Установка для комплексной обработки поверхности изделий в вакууме

Изобретение относится к вакуумно-дуговым устройствам и может быть использовано преимущественно при проведении процесса комплексной поверхностной обработки изделий, включающей химико-термическую обработку поверхности изделия с последующим нанесением на нее функционального покрытия. Установка содержит рабочую камеру с изолированным держателем изделий, эмиссионную камеру с расходуемым электродом, имеющую стенку с отверстиями, общую с рабочей камерой. Положительный полюс основного источника питания (ОИП) соединен с корпусом камер, а отрицательный полюс выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду. Положительный полюс дополнительного источника питания (ДИП) выполнен с возможностью подключения к держателю изделия, а отрицательный его полюс выполнен с возможностью подключения к корпусу камер. В рабочей камере установлен дополнительный расходуемый электрод из материала покрытия, обращенный поверхностью испарения в сторону держателя изделий и выполненный с возможностью подключения к отрицательному полюсу ОИП. Положительный полюс ДИП выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду и к дополнительному расходуемому электроду. Установка позволяет проводить очистку покрываемой поверхности катодным распылением и химико-термическую обработку с последующим нанесением функционального покрытия. 1 ил.

 

Изобретение относится к вакуумно-дуговым устройствам и может быть использовано преимущественно при проведении процесса комплексной поверхностной обработки изделий, включающей химико-термическую обработку поверхности изделия с последующим нанесением на нее функционального покрытия.

Известна установка для комплексной обработки поверхности изделий (патент США №5503725, МПК C23C 14/34, 1996) [1]. Установка содержит рабочую камеру с размещенными в ней изолированным держателем изделий и расходуемым электродом. Установка содержит также источник питания вакуумно-дугового разряда, положительный полюс которого соединен с держателем изделия, а отрицательный - с расходуемым электродом. Расходуемый электрод (в данном случае катод) выполнен с возможностью поворота на 180°. Эта конструктивная особенность катода позволяет эксплуатировать установку в двух режимах: для химико-термической обработки изделия и последующего нанесения функционального покрытия на обработанную поверхность. Первый режим работы реализуется при повороте катода рабочей поверхностью в противоположную сторону от изделия. При этом на поверхность изделия не попадает металл, испаряющийся с поверхности катода. Изделие оказывается погруженным в плазму рабочего газа (например, азота, подаваемого в вакуумную камеру через систему напуска рабочего газа при парциальном давлении 0,1...1 Па). В процессе химико-термической обработки изделие находится в положительном столбе дугового разряда и является анодом. При этом оно подвергается бомбардировке электронами, которые генерируются катодом вакуумно-дугового разряда. Электроны прогревают изделие до рабочей температуры и одновременно активизируют газовую среду. После проведения процесса химико-термической обработки катод вновь поворачивается на 180° и на поверхность изделия наносится покрытие.

К недостатку этой установки следует отнести то, что она пригодна для обработки только мелкоразмерных изделий. С увеличением размера обрабатываемого изделия, а следовательно, и с увеличением величины разрядного тока трудно обеспечить однородность электронного потока по всей поверхности изделия. Это связано с тем, что низкоэнергетические электроны находятся под воздействием магнитного поля, создаваемого разрядным током, протекающим по изделиям, и их распределение в разрядном промежутке становится неоднородным. Поэтому изделие прогревается неравномерно, что обуславливает низкое качество химико-термической обработки.

Известна установка для обработки поверхности изделий, выбранная в качестве прототипа (патент Украины №53365А, С23С 8/06, 2003) [2]. Установка содержит рабочую камеру, в которой изолированный держатель изделий является анодом. Рабочая камера соединена через отверстия с эмиссионной камерой, в которой установлен расходуемый электрод (катод) вакуумно-дугового разряда. Анод и указанный электрод подключены к основному источнику постоянного тока. К рабочей камере прикреплена дополнительная эмиссионная камера, сообщающаяся с рабочей камерой через отверстие. В дополнительной эмиссионной камере расположен нерасходуемый электрод, выполняющий функцию анода и подключенный к дополнительному источнику постоянного тока.

При включении основного источника постоянного тока между катодом и анодом (держателем с изделиями) возбуждается дуговой разряд. Катод вакуумно-дугового разряда может обеспечить практически любой по величине разрядный ток. Отверстия, соединяющие рабочую камеру с эмиссионной камерой, в которой установлен катод, способствуют увеличению падения напряжения и являются зоной сжатия дугового разряда. В этой зоне из-за увеличения падения напряжения увеличивается скорость электронов в положительном столбе дугового разряда, что ведет к увеличению мощности прогрева обрабатываемого изделия и повышению равномерности прогрева изделия.

При включении дополнительного источника постоянного тока между газовым вакуумно-дуговым разрядом рабочей камеры и анодом второй эмиссионной камеры возбуждается дополнительный вакуумно-дуговой разряд. Ионы этого разряда благодаря отверстиям между второй эмиссионной и рабочей камерами ускоряются в сторону держателя с изделиями. Это обеспечивает эффективную диссоциацию молекул рабочего газа, т.е. увеличивает концентрацию нейтральных атомов рабочего газа, активно взаимодействующих с поверхностью изделия. Эти обстоятельства обуславливают повышение эффективности химико-термической обработки.

Недостатком установки является ограниченность технологических операций, которые можно проводить с помощью нее. В частности, в установке [2] невозможно осуществлять очистку поверхности изделий, а также наносить функциональные покрытия на поверхность изделий, прошедших предварительно химико-термическую обработку.

В основу изобретения поставлена задача - создать такую установку для комплексной обработки поверхности изделий, которая по сравнению с установкой, выбранной в качестве прототипа, обладала большими функциональными возможностями.

Поставленная задача решается в установке для комплексной обработки поверхности изделий в вакууме, содержащей рабочую камеру с изолированным держателем изделий, эмиссионную камеру с расходуемым электродом, имеющую стенку с отверстиями, общую с рабочей камерой, основной источник питания, положительный полюс которого соединен с корпусом камер, а отрицательный полюс выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду, дополнительный источник питания, положительный полюс которого выполнен с возможностью подключения к держателю изделия, а отрицательный полюс его выполнен с возможностью подключения к корпусу камер. В соответствии с изобретением в рабочей камере установлен дополнительный расходуемый электрод из материала покрытия, обращенный поверхностью испарения в сторону держателя изделий и выполненный с возможностью подключения к отрицательному полюсу основного источника питания, а положительный полюс дополнительного источника питания выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду и к дополнительному расходуемому электроду.

Наличие в эмиссионной камере стенки с отверстиями, общей с рабочей камерой, дает возможность направлять поток ускоренных частиц (электронов или ионов в зависимости от вида проводимой технологической операции) в сторону обрабатываемого изделия.

Наличие дополнительного расходуемого электрода из материала покрытия, возможность подключения его к отрицательному полюсу основного источника питания, а также подсоединения общей стенки к положительному полюсу основного источника питания, а расходуемого электрода к положительному полюсу дополнительного источника питания позволяет наносить покрытие из вакуумно-дугового разряда с дополнительной бомбардировкой газовыми ионами, что свидетельствует о расширении технологических возможностей установки.

Расходуемый электрод, расположенный в эмиссионной камере, выполнен с возможностью подключения к отрицательному полюсу основного источника питания или к положительному полюсу дополнительного источника питания. Он может быть использован в качестве катода или анода вакуумно-дугового разряда (в зависимости от вида проводимой технологической операции). Если расходуемый электрод является катодом, а обрабатываемое изделие - анодом, то изделие подвергается бомбардировке электронами и за счет этого нагревается или подвергается химико-термической обработке в зависимости от состава рабочего газа. Если расходуемый электрод является анодом, то в сторону обрабатываемого изделия направлен поток ускоренных ионов рабочего газа, производящих катодное распыление поверхности обрабатываемого изделия (ионную очистку поверхности).

Благодаря тому что дополнительный электрод может быть подключен к положительному полюсу дополнительного источника питания (анодом является дополнительный электрод), изделие бомбардируется ускоренными электронами, вследствие чего поверхность изделия заряжается отрицательно, причем величина отрицательного (плавающего) потенциала прямо пропорциональна энергии ускоренных электронов. Отрицательно заряженная поверхность притягивает к себе положительные ионы газа, которые производят ее очистку путем катодного распыления. При этом не имеет значения, является ли эта поверхность проводником или диэлектриком.

При соединении отрицательного полюса основного источника питания с дополнительным расходуемым электродом, а положительного полюса дополнительного источника с основным расходуемым электродом происходит нанесение покрытия на поверхность изделия за счет испарения дополнительного электрода в дуговом разряде одновременно с бомбардировкой осаждаемого покрытия газовыми ионами, ускоренными в зоне отверстий.

Таким образом, с помощью предлагаемой установки можно осуществлять нагрев изделия, подготовку его поверхности и химико-термическую обработку с последующим нанесением функционального покрытия, сопровождаемым ионной бомбардировкой, что обуславливает ее широкие функциональные возможности.

На чертеже приведена конструктивная схема заявляемого устройства.

Установка содержит рабочую камеру 1 с дополнительным расходуемым электродом 2, эмиссионную камеру 3 с основным расходуемым электродом 4. Рабочая 1 и эмиссионная 3 камеры имеют общую стенку с отверстиями 5. Установка снабжена основным источником питания 6, положительный полюс которого соединен с корпусами камер 1 и 3, а отрицательный полюс имеет возможность подключения через двухполюсной переключатель 7 к основному расходуемому 4 или дополнительному расходуемому 2 электродам. Установка снабжена также дополнительным источником питания 8, отрицательный полюс которого соединен с корпусами камер 1 и 3, а положительный имеет возможность подключения через трехполюсной переключатель 9 к держателю 10 изделия, электроду 4 или дополнительному электроду 2. Держатель изделия может вращаться вокруг вертикальной оси.

Работу установки можно рассмотреть на примере комплексной обработки поверхности инструмента из быстрорежущей стали для повышения его износостойкости. Комплексная обработка состоит из следующих технологических операций:

- нагрев обрабатываемого инструмента до рабочей температуры;

- ионная очистка поверхности инструмента;

- химико-термическая обработка поверхности инструмента (например, азотирование);

- нанесение упрочняющего покрытия из нитрида титана на поверхность с одновременной обработкой поверхности ускоренными ионами азота (ионное ассистирование).

Нагрев инструмента производят так. После откачки камер 1 и 3 и напуска в них рабочего газа до парциального давления ˜10-1 - 1 Па (для нагрева изделий целесообразно использовать инертный газ, например, аргон) включают основной источник питания 6, к положительному полюсу которого через переключатель 7 подключен электрод 4. Между электродом 4 (катод) и стенкой эмиссионной камеры 3 (анод) возбуждается вакуумно-дуговой разряд в парах материала катода. После этого включают дополнительный источник питания 8, к отрицательному полюсу которого через переключатель 9 подключен держатель образца 10. Между положительным столбом вакуумно-дугового разряда в эмиссионной камере 3 и изделием 11 (инструментом) возникает разность потенциалов. Под воздействием этой разности потенциалов электроны плазмы проникают сквозь отверстия 5 в рабочую камеру 1, ионизируя рабочий газ в зоне разрядного промежутка. Общей стенкой с отверстиями 5 газовый вакуумно-дуговой разряд разбивается на две области, существующие в эмиссионной камере 3 и в рабочей камере 1. Эмиссия электронов, производящих ионизацию газа в рабочей камере 1, происходит с поверхности плазмы в отверстиях 5 небольшого сечения. Сжатие поперечного сечения плазменного потока в зоне отверстий 5 приводит к увеличению падения напряжения в этой зоне и, как следствие, к ускорению электронов. Поэтому практически все напряжение от основного источника питания 6 приложено к зоне отверстия 5 и определяет энергию ускоренных электронов, достаточную для нагрева изделия 11 большой массы за короткое время.

Ионную очистку поверхности инструмента от загрязнения (органические загрязнения, окисные и др. пленки на поверхности металла) осуществляют так. Электрод 4 через переключатель 7 соединяют с отрицательным полюсом источника питания 6, а дополнительный электрод 2 через переключатель 9 подключают к положительному полюсу дополнительного источника 8. В этом случае вакуумно-дуговой разряд возбуждается в зоне разрядного промежутка рабочей камеры 1. Так же как при нагреве, ускоренные в зоне отверстий 5 электроны бомбардируют изделие 11 (инструмент). Ускоренные электроны заряжают изделие 11 до отрицательного потенциала, определяемого их энергией. Поскольку потенциал плазмы в эмиссионной камере 3 близок к потенциалу электрода 2, то изделие 11 оказывается заряженным отрицательно относительно плазмы. Под воздействием этого потенциала ионы рабочего газа ускоряются из зоны разрядного промежутка и бомбардируют поверхность изделия 11, очищая его поверхность от загрязнений.

Поскольку при ионной очистке потенциал от источника питания непосредственно к изделию не подводится, очистка применима не только для электропроводящих изделий, но и непроводящих (стекло, керамика и др.).

Для нанесения покрытия из нитрида титана дополнительный расходуемый электрод 2 изготавливают из титана. Для нанесения покрытия переключатель 7 устанавливают в положение, когда он соединяет основной источник питания 6 с дополнительным электродом 2, а переключатель 9 - в положение, когда он соединяет источник питания 8 и электрод 4. Зажигается дуговой разряд между электродом 2 и корпусом камеры 1, от электрода 2 (катода) испускаются потоки металлической плазмы, которые осаждаются на изделии, образуя покрытие. Одновременно в камеру напускают рабочий газ (азот, аргон, их смеси и др.). В зоне отверстий 5 значительно возрастает напряженность электрического поля, в результате чего происходит ускорение заряженных частиц электрической плазмы - электронов и газовых ионов. При этом поток ионов направлен в сторону катода вакуумно-дугового разряда (изделия). Происходит нанесение покрытия с одновременной бомбардировкой поверхности изделия 11 ускоренными ионами рабочего газа (азота) - ионное ассистирование.

Пример. В рабочей камере 1 устанавливают расходуемый электрод 2 (катод) из титана с размерами: 700×120×30. Общая для камер 1 и 3 стенка имеет 30 отверстий. В эмиссионной камере 3 устанавливают расходуемый электрод 4 из нержавеющей стали 10Х18 H10Т диаметром 200 мм и толщиною 30 мм. Основной источник питания 6 имеет напряжение холостого хода 60 В, мощность 10 кВт. Дополнительный источник питания 8 имеет напряжение 220 В, мощность 25 кВт. В держателе 10 устанавливают изделия 11: цилиндр из нержавеющей стали 10Х18 H10Т диаметром 500 мм, высотой 700 мм и размещенными на нем пластинками из стали Р6М5 размером 20×20×5.

Нагрев цилиндра 11 до температуры 500°С производят с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 4) и 8 (положительный полюс подключен к держателю 10). Зажигается дуговой разряд между электродом 4 и корпусом камеры 3. Напускают аргон, при этом образуется газометаллическая плазма. Сжатый вакуумно-дуговой разряд осуществляется между расходуемым катодом 4 и цилиндром 11. Максимальный ток разряда 110 А, энергия электронов, определяемая напряжением источника питания, 11-220 эВ. Парциальное давление аргона в процессе прогрева - 0,3 Па. Скорость вращения цилиндра 12 об/мин. Время разогрева цилиндра от комнатной температуры до 500°С составляет ˜0,5 час.

Ионную очистку производят с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 4) и 8 (положительный полюс подключен к дополнительному электроду 2). Зажигают дуговой разряд между электродом 4 и корпусом камеры 3, напускают аргон. Очистку ведут при следующих параметрах: ток сжатого вакуумно-дугового разряда - 80 А, ионный ток через цилиндр 11 составляет 19 А, парциальное давление аргона 0,3 Па, время проведения процесса 15 мин, напряжение на электродах сжатого вакуумно-дугового разряда 220 В. В результате проведения процесса ионной очистки распыляется ˜1 мкм поверхностного слоя материала.

После осуществления ионной очистки следует процесс азотирования. Азотирование пластинок из стали Р6М5 размером 20×20×5 осуществляют в смеси азота и аргона при парциальном давлении аргона 0,3 Па и азота - 0,4 Па. Азотирование проводят при температуре 500°С в течение 30 мин. Схема включения переключателей 7 и 9 и параметры сжатого вакуумно-дугового разряда такие же, как и при проведении процесса ионной очистки.

Заключительным этапом комплексной поверхностной обработки является нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана с одновременной бомбардировкой поверхности конденсации ускоренными до 220 эВ ионами азота. Эту операцию осуществляют с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 2) и 8 (положительный полюс подключен к дополнительному электроду 4). Параметры проведения процесса: ток дугового разряда - 300 А, ток сжатого вакуумно-дугового разряда - 80 А; парциальное давление азота - 0,7 Па, скорость вращения цилиндра 12 об/мин, время проведения процесса - 90 мин.

В результате проведения комплексной обработки поверхности изделия получено стальное изделие с покрытием из нитрида титана (толщина слоя покрытия составляет 5 мкм). При измерении твердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 200 г сколы, трещины и отслоения покрытия отсутствуют.

Таким образом, предлагаемая установка для комплексной обработки поверхности изделий обладает по сравнению с установкой, выбранной в качестве прототипа, большими функциональными возможностями - позволяет осуществлять в едином технологическом цикле прогрев обрабатываемого изделия до рабочей температуры, ионную очистку поверхности изделий, химико-термическую обработку его поверхности, нанесение функционального покрытия на поверхность с одновременной бомбардировкой осаждаемого покрытия ускоренными газовыми ионами.

Установка для комплексной обработки поверхности изделий в вакууме, содержащая рабочую камеру с изолированным держателем изделий, эмиссионную камеру с расходуемым электродом, в стенке которой, общей с рабочей камерой, выполнены отверстия, основной источник питания, положительный полюс которого соединен с корпусами камер и который выполнен с возможностью подключения отрицательного полюса к расходуемому электроду, дополнительный источник питания, выполненный с возможностью подключения положительного полюса к держателю изделия, а отрицательного полюса - к корпусам камер, отличающаяся тем, что в рабочей камере установлен дополнительный расходуемый электрод из материала покрытия, обращенный поверхностью испарения в сторону держателя изделий и выполненный с возможностью подключения к отрицательному полюсу основного источника питания, а дополнительный источник питания выполнен с возможностью подключения положительного полюса к расходуемому электроду и к дополнительному расходуемому электроду.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .

Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент (РИ) и может быть использовано в металлообработке. .
Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия для режущего инструмента (РИ) и может быть использовано в металлообработке. .

Изобретение относится к способу получения бесконечных полых профилированных изделий из полимеров, в частности полимерных труб. .

Изобретение относится к изготовлению трубопроводной арматуры, а именно шпинделей, задвижек и вентилей для перекрывания и регулирования расхода проходящих в трубопроводах сред.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к обработке в вакууме поверхности металлических изделий путем воздействия на нее пучком ионов металлов, и может быть использовано в авиационной и газовой промышленности для поддержания оптимального сочетания элементного состава ионов и энергетического уровня воздействия при подготовке поверхности изделий, например компрессорных лопаток, к нанесению на них защитных покрытий, формировании модифицированного поверхностного слоя изделий, повышающего их эксплуатационные характеристики, а также проведении исследовательских работ в области ионно-плазменной технологии.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, преимущественно к термической обработке металлов и сплавов, в частности к методам увеличения прочности сцепления ионно-плазменного покрытия к твердосплавным многогранным неперетачиваемым пластинам.

Изобретение относится к области нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме. .

Изобретение относится к области разработки оптимальных методов сглаживания (полировки) металлических поверхностей и решает задачу повышения скорости обработки и снижения величины рабочего электрического напряжения.

Изобретение относится к технике нанесения покрытий и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других областях техники для создания защитных покрытий из цинка, никеля, хрома или их комбинаций.

Изобретение относится к изготовлению металлических объектов с внутренними полостями сложной формы и может найти применение в различных отраслях машиностроения при изготовлении турбин, оптических систем лазеров и других.

Изобретение относится к способам нанесения покрытий и может быть использовано преимущественно для получения коррозионно-стойких декоративных покрытий золотистого цвета на изделиях для объектов, устанавливаемых на открытом воздухе: наружная реклама, надписи на зданиях, кровля и пр.
Изобретение относится к способам изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью и может быть использовано в установках для газовой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, например при изготовлении нагревателей газа на газораспределительных станциях
Наверх