Способ ионной обработки поверхности изделий и устройство для его осуществления

 

Способ ионной обработки поверхности изделий и устройство для его осуществления относятся к технологии упрочнения и модифицирования поверхности изделий. Способ заключается в том, что обрабатываемое изделие помещают на держателе в вакуумную камеру, которую заполняют рабочим газом при давлении от 0,02 до 500 Па. К обрабатываемому изделию через высоковольтный ввод прикладывают отрицательное импульсное напряжение в диапазоне от 5 до 100 кВ. В камере также установлен электродный узел перед обрабатываемым участком изделия. К электродному узлу подводят напряжение отрицательное через высоковольтный ввод, меньшее напряжения, подаваемого на изделие. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к технологии упрочнения и модификации поверхности изделий, а именно к способу ионной обработки поверхности изделий и устройству для его осуществления и может быть использовано при обработке рабочих поверхностей деталей машин, режущего инструмента, химических реакторов и других изделий, где требуются детали повышенной износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости.

Известен способ обработки ионами поверхности (Патент США N 4764394, B 05 D 3/06, 88), при котором размещают изделия в вакуумной камере, из которой откачивают воздух. Затем наполняют камеру рабочим газом и проводят его ионизацию. На обрабатываемое изделие подают отрицательное высоковольтное импульсное напряжение относительно заземленных стенок камеры. Величина напряжения должна быть достаточна для имплантации ионов рабочего газа в поверхность обрабатываемого изделия.

Описанный способ позволяет получать направленные потоки положительно заряженных ионов к изделию, на которое подают отрицательный потенциал, что повышает качество обработки поверхности деталей.

Кинетическая энергия ионов при этом достаточна для имплантации в поверхностный слой обрабатываемого изделия. В результате такой обработки получают поверхности с высокими эксплуатационными свойствами, а именно высокой прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью. Однако такой способ не позволяет получить высокое качество обработки для развитых поверхностей и деталей сложной конфигурации, а также внутренних и сквозных полостей. При обработке поверхности детали по вышеописанному способу вокруг детали образуется электрический слой, из которого ионы ускоряются к обрабатываемой поверхности. Но в течение одного импульса толщина электрического слоя увеличивается и импульс прекращается при достижении электрическим слоем стенок камеры. Это ограничивает длительность прикладываемого импульса, что приводит к уменьшению производительности способа, неравномерности обработки изделия и снижению качества обработки.

Вышеописанный способ может быть осуществлен с помощью устройства для обработки поверхности изделия ионами (патент США N 4764394). Это устройство представляет собой вакуумную камеру с системой напуска газов, имеющую высоковольтный ввод, соединенный с держателем для размещения обрабатываемых изделий. Также внутри вакуумной камеры размещено средство для ионизации газа. На поверхности вакуумной камеры установлены постоянные магниты, поле которых обеспечивает увеличение эффективности ионизации рабочего газа за счет удержания электронов плазмы внутри вблизи стенок вакуумной камеры, что обеспечивает необходимую для обработки концентрацию ионов.

Описанное устройство обладает теми же недостатками, что и вышеописанный способ. Также к недостаткам данного устройства можно отнести и невозможность осуществлять избирательную обработку поверхности изделия без экранирования необрабатываемых участков, то есть проводить модификацию поверхности только на части изделия.

В основу изобретения положена задача создания такой совокупности режимов способа ионной обработки поверхности изделий, при котором во время обработки вблизи изделия образуется квазистационарный электрический слой создающий ускоренное движение ионов по направлению к обрабатываемой поверхности изделия и устройство реализующее этот способ.

Задача решается тем, что в способе ионной обработки поверхности изделий, заключающемся в том, что помещают обрабатываемое изделие в вакуумную камеру, заполняют камеру рабочим газом и прикладывают к обрабатываемому изделию отрицательное импульсное напряжение для создания потока ионов, согласно изобретению, при заполнении создают давление газа в ней в диапазоне от около 0,02 до около 500,0 Па, а в процессе обработки прикладывают отрицательное импульсное напряжение в диапазоне от около 5 до около 100 кВ.

Предлагаемый способ позволяет получать у обрабатываемых деталей равномерно обработанную поверхность с высокими эксплуатационными характеристиками, так как заявленные пределы позволяют получить квазистационарный электрический слой. При давлении внутри камеры меньшем 0,02 Па во всем заявляемом диапазоне напряжений не происходит зажигания высоковольтного разряда и процесс обработки осуществлен быть не может. Верхняя рабочая граница давления составляет величину около 500 Па. При давлении свыше 500 Па происходит газовый пробой разрядного промежутка, в результате чего поверхность обрабатываемого изделия подвергается сильной эрозии.

Напряжение, прикладываемое к обрабатываемому изделию, менее 5 кВ не позволяет ускорить имплантируемые ионы до кинетической энергии достаточной для обработки. А напряжение свыше 100 кВ приводит к возникновению и развитию неустойчивостей в электрическом слое и переходу в дуговой разряд и в дальнейшем к эрозии обрабатываемой поверхности.

Кроме того, при напряжении свыше 100 кВ, усиливается эффект катодного распыления и вторичной электронной эмиссии с катода, что приводит к значительному снижению качества и эффективности обработки.

Целесообразно длительность прикладываемого отрицательного импульса устанавливать по меньшей мере 3 мкс. Это время является характерным для формирования квазистационарного электрического слоя вблизи обрабатываемого изделия. При более коротком импульсе квазистационарный электрический слой не успевает образоваться, поэтому имплантация ионов на обрабатываемой поверхности малоэффективна.

Для получения обрабатываемых поверхностей с различными характеристиками по износостойкости, коррозионостойкости импульсное напряжение прикладывают в виде прямоугольных импульсов и подают из последовательными группами, амплитуды которых различных между собой, и в последовательных группах импульсов вначале амплитуды увеличивают, а затем уменьшают.

Для получения поверхностей с однородными характеристиками и увеличению производительности целесообразно одновременно устанавливать на общем держателе в камере несколько обрабатываемых изделий, размещая их друг относительно друга на расстоянии не менее 5 мм.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для ионной обработки поверхности изделий, которое содержит вакуумную камеру, сообщенную с системой откачки и напуска газа, в которой установлен держатель изделия, имеющий средство приложения отрицательного напряжения к обрабатываемому изделию, согласно изобретению, оно снабжено системой регулирования плотности тока ионов на обрабатываемую поверхность, включающей в себя электродный узел, установленный внутри камеры, предназначенный для размещения перед обрабатываемым участком поверхности изделия и находящимся под отрицательным напряжением меньшим напряжения, прикладываемого к изделию.

Предлагаемое устройство обладает всеми преимуществами вышеописанного способа. С помощью системы регулирования плотности тока ионов в данном устройстве можно осуществлять имплантацию на выбранных участках поверхности изделия, например, упрочнять только рабочие поверхности режущего инструмента.

В зависимости от конфигурации обрабатываемого изделия и задачи обработки электродный узел системы формирования плотности тока ионов может быть выполнен в виде системы электрически соединенных электродов, которые в свою очередь могут выполняться в виде сетчатого элемента или в виде дискретных проводящих элементов: стержней, колец, пластины.

Электродный узел может быть установлен с возможностью регулирования его положения относительно держателя изделия для установки в заданное положение относительно участка обработки, то есть возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но неограничивающих настоящее изобретение, вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг.1 изображает схематично устройство с электродным узлом выполненным в виде сетки; фиг. 2 кривые Пашена для газов N₂, Ar, Xe; фиг.3 - устройство, электродный узел которого выполнен в виде дискретных стержней; фиг.4 устройство, электродный узел которого выполнен в виде дискретных колец; фиг.5 взаимное расположение электродного узла выполненного в виде пластины и обрабатываемого изделия; фиг.6 взаимное расположение электродного узла выполненного в виде стержня и изделия при обработке внутренних полостей; фиг.7 взаимное расположение нескольких одновременно обрабатываемых изделий на держателе.

Обратимся вначале к фиг.1 и рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства для ионной обработки поверхности изделий, из которого станет ясна и сущность предлагаемого способа.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, которая через патрубок 2 соединена с вакуумной системой откачки, а через патрубок 3 с системой напуска газа. Внутри камеры 1 установлен держатель 4 с обрабатываемым изделием 5. Держатель 4 соединен с блоком питания через высоковольтный ввод 6. Внутри камеры 1 между ее стенкой и обрабатываемым изделием 5 установлена система регулирования плотности тока ионов к обрабатываемой поверхности, включающая электродный узел выполненный например в виде сетки 7 с размером ячейки 20 мм, из вольфрамовой проволоки которая также соединена с блоком питания через высоковольтный ввод 8, через который на сетку 7 подается электрическое смещение.

При обработке изделий сложной конфигурации для достижения высокой степени равномерности обработки, а значит и высокого качества обработки необходимо, чтобы сетка повторяла рельеф обрабатываемого изделия. Это позволит сформировать заданную плотность тока ионов к участкам обрабатываемой поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Изделие 5, например стальной стержень высотой 30 мм и диаметром 50 мм устанавливают в вакуумную камеру 1 на держатель 4. Через патрубок 2 вакуумная камера откачивается до давления 10^-2 Па, и на изделие 5 через высоковольтный ввод 6 подается отрицательное относительно заземленных стенок камеры импульсное напряжение величиной 30 кВ с длительностью импульса 300 мкс и частотой следования импульсов 25 Гц. Рабочий газ азот напускают в камеру 1 через патрубок 3 от системы напуска до давления 0,7 Па, при котором зажигается разряд. Обработку проводят в течение 30 мин. За время высоковольтного импульса вокруг изделия возникает электрический слой, в котором ионы газа ускоряются к поверхности изделия 5. Ускоренные ионы имплантируются в поверхность изделия и изменяют ее физические свойства. Так, в вышеописанном примере, имплантированные ионы азота в поверхность обрабатываемого стержня 5 повышают его поверхностную твердость и износостойкость.

Работа устройства ионной обработки изделий основана на высоковольтном объемном разряде, возникающим на левой ветви кривой Пашена (фиг.2). Разряды, соответствующие левой ветви кривой Пашена характеризуются стационарной (не меняющейся по времени) структурной (Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток, Наука, Москва, 1971, с.328 332). Характерное значение параметра (pd) для напряжений прикладываемых к изделию, достаточное для имплантации (свыше 5 кВ) составляет около 0,5 Па·м для разных газов (Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда анодной плазмы, Энергоатомиздат, Москва, 1983, с.8 14). По условиям пробоя разрядного промежутка между стенкой камеры и обрабатываемым изделием связанного с явлениями автоэлектронной эмиссии, то есть при напряженностях электрического поля и изделия свыше 10⁶ B/м, минимальное расстояние между изделием и стенкой камеры при напряжениях свыше 5 кВ должно быть более 1 мм. Поэтому в соответствии с кривой Пашена верхняя рабочая граница давления составляет величину около 500 Па. При давлении свыше 500 Па и расстоянии свыше 1 мм происходит газовый пробой разрядного промежутка (правая ветвь кривой Пашена), в результате чего поверхность обрабатываемого изделия подвергается сильной эрозии.

Для напряжения зажигания разряда равного 100 кВ характерное значение параметра (pd) составляет около 0,01 Па·м (фиг.1) (Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда анодной плазмы, Энергоатомиздат, Москва, 1983, с. 8 14). Характерный размер разрядного промежутка, ограниченный размерами реальной вакуумной камеры составляет 0,5 м. Следовательно, нижний предел давления в соответствии с кривой Пашена составляет около 0,02 Па. При более низком давлении во всем диапазоне напряжений между стенкой камеры и изделием не происходит зажигания высоковольтного разряда.

Из вышеприведенного очевидно, что суть предлагаемого способа ионной обработки поверхности изделий заключается в том, что обрабатываемое изделие помещают в вакуумную камеру, заполняют последнюю рабочим газом до давления от 0,02 до 500 Па и создают поток ионов, путем приложения к обрабатываемому изделию отрицательного импульсного напряжения величиной от 5 до 100 кВ. Длительность прикладываемого импульса должна быть не менее 3 мкс.

Выше нами был рассмотрен пример обработки изделия простой конфигурации.

Для обработки изделий более сложной конфигурации вакуумную камеру 1 откачивают до давления 10^-2 Па и напускают рабочий газ, в качестве которого могут быть использованы аргон, азот с парами металлов, до давления от 0,1 до 500 Па. На высоковольтный ввод 6 подают отрицательное импульсное напряжение величиной от 10 до 100 кВ, длительностью импульсов от 10 до 100 мкс и частотой от 10 до 100 Гц. Выполняя электродный узел системы регулирования плотности тока ионов как показано на фиг.3, 4 можно добиваться высокого качества обработки изделий самых сложных конфигураций. На последующих фигурах одинаковые с фиг.1 элементы обозначены теми же ссылочными позициями. Например, на фиг. 3 показан электродный узел, выполненный из стержней 9, которые электрически соединены и имеют при работе одинаковый потенциал. Такой электродный узел может быть использован для обработки удлиненных изделий.

На фиг. 4 показан электродный узел, выполненный из электрически соединенных колец 10. Такой электродный узел можно использовать для обработки гофрированных поверхностей.

В тех случаях, когда требуется обработать только определенную часть поверхности изделия 5, то электродный узел выполняют в виде дискретного электрода-пластины 11 (фиг.5). Пластину 11 устанавливают со стороны участка изделия 5, который не подвергают обработке.

Большой интерес представляет собой вариант обработки внутренних полостей изделий. Например, необходимо обработать внутреннюю поверхность полого цилиндра 12 (фиг.6). Для этого дискретный электрод 13 помещают в центр полости цилиндра 12. Разряд возбуждается в полости цилиндра 12, при этом с внешней стороны цилиндра могут быть также установлены электроды (на чертеже не показаны). Это зависит от необходимости обработки наружной поверхности цилиндра 12. Для установки электрода 13 в обрабатываемую полость электрод установлен с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Для перемещения электрода 13 может быть использован любой механизм, например телескопический или реечный привод, соединенный через редуктор с электродвигателем (на чертеже механизм перемещения не показан).

В предлагаемом устройстве на держателе 4 может быть размещено несколько изделий. В этом случае очень важно, чтобы расстояние между обрабатываемыми изделиями было не менее 5 мм. Рассмотрим это на примере. Например, для обработки на держателе 4 установлены три плоские фрезы 14 укрепленные на одном стержне 15 (фиг. 7). Для проведения качественной обработки фрез 14 необходимо, чтобы сформированные вокруг них электрические слои не перекрывали друг друга, в противном случае это приведет к искажению электрических слоев и на фрезах останутся не обработанные участки.

Рассмотрим обработку профильной затылованной фрезы из высокохромистой стали. Изделие устанавливают в вакуумной камере и производят ее откачку до давления 2·10^-3 Па. Затем напускают рабочий газ азот до давления 0,25 Па. Обрабатывают фрезу высоковольтными импульсами прямоугольной формы с напряжением 10 кВ, длительностью 450 мкс с частотой следования 25 Гц в течение 30 мин. Затем напряжение повышают до 40 кВ, длительность импульсов устанавливают 300 мкс, с частотой следования 50 Гц; фрезу обрабатывают в течение 20 мин. Далее напряжение повышают до 80 кВ, длительность импульсов уменьшают до 100 мкс; изделие обрабатывают в течение 10 мин при частоте следования импульсов 10 Гц. После окончания обработки изделие выдерживают в камере 2 5 мин и извлекают из камеры.

Рассмотрим другой пример, пример обработки плоского конструкционного элемента, выполненного из монокристаллического кремния высокой частоты. Изделие устанавливают в вакуумной камере и производят ее откачку до давления около 10^-3 Па. Напускают рабочий газ азот до давления 0,2 0,3 Па.

Деталь обрабатывают высоковольтными прямоугольными импульсами частотой 100 Гц, с амплитудой последовательно 10, 20 и 30 кВ с длительностью 75 мкс и временем обработки соответственно 5, 3 и 2 мин. Затем амплитуду импульсов устанавливают 40 кВ и обрабатывают в течение 40 мин. Начальная длительность высоковольтных импульсов 250 мкс. По мере роста температуры изделия осуществляют регулирование температуры уменьшением длительности импульсов вплоть до 50 мкс. После окончания обработки изделие выдерживают в атмосфере азота в камере в течение 5 10 мин и вынимают из камеры. Использование импульсного режима работы устройства ионной обработки предпочтительно с точки зрения сочетания производительности, имеющей практическую значимость и умеренных тепловых нагрузок на обрабатываемое изделие меняя длительность и скважность поступлений высоковольтных импульсов возможно оперативно регулировать тепловой поток, поступающий на изделие.

Нами были описаны предпочтительные варианты выполнения предлагаемого изобретения, в которые само собой разумеется могут быть внесены изменения не выходящие однако за пределы изобретения. Так, например, электродные стержни и кольца системы регулирования могут располагаться в произвольном порядке относительно детали. Их расположение влияет на эффективность имплантации в поверхность обрабатываемого изделия, поэтому задавая различные расстояния между электродами и деталью, можно проводить избирательную обработку поверхности. 2

Формула изобретения

1. Способ ионной обработки поверхности изделий, включающий размещение обрабатываемого изделия в вакуумной камере, заполнение камеры рабочим газом и приложение к обрабатываемому изделию отрицательного импульсного напряжения для создания потока ионов, отличающийся тем, что при заполнении камеры создают давление газа 0,02-500 Па, а к обрабатываемому изделию прикладывают отрицательное импульсное напряжение 5-100 кВ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слительность прикладываемого отрицательного импульсного напряжения составляет по меньшей мере 3 мксек.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное напряжение прикладывают в виде прямоугольных импульсов и подают их последовательными группами, амплитуды которых различны между собой.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в последовательных группах импульсов сначала их амплитуды увеличивают, а затем уменьшают.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в камере на общем держателе одновременно устанавливают несколько обрабатываемых изделий с расстоянием друг относительно друга не менее 5 мм.

6. Устройство для ионной обработки поверхности изделий, содержащее вакуумную камеру, сообщенную с системой откачки и напуска газа, в которой установлен держатель изделия, имеющий средство приложения отрицательного напряжения к обрабатываемому изделию, отличающееся тем, что оно снабжено системой регулирования плотности тока ионов на обрабатываемую поверхность, содержащей электродный узел, размещенный внутри камеры перед поверхностью изделия и находящийся под отрицательным напряжением, меньшим относительно напряжения, прикладываемого к изделию.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электродный узел представляет собой множество электродов, электрически связанных между собой и находящихся под одинаковым потенциалом.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электродный узел образован стержнями или кольцами.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электродный узел выполнен в виде сетчатого элемента.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электродный узел выполнен в виде пластины.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электродный узел установлен с возможностью регулирования его положения относительно участка обработки изделия.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что для обработки внутренней поверхности трубчатых изделий электродный узел установлен с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7