Установка для комплексної обробки поверхні виробів у вакуумі

Установка для комплексної обробки поверхні виробів у вакуумі, яка містить робочу камеру з ізо C2 1 3 79773 струму, важко забезпечити однорідність електронного потоку по всій поверхні виробу. Це пов'язано з тим, що низькоенергетичні електрони знаходяться під впливом магнітного поля, створюваного розрядним струмом, і їхній розподіл у розрядному проміжку стає неоднорідним. Тому виріб прогрівається нерівномірно, що обумовлює низьку якість хіміко-термічної обробки. Відома установка для обробки поверхні виробів у вакуумі, обрана як прототип [патент України №53365А, С23С8/06, 2003] [2]. Установка містить робочу камеру, у якій ізольований тримач виробів є анодом. Робочу камеру з'єднано через отвори з емісійною камерою, у якій установлений електрод, що витрачається, (катод) вакуумно-дугового розряду. Анод і зазначений електрод підключені до основного джерела постійного струму. До робочої камери прикріплена додаткова емісійна камера, що сполучена з робочою камерою через отвір. У додатковій емісійній камері розташований електрод, що не витрачається, виконуючу функцію анода і підключений до додаткового джерела постійного струму. При включенні основного джерела постійного струму між катодом і анодом (тримачем із виробами) збуджується дуговий розряд. Катод вакуумнодугового розряду, може забезпечити практично любий за величиною розрядний струм. Отвори, що з'єднують робочу камеру з емісійною камерою, у якій установлений катод, сприяють збільшенню спадання напруги і є зоною стиску дуго вого розряду. У цій зоні збільшується швидкість електронів у позитивному стовпі дугового розряду, що веде до збільшення потужності прогріву оброблюваного виробу й підвищення рівномірності прогріву виробу. При включенні додаткового джерела постійного струму між газовим вакуумно-дуговим розрядом робочої камери й анодом додаткової емісійної камери збуджується додатковий вакуумно-дуговий розряд. Іони цього розряду, завдяки отворам між другою емісійною й робочою камерами, прискорюються убік тримача з виробами. Це забезпечує більш ефективну, ніж електронним ударом, дисоціацію молекул робочого газу, що супроводжується збільшенням концентрації нейтральних атомів робочого газу, активно взаємодіючих із поверхнею виробу. Ці обставини обумовлюють підвищення ефективності хіміко-термічної обробки. Недоліком установки є обмеженість технологічних операцій, які можна проводити за її допомогою. Зокрема, в установці [2] неможливо здійснювати очищення поверхні виробів, а також наносити функціональні покриття на поверхню виробів, що пройшли попередньо хіміко-термічну обробку. В основу винаходу поставлена задача - створити таку установку для комплексної обробки поверхні виробів у вакуумі, яка у порівнянні з установкою, обраною як прототип, мала більші функціональні можливості. Поставлена задача вирішується в установці для комплексної обробки поверхні виробів у вакуумі, що містить робочу камеру з ізольованим тримачем виробів, емісійну камеру, з електродом, що витрачається, яка має стінку з отворами, спільну з 4 робочою камерою, основне джерело живлення, позитивний полюс якого підключений до корпусів камер, а негативний полюс може бути підключений до електрода, що витрачається, додаткове джерело живлення, позитивний полюс якого може бути підключений до тримача виробу, а негативний полюс його може бути підключений до корпусів камер. Згідно з винаходом у робочій камері установлено додатковий електрод, що витрачається, з матеріалу покриття, повернений поверхнею випару до тримача виробів і може бути підключений до негативного полюса основного джерела живлення, а позитивний полюс додаткового джерела живлення може бути підключений до електрода, що витрачається, і до додаткового електрода, що витрачається. Наявність в емісійній камері стінки з отворами, спільної з робочою камерою, дає можливість направляти потік прискорених частинок (електронів або іонів, в залежності від виду технологічної операції, що проводять) до оброблюваного виробу. Наявність додаткового електрода, що витрачається, з матеріалу покриття, можливість підключення його до негативного полюса основного джерела живлення, а також приєднання позитивного полюса основного джерела живлення до корпусів камер, а електрода, що витрачається, до позитивного полюса додаткового джерела живлення свідчить про розширення технологічних можливостей установки. Так, при з'єднанні негативного полюса основного джерела живлення з електродом, що витрачають, а позитивного полюса додаткового джерела живлення - із тримачем виробу, потік прискорених електронів спрямовано до виробу, яке, в залежності від складу робочої атмосфери, нагрівається або піддається хіміко-термічній обробці. При з'єднанні негативного полюса основного джерела живлення з електродом, що витрачається, а позитивного полюса додаткового джерела живлення - із додатковим електродом, що витрачається, поверхня виробу заряджається негативно потоком прискорених електронів та відбувається прискорення іонів газової плазми у напрямку до поверхні виробу, внаслідок чого вона очищується. При з'єднанні негативного полюса основного джерела живлення з додатковим електродом, що витрачається, а позитивного полюса додаткового джерела живлення -з електродом, що витрачається, відбувається нанесення на поверхню виробу функціонального покриття з одночасним бомбардуванням її прискореними газовими іонами. Таким чином, за допомогою пропонованої установки можна здійснювати нагрівання виробу, підготовку його поверхні і хіміко-термічну обробку з наступним нанесенням функціонального покриття, що обумовлює її широкі функціональні можливості. На кресленні наведена конструктивна схема установки, що заявляється. Установка містить робочу камеру 1 з додатковим електродом 2, що витрачається, емісійну камеру 3 з електродом 4, що витрачається. Робоча 1 і емісійна 3 камери мають спільну стінку з отворами 5. Установка має основне джерело живлення 6, 5 79773 позитивний полюс якого підключений до корпусів камер 1 і 3, а негативний полюс має можливість підключення через двохполюсний перемикач 7 до електроду 4, що витрачається, або до додаткового електрода 2, що витрачається. Установка має також додаткове джерело живлення 8, негативний полюс якого підключений до корпусів камер 1 і 3, а позитивний має можливість підключення за допомогою трьохполюсного перемикача 9 до тримача 10 виробів, електроду 4 або додаткового електрода 2. Роботу установки можна розглянути на прикладі комплексної обробки поверхні інструмента зі швидкорізальної сталі для підвищення його зносостійкості. Комплексна обробка складається з таких технологічних операцій: - нагрівання оброблюваного інструмента до робочої температури; - іонного очищення поверхні інструмента; - хімікотермічної обробка поверхні інструмента (наприклад, азотування); - нанесення зміцнювального покриття з нітриду титана на поверхню з одночасною обробкою поверхні прискореними іонами азоту (іонне асистування). Нагрівання інструмента роблять так. Після відкачки камер 1 і 3 і напуску в ни х робочого газу до парціального тиску ~ 10-1 - 1Па (для нагрівання виробів доцільно використовувати інертний газ, наприклад, аргон) включають основне джерело живлення 6, до негативного полюса якого через перемикач 7 підключений електрод 4. Між електродом 4 (катод) і стінкою емісійної камери 3 (анод) збуджується вакуумно-дуговий розряд у парах матеріалу катода. Після цього включають додаткове джерело живлення 8, до позитивного полюса якого через перемикач 9 підключений тримач 10 виробу. Між позитивним стовпом вакуумнодугового розряду в емісійній камері 3 і виробом 11 (інструментом) виникає різниця потенціалів. Під впливом цієї різниці потенціалів електрони плазми проникають крізь отвори 5 у робочу камеру 1, іонізуючи робочий газ у зоні розрядного проміжку. Спільною стінкою з отворами 5 газовий вакуумнодуговий розряд розбивається на дві області, що існують в емісійній камері 3 і в робочій камері 1. Емісія електронів, що роблять іонізацію газу в робочій камері 1, відбувається з поверхні плазми в отворах 5 невеликого перетину. Стиск поперечного перерізу плазмових потоків у зоні отворів 5 приводить до збільшення спадання напруги в цій зоні і, як наслідок, до прискорення електронів. Тому, практично, уся напруга від основного джерела живлення 6 прикладена до зони отвору 5 і визначає енергію прискорених електронів, достатню для нагрівання інструмента 11 великої маси за короткий час. Іонне очищення поверхні інструмента від забруднення (органічні забруднення, окісні й ін. плівки на поверхні металу) здійснюють так. Електрод 4 через перемикач 7 підключають у... до негативного полюса джерела живлення 6, а додатковий електрод 2 через перемикач 9 підключають до позитивного полюса додаткового джерела 8. У цьому випадку вакуумно-дуговий розряд збуджується в зоні розрядного проміжку робочої камери 1. Так само як при нагріванні, прискорені в зоні отворів 5 елек 6 трони, бомбардують інструмент 11. Прискорені електрони заряджають інструмент 11 до негативного потенціалу. ...г. Оскільки потенціал плазми в емісійній камері 3 близький до потенціалу електрода 2, то виріб 11 виявляється зарядженим негативно щодо плазми. Під впливом цього потенціалу іони робочого газу прискорюються із зони розрядного проміжку і бомбардують поверхню інструмента 11, очищуючи його поверхню від забруднень. Оскільки при іонному очищенні потенціал від джерела живлення безпосередньо до виробу не підводиться, очищення застосовується не тільки для електропровідних виробів, але й для непровідних (стекло, кераміка й ін.). Для нанесення покриття з нітриду ти тана додатковий електрод, що витрачається, 2 виготовляють з титана. Для нанесення покриття перемикач 7 встановлюють у положення, коли він з'єднує основне джерело живлення 6 з додатковим електродом 2, а перемикач 9-у положення, коли він з'єднує джерело живлення 8 і електрод 4. У зоні отворів 5 значно зростає напруженість електричного поля, у результаті чого відбувається прискорення заряджених часток електричної плазми електронів і газових іонів. При цьому потік іонів спрямовано убік катода вакуумно-дугового розряду (інстр умента). Відбувається нанесення покриття з одночасним бомбардуванням поверхні інструмента 11 прискореними іонами робочого газу (азоту) - іонне асистування. Приклад. У робочій камері 1 встановлюють електрод, що витрачається, 2 (катод) з титана з розмірами: 700х120х30. Спільна для камер 1 і 3 стінка має 30 отворів. В емісійній камері 3 встановлюють електрод, що витрачається, 4 з нержавіючої сталі 10Х18Н10Т діаметром 200мм і товщиною 30мм. Основне джерело живлення 6 має напругу холостого ходу 60 В, потужність 10кВт. Додаткове джерело живлення 8 має напругу 220 В, потужність 25кВт. У тримачі 10 установлюють вироби 11:- циліндр із нержавіючої сталі 10Х18Н10Т діаметром 500мм, висотою 700мм і пластинки зі сталі Р6М5 розміром 20х20х5. Нагрівання циліндра 11 до температури 500°С роблять із включеними джерелами живлення 6 (негативний полюс підключено до електрода 4) і 8 (позитивний полюс підключено до тримача 10). Стиснутий вакуумно-дуговий розряд здійснюється між катодом, що витрачається, 4 і циліндром 11. Максимальний струм розряду 110 А, енергія електронів, обумовлена напругою джерела живлення 11 - 220 еВ. Парціальний тиск аргону в процесі прогріву 0,1 Па. Час розігріву циліндра від кімнатної температури до 500°С складає ~ 0,5 години. Іонне очищення роблять із включеними джерелами живлення 6 (негативний полюс підключено до електрода 4) і 8 (позитивний полюс підключено до додаткового електрода 2). Очищення ведуть при наступних параметрах: стр ум стиснутого вакуумно-дугового розряду - 80 А, іонний струм на циліндр 19 А, парціальний тиск аргону 0,15 Па, час проведення процесу 15 хв., напруга на електродах стиснутого вакуумно-дугового розряду 220 В. У результаті проведення процесу іонного очищення 7 79773 розпорошується ~ 1мкм поверхневого шару матеріалу. Після здійснення іонного очищення йде процес азотування. Азотування пластинок зі сталі Р6М5 розміром 20х20х5 здійснюють у суміші азоту й аргону при парціальному тиску аргону 0,15Па й азоту - 0,25Па. Азотування проводять при температурі 500°С на протязі 30 хвилин. Схема включення перемикачів 7 і 9 і параметри стиснутого вакуумнодугового розряду такі ж як і при проведенні процесу іонного очищення. Заключним етапом комплексної поверхневої обробки є нанесення зносостійкого покриття з нітриду титана з одночасним бомбардуванням поверхні конденсації прискореними до 220 е іонами азоту. Цю операцію здійснюють із включеними джерелами живлення 6 (негативний полюс підключено до електрода 2) і 8 (позитивний полюс підключено до додаткового електрода 4). Параметри проведення процесу: струм дугового розряду Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 300А, струм стиснутого вакуумно-дугового розряду - 80А; парціальний тиск азоту при проведенні процесу - 0,3Па, час проведення процесу - 90 хвилин. В результаті проведення комплексної обробки на поверхні пластин зі сталі Р6М5 утворюється азотований шар товщиною - 20мкм із мікроміцністю 12,5ГПа та зносостійке покриття з нітриду титана товщиною ~ 5мкм. Покриття при подряпанні алмазною пірамідкою не відшаровується. Таким чином, пропонована установка для комплексної обробки поверхні виробів у вакуумі має, у порівнянні з установкою, обраної як прототип, більші функціональні можливості - дозволяє здійснювати в єдиному технологічному циклі нагрівання оброблюваного виробу до робочої температури, іонне очищення поверхні виробу, хіміко-термічну обробку поверхні інструмента, нанесення функціонального покриття на поверхню з одночасною обробкою поверхні прискореними іонами азоту. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601