Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде

Авторы патента:

Гаврилов Александр Иванович (RU)

Федоров Александр Алексеевич (RU)

Шапошникова Татьяна Леонидовна (RU)

C23C8/36 - с использованием ионизированных газов, например ионоазотирование (разрядные трубки с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда H01J 37/00)

C23C14/48 - ионное внедрение

Владельцы патента RU 2544729:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") (RU)

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к ионному азотированию, и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении. Устройство для химико-термической обработки детали в несамостоятельном тлеющем разряде содержит 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, полый цилиндрический электрод, имеющий внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали, и термоэмиссионный электрод, расположенный коаксиально с цилиндрическим электродом. Устройство дополнительно содержит второй полый цилиндрический электрод, расположенный коаксиально первому электроду и образующий с первым электродом электростатическую линзу. Ось симметрии полых цилиндрических электродов ориентирована под углом, равным критическому углу падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали. Термоэмиссионный электрод расположен в фокусе электростатической линзы. Повышается предел выносливости деталей, и снижаются энергозатраты при проведении химико-термической обработки. 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 катодно-плазменного азотирования изделий (Катодно-плазменное азотирование изделий на базе модернизированного агрегата "Булат", информационный листок №300-88, Краснодар, ЦНТИ, 1988), 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.

Недостатком данного устройства является относительно большая длительность процесса химико-термической обработки деталей и высокая температура процесса.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде (Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде. Патент №2355817 от 04.07.2007 г.), 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, имеющим внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивающий угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического.

Задачей настоящего изобретения является сокращение длительности процесса химико-термической обработки деталей и понижение температуры процесса.

В устройстве, 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, полый цилиндрический электрод, имеющий внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали, и термоэмиссионный электрод, расположенный коаксиально с цилиндрическим электродом, решение поставленной задачи достигается тем, что вводится второй полый цилиндрический электрод, аналогичный первому и расположенный коаксиально к нему с образованием электростатической линзы с первым, при этом ось симметрии полых цилиндрических электродов ориентирована под углом, равным критическому углу падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали, а термоэмиссионный электрод расположен в фокусе электростатической линзы.

Данное устройство обладает существенным отличием, так как предполагает использование второго полого цилиндрического электрода, аналогичного первому и расположенного коаксиально к нему с образованием электростатической линзы с первым, при этом ось симметрии полых цилиндрических электродов ориентирована под углом, равным критическому углу (для данного материала) падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали, а термоэмиссионный электрод расположен в фокусе электростатической линзы, что позволяет сформировать параллельный поток ионов, т.е. обеспечивает падение всех ионов на обрабатываемую поверхность под углом, равным критическому, сокращение длительности процесса химико-термической обработки деталей и понижение температуры 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 (α) падения ионного потока. При углах падения, отличных от критического, происходит уменьшение коэффициента распыления, в то время как при угле падения, равном критическому, 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). Такое увеличение коэффициента катодного распыления достигается лишь в случае, если все лучи ионного потока падают на обрабатываемую поверхность под углом, равным критическому, т.е. в случае их параллельности, в отличие от прототипа, где угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали (в сходящемся потоке) от нуля до критического. 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.

На чертеже изображена схема устройства для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, где: 1 - вакуумная камера, 2 - термоэмиссионный электрод, 3 - полые цилиндрические электроды, 4 - обрабатываемая деталь, 5 - подложка для размещения деталей, 6 - источник питания, 7 - второй источник питания, 8 - источник переменного тока, 9, 10 - источники питания полых цилиндрических электродов.

Работает устройство следующим образом. Разогретый до высокой температуры термоэмиссионный электрод (2) испускает электроны, которые, двигаясь в электростатическом поле, созданном источником питания (7), ионизируют пространство в вакуумной камере, порождая (в основном) положительные ионы. Положительные ионы движутся в направлении имеющей отрицательный потенциал относительно камеры обрабатываемой детали (4) в электростатическом поле, созданном источником питания (6). Полые цилиндрические электроды (3) образуют электростатическую линзу, фокусное расстояние которой будет зависеть от соотношения между потенциалами U1 и U2 соответственно первого и второго полых цилиндрических электродов (3) (Л.А. Арцимович, С.Ю. Лукьянов. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1972 г., с.15-16). Выставляя с помощью источников питания (9) и (10) U2/U1≥16, располагаем термоэмиссионный электрод на расстоянии, равном двойному внутреннему диаметру полого цилиндрического электрода, отсчитываемому от середины зазора между полыми электродами, т.е. в фокусе электростатической линзы. Это позволяет сформировать на выходе полых цилиндрических электродов параллельный поток ионов, падающих на поверхность обрабатываемой детали под углом α, равным критическому, что обеспечивает максимальный коэффициент распыления обрабатываемой поверхности при данной температуре. Корректируют температуру процесса химико-термической обработки детали (4), изменяя напряжение на подложке (5) с помощью источника питания (6).

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 детали 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, полый цилиндрический электрод, имеющий внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали, и термоэмиссионный электрод, расположенный коаксиально с цилиндрическим электродом, отличающееся тем, что оно содержит второй полый цилиндрический электрод, расположенный коаксиально первому электроду и образующий с первым электродом электростатическую линзу, при этом ось симметрии полых цилиндрических электродов ориентирована под углом, равным критическому углу падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали, а термоэмиссионный электрод расположен в фокусе электростатической линзы.

Изобретение относится к области машиностроения, к способам образования защитных покрытий на изделиях, имеющих тонкостенные и толстостенные части и выполненных из стали или титанового сплава.

Способ локальной обработки материала при азотировании в тлеющем разряде // 2534907

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов.

Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании // 2534906

Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании // 2534697

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности, для поверхностного упрочнения материалов.

Способ и устройство для ускоренного азотирования деталей машин с использованием импульсов электромагнитного поля // 2532779

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу ионоазотирования деталей машин с использованием импульсов электромагнитного поля. Обеспечивают подачу в камеру для азотирования реакционного газа, его нагрев с одновременным генерированием в камере переменного электромагнитного поля посредством соленоида.

Способ ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали // 2528537

Изобретение относится к способу ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали. Способ включает нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение.

Способ изготовления деталей машин с получением субмикро- и наноструктурированного состояния диффузионного приповерхностного слоя при азотировании // 2524892

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин из сплавов на основе железа с получением субмикро- или наноструктурированного состояния диффузионных слоев.

Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана // 2522919

Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.

Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя // 2522872

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу азотирования деталей узлов трения скольжения с получением наноструктурированного приповерхностного слоя.

Способ повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозии цементацией // 2488649

Изобретение относится к способам повышения стойкости металла к коррозии и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте. .

Способ нанесения покрытия на металлические заготовки в установке вакуумирования (варианты) // 2543575

Изобретение относится к вакуумной обработке поверхностей заготовок. Способ нанесения покрытия на металлические заготовки осуществляют в установке вакуумирования, содержащей выполненный в виде мишени первый электрод, который является частью источника испарения электрической дугой и через который подают дуговой разряд с током дугового разряда, посредством которого испаряют материал мишени, и второй электрод, который выполнен в виде держателя заготовок и вместе с заготовками образует электрод смещения, на который подают напряжение смещения.

Устройство для ионно-плазменного травления и нанесения тонких пленок // 2540318

Изобретение относится к области нанесения тонких пленок в вакууме и может быть использовано, например, в микроэлектронике. Устройство содержит вакуумную камеру и магнитную систему.

Способ повышения износостойкости резьбовой поверхности детали из легированных сталей // 2539137

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защитно-упрочняющей обработки и нанесения износостойких покрытий на резьбовые поверхности деталей, применяемых, например, в ролико-винтовых и шарико-винтовых передачах.

Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титанового сплава // 2536843

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.

Способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния sioх на кремниевой подложке // 2534173

Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенного для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах.

Способ нанесения наноалмазного материала комбинированной электромеханической обработкой // 2530432

Изобретение относится к способу нанесения наноалмазного материала комбинированной электромеханической обработкой и может быть использовано в машиностроительной, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Способ плазменного азотирования деталей // 2530192

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения путем азотирования деталей. Может использоваться при изготовлении деталей и инструмента, к которым предъявляются требования повышенного сопротивления схватыванию и адгезии в парах трения и коррозионной стойкости в условиях влажного воздуха.

Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали // 2529337

Способ импульсно-периодической ионной очистки поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями // 2526654

Изобретение относится к ионной очистке поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями. Изделия размещают на проводящем держателе, генерируют плазму с импульсно-периодическим ускорением ее ионов путем прохождения плазменного потока через ускоряющий зазор и с обеспечением поочередного облучения поверхности изделий потоком ускоренных ионов и плазмой при подаче на проводящий держатель высокочастотных короткоимпульсных потенциалов смещения.

Конвертер вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния siox на кремниевой подложке // 2526344

Изобретение относится к люминесцентным материалам - конвертерам вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона, выполненным в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенным для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах.

Способ обработки металлических деталей и устройство для его осуществления // 2544961

Изобретение относится к способу и устройству обработки металлических деталей и может найти применение для композиционного микролегирования и упрочнения поверхности металлических деталей. Способ включает перенос в потоке высокотемпературной импульсной плазмы ионов распыляемого материала заменяемых вставок для создания композиционно микролегированной поверхности деталей. Разрядную камеру и рабочую камеру соединяют посредством фланца с установленной в его канале вставкой из распыляемого упомянутой плазмой материала. В рабочей камере размещают экран, выполненный из распыляемого упомянутой плазмой материала. Получают высокотемпературную импульсную плазму с плотностью энергии 105-109 Вт·см-2. Обработку металлической детали выполняют высокотемпературной импульсной плазмой с временем воздействия 10-7-10-3 с, содержащей ионы материала электрода, экрана и вставки фланца. В результате уменьшается насыщение высокотемпературной импульсной плазмы нежелательными ионами и соответственно достигается однородность химического состава поверхности детали. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл., 1 ил.