Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде
Владельцы патента RU 2355817:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") (RU)
Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, а именно к устройствам для обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении. Устройство содержит вакуумную камеру, подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры. Устройство также содержит дополнительный полый цилиндрический электрод и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения. Внутренний диаметр дополнительного электрода превышает геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивает угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического. При этом дополнительный электрод коаксиально расположен между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью. Дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения отрицательным полюсом соединен с подложкой, а положительным - с дополнительным электродом. Технический результат - повышение предела выносливости деталей и снижение энергозатрат. 1 ил.
Устройство относится к электротермическому машиностроению, в частности к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде. Это изобретение может найти широкое применение в машиностроении, автостроении, химической промышленности.
Известно устройство для обработки в разряде (Арзамасов Б.М. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. - М., 1979, с.118-120), включающее вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом и закрепленной на ней оснасткой для загрузки деталей.
Данное устройство позволяет получать высококачественные покрытия, не загрязняя окружающую среду.
Однако это устройство предполагает длительный процесс химико-термической обработки при относительно высоких температурах.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде (RU 2173353 С2, С23С 14/42, 10.09.2001), содержащее вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом.
Недостатком данного устройства является относительно большая длительность процесса химико-термической обработки деталей и высокая температура процесса.
Задачей настоящего изобретения является сокращение длительности процесса химико-термической обработки деталей и понижение температуры процесса.
В устройстве для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, содержащем вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом, решение задачи достигается тем, что дополнительный полый цилиндрический электрод имеет внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивающий угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического.
Данное устройство обладает существенным отличием, так как предполагает использование дополнительного полого цилиндрического электрода с внутренним диаметром, превышающим геометрические размеры обрабатываемой детали, обеспечивающего угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического (αкр) для данного материала, что позволяет сократить длительность процесса химико-термической обработки деталей и понизить температуру процесса.
Азотирование (частный случай химико-термической обработки) в разряде, как известно, включает два конкурирующих процесса: катодное распыление поверхности, сопровождающееся образованием в атмосфере азота нитрида распыляемого материала, и конденсации, адсорбции (обратное катодное распыление на поверхности образовавшихся нитридов, а также ионов азота, сопровождающееся диффузией азота в матрицу).
Эффективность катодного распыления в разряде существенно зависит от угла падения (α) ионного потока. При углах падения, больших некоторого критического (αкр), происходит уменьшение коэффициента распыления. Однако при угле падения, равном αкр, реализуется коэффициент распыления, в 1,25-2,5 раза более высокий, чем при нормальном падении ионов (И.А.Аброян, А.Н.Андронов, А.И.Титов. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. пособие для спец. электронной техники вузов. - М.: Высш. шк., 1984. - С.214-215). Коэффициент катодного распыления существенно зависит от температуры катода, а потому при прочих равных условиях оптимизация угла падения ионного потока позволяет снизить температуру химико-термической обработки. А, как известно, чем выше температура азотирования, тем ниже предел выносливости деталей. Это связано с разупрочнением сердцевины и уменьшением остаточных напряжений сжатия. Фокусировка ионного потока позволяет повысить концентрацию ионов (повысить активность среды), что ведет к интенсификации процесса химико-термической обработки (Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. - М.: Машиностроение, 1979) и сокращению длительности процесса. Кроме того, чем выше концентрация насыщающего элемента на поверхности, тем больше глубина достигаемого диффузионного слоя.
На чертеже изображена схема устройства для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, где: 1 - вакуумная камера, 2 - термоэмиссионный электрод, 3 - обрабатываемая деталь, 4 - подложка для размещения деталей, 5 - дополнительный полый цилиндрический электрод, 6 - дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, 7 - источник питания, 8 - источник переменного тока, 9 - второй источник питания, 10 - направление ионного потока.
Работает устройство следующим образом. Разогретый до высокой температуры термоэмиссионный электрод (2) испускает электроны, которые, двигаясь в электростатическом поле, созданном источником питания (9), ионизируют пространство в вакуумной камере, порождая в основном положительные ионы. Положительные ионы движутся в направлении, имеющем отрицательный потенциал относительно камеры, детали (3) в электростатическом поле, созданном источником питания (7). Электростатическое поле, создаваемое дополнительным регулируемым источником постоянного напряжения (6) между дополнительным полым цилиндрическим электродом (5) и деталью (3), является неоднородным и фокусирует ионный поток. Фокусное расстояние системы, дополнительный полый цилиндрический электрод (5) - деталь (3) будет зависеть от разности потенциалов (φ1-φ2) между деталью (3) и дополнительным полым цилиндрическим электродом (5) (Л.А. Арцимович, С.Ю. Лукьянов. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1972 г., с.15). Изменяя потенциал (φ2) на дополнительном полом цилиндрическом электроде (5), добиваются фокусировки ионного потока, обеспечивающей максимальное значение коэффициента катодного распыления (угол падения наиболее удаленных от оси ионов α=αкр). Корректируют температуру процесса химико-термической обработки детали (3) изменением потенциала (φ1) на подложке (4).
Использование предлагаемого устройства для обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде позволяет:
1. повысить предел выносливости деталей за счет понижения температуры химико-термической обработки;
2. понизить энергетические затраты за счет сокращения времени химико-термической обработки.
Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, содержащее вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом, отличающееся тем, что дополнительный полый цилиндрический электрод имеет внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивающий угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического.
