 при токе разряда между катодом 4 и анодом 2 (цилиндром) 30 А и напряжении 200 В. Время прогрева составляло ˜ 8 мин. После достижения изделием рабочей температуры уменьшали ток в цепи изделия с помощью регулируемого источника питания 6. Азотирование пластин производилось без включения ускорителя ионов (источник питания 10 отключен). Время проведения процесса химико-термической обработки - 30 мин. После обработки определяли микротвердость азотированного слоя в зависимости от глубины. График этой зависимости изображен на фиг.3 (кривая 1). Практически этот процесс по своим физической сущности близок к процессу, производимому в устройстве-прототипе. Конечно, энергетические параметры этого процесса значительно более высокие, чем в устройстве прототипа (что следует из приведенных мощностных характеристик), поскольку реализуют вакуумно-дуговой разряд.

Пример 2. Поддерживали все те же параметры, что и в примере 1, но при этом после достижения рабочей температуры (500°С) включали ускоритель ионов рабочего газа. С помощью источника питания 10 поддерживали разряд между катодом 4 и анодом 9 при напряжении на источнике 10 питания 100 В и силе тока 30 А. Время проведения процесса химико-термической обработки - 30 мин. После обработки определяли микротвердость азотированного слоя в зависимости от глубины. График этой зависимости изображен на фиг.3 (кривая 2).

Как следует из графика, применение ускорителя ионов газа приводит к увеличению толщины азотированного слоя приблизительно на 40% за то же время проведения процесса (30 мин).

Таким образом, предлагаемое устройство вакуумно-плазменной обработки изделий позволяет по сравнению с устройством, выбранным в качестве прототипа, одновременно эффективно прогревать изделия ускоренными электронами и активизировать газовую среду ускоренными ионами, что свидетельствует о повышении эффективности химико-термической обработки.