Способ нагрева электропроводящих изделий в рабочей камере

 

Использование: в ионно-плазменной технологии, для нагрева массивных изделий перед их химико-термической обработкой. Сущность изобретения: способ нагрева электропроводящих изделий включает заполнение рабочей камеры водородной и/или гелиевой плазмой и обработку поверхности изделий ускоренными ионами из плазмы посредством подачи на изделия отрицательного потенциала. При этом рабочую камеру заполняют плазмой электрического газового разряда, а потенциал подают отрицательным относительно различных элементов. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии и может быть использовано для нагрева массивных изделий до рабочей температуры перед их химико-термической обработкой, а также перед их ионной очисткой и последующим нанесением покрытий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ нагрева электропроводящих изделий в рабочей вакуумной камере, включающий заполнение рабочей камеры с расположенными внутри нее изделиями металлической плазмой вакуумно-дугового разряда и подачу на изделия отрицательного потенциала, превышающего критическую величину, при котором скорость распыления бомбардирующими поверхность изделий ионами металла превышает скорость конденсации металла на поверхности [1]. Он позволяет одновременно очищать поверхность изделий от загрязнений и нагревать изделия до рабочей температуры перед нанесением упрочняющих покрытий. При обработке массивных изделий доза облучения ионами, необходимая для их нагрева, в десятки раз превышает дозу облучения, необходимую для очистки. В результате происходит растравливание поверхности и снижение класса чистоты обработки поверхности изделий, а в случае нагрева режущего инструмента - затупление его режущих кромок. Растравливание поверхности и затупление кромок обусловлены высокими коэффициентами распыления ионами металла и ионами используемых в технологических процессах тяжелых газов (азот, кислород, аргон и другие) и являются недостатком способа.

Целью изобретения является исключение растравливания поверхности изделий и затупления острых режущих кромок при ионно-плазменном нагреве изделий.

Достигается это тем, что в способе нагрева электропроводящих изделий в рабочей камере, включающем заполнение рабочей камеры с расположенными внутри нее изделиями плазмой и обработку поверхности изделий ускоренными ионами из плазмы посредством подачи на них отрицательного потенциала, рабочую камеру заполняют водородный и/или гелиевой плазмой.

Целесообразно заполнять рабочую камеру водородной и/или гелиевой плазмой одного из типов электрического газового разряда.

Если рабочая камера выполнена из электропроводящего материала, то отрицательный потенциал на изделия можно подавать относительно рабочей камеры.

Подавать отрицательный потенциал на изделия, расположенные внутри диэлектрической рабочей камеры, возможно относительно введенного в плазму вспомогательного электрода.

При заполнении рабочей камеры водородной и/или гелиевой плазмой электродного электрического газового разряда, целесообразно отрицательный потенциал на изделия подавать относительно одного из электродов газового разряда.

При заполнении рабочей камеры с расположенными внутри нее изделиями водородной и/или гелиевой плазмой, и при подаче на изделия отрицательного потенциала поверхность изделий бомбардируется ионами водорода и/или гелия. Из-за малой массы ионов водорода и гелия коэффициенты распыления ими различных материалов прекращают возрастать с энергией ионов уже при энергиях в сотни эВ. Их максимальные коэффициенты распыления в десятки раз меньше коэффициентов распыления ионами металлов и ионами любых других газов при энергиях около 1 кэВ, соответствующих обычным потенциалам на изделиях при ионно-плазменном нагреве. Поэтому при нагреве изделий ионами водорода и/или гелия до необходимой температуры количество распыленного материала не превышает необходимый для ионной очистки величины. В случае необходимости после нагрева массивных изделий предлагаемым способом их поверхность может быть дополнительно очищена любым известным способом, например, в результате обработки источником пучка ионов или быстрых нейтральных молекул, или в результате заполнения рабочей камеры металлической или, например, аргоновой плазмой и подачи на изделие отрицательного потенциала. При заполнении рабочей камеры водородной и/или гелиевой плазмой возможно также увеличить скорость нагрева изделий путем повышения потенциала, соответственно, и энергии ионов, так как это не приводит к росту интенсивности распыления. Последнюю можно снизить, уменьшая концентрацию плазмы (например, снижая ток генерирующего плазму электрического газового разряда) и повышая одновременно энергию ионов.

Способ осуществляется следующим образом. Внутри рабочей камеры на оснастке устанавливают изделия, камеру герметизируют, откачивают до давления около 10^-3 Па и заполняют водородной и/или гелиевой плазмой. Если для этого используется электрический газовый разряд, например, двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, то предварительно камеру заполняют водородом и/или гелием до рабочего давления 0,1-10 Па, между катодом и анодом прикладывают напряжение источника питания и с помощью поджигающего устройства инициируют газовый разряд. Далее на изделия подают отрицательный потенциал, например, относительно рабочей камеры и греют изделия бомбардировкой ионами водорода и/или гелия до необходимой температуры.

Приведем пример конкретной реализации способа для нагрева 35-ти цилиндрических фрез диаметром 9 см и высотой 9 см из стали Р6М5 до температуры 500^оС с последующими очисткой ионами аргона и нанесением упрочняющего покрытия из нитрида титана. Использовалась установка ННВ-6.6., один из электродуговых испарителей, который снабжен проницаемой для электронов и непроницаемой для ионов металла перегородкой между катодом и камерой. Камера заполнялась гелием при давлении 0,5 Па, зажигался разряд и на изделия подавался отрицательный потенциал 1500 В по отношению к камере. При токе дуги 150 А время нагрева фрезы до 500^оС в гелиевой плазме составило 50 мин. Далее гелий заменяли на аргон и очищали поверхность ионами аргона в течение 5 мин. Затем наносили покрытие из нитрида титана толщиной 5 мкм при токе дуги 100 А, опорном напряжении -150 В и давлении азота 0,3 Па.

Для сравнения наносили покрытие на вторую партию из 35-ти таких же фрез, при этом предварительно производили очистку и нагрев по известному способу, т.е. ионами титана при давлении 5˙10^-3 Па, напряжении 1,2 кВ, токе дуги ВОА.

Затем производили стойкостные испытания фрез с двумя различными вариантами нагрева и очистки. Испытания показали, что стойкость инструмента, обработанного по предлагаемому способу, увеличилась в 1,3-1,5 раз. При этом при обработке по известному способу радиус скругления режущей кромки уменьшился на 3-4 мкм, а при обработке по предлагаемому способу не изменился.

По сравнению с известным предлагаемый способ позволяет сохранить исходный класс чистоты обработки поверхности нагреваемых изделий, избежать затупления режущих кромок инструмента, а также повысить интенсивность нагрева изделий при ограниченных концентрации плазмы и соответственно токе ионов в цепи изделий.

Формула изобретения

1. СПОСОБ НАГРЕВА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ, включающий заполнение рабочей камеры с расположенными внутри нее изделиями плазмой и обработку поверхности изделий ускоренными ионами из плазмы посредством подачи на них отрицательного потенциала, отличающийся тем, что рабочую камеру заполняют водородной и/или гелиевой плазмой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую камеру заполняют водородной и/или гелиевой плазмой электрического газового разряда.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что отрицательный потенциал на изделия подают относительно рабочей камеры.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что отрицательный потенциал на изделия подают относительно введенного в плазму вспомогательного электрода.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что отрицательный потенциал на изделия подают относительно одного из электродов газового разряда.