Устройство для поверхностной обработки массивных металлических изделий

Изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаростойкости и др.). Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик обрабатываемых изделий, например массивных кристаллизаторов, электродов высоковольтных вакуумных выключателей и др. Устройство содержит сильноточную электронную пушку, содержащую взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод 2, импульсный соленоид 3, обеспечивающий транспортировку электронного пучка и обрабатываемое электронным пучком изделие. Установка перед обрабатываемым изделием (6.1-6.2) дополнительного постоянного магнита 7 в виде рамки или кольца, при этом направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом, позволяет устранить дефокусировку пучка, вызванную частичным вытеснением импульсного ведущего магнитного поля из обрабатываемого изделия вследствие скин-эффекта, обеспечивая плотность энергии электронного пучка, достаточную для импульсного плавления поверхностного слоя изделия. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаростойкости и др.) с конечной целью повышения эксплуатационных характеристик различных изделий, например, массивных кристаллизаторов, используемых в установках непрерывной разливки стали, электродов высоковольтных вакуумных выключателей и др.

Известны устройства, представляющие собой сильноточные электронные пушки, содержащие взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод, коллектор, на котором могут располагаться обрабатываемые сильноточным электронным пучком металлические изделия, и импульсный соленоид, обеспечивающий предварительное (до подачи импульса ускоряющего напряжения на катод) формирование плазменного анода и транспортировку пучка к изделию (мишени) в ведущем магнитном поле [1, 2]. Положительный эффект (например, повышение коррозионной стойкости изделий, их жаростойкости, снижение шероховатости и повышение электрической прочности вакуумных промежутков, образованных металлическими электродами) в этих устройствах достигается за счет очистки и сглаживания поверхности обрабатываемых изделий в процессе ее импульсного оплавления сильноточным электронным пучком. Импульсное оплавление поверхности позволяет также эффективно формировать поверхностные сплавы с заданными свойствами.

Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является устройство на базе сильноточной электронной пушки, описанное в [3]. В этой пушке, как и в [1, 2], имеются взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод, коллектор (он же держатель изделий, подвергаемых обработке) и импульсный соленоид. Пучок электронов формируется в двойном слое между взрывоэмиссионной катодной плазмой и анодной плазмой, создаваемой в пеннинговском разряде между анодом и катодами разряда, роль которых играют коллектор пучка и катод пушки. Ведущее магнитное поле, создаваемое импульсным соленоидом, обеспечивает не только транспортировку пучка к коллектору, на котором располагается обрабатываемое изделие, но и зажигание пеннинговского разряда [4].

Недостатком вышеупомянутых устройств поверхностной обработки является дефокусировка электронного пучка при обработке массивных изделий, обусловленная импульсным характером ведущего магнитного поля соленоида. Действительно, если толщина обрабатываемого изделия превышает глубину скин-слоя, характеризующую проникновение импульсного магнитного поля внутрь изделия, то это магнитное поле частично вытесняется из него, т.е. магнитные силовые линии обтекают изделие. Это расхождение силовых линий приводит к дефокусировке пучка, падению плотности его энергии, т.е. к невозможности осуществить плавление поверхностного слоя. Поскольку глубина скин-слоя уменьшается с увеличением электропроводности материала, то наиболее ярко дефокусировка пучка проявляется на материалах с высокой электропроводностью (медь, алюминий и т.п.). Учитывая также, что для большинства металлов и сплавов теплопроводность прямо пропорциональна электропроводности, то достичь плавления поверхностного слоя на таких материалах становится весьма затруднительно.

Задачей заявляемого изобретения является повышение плотности энергии пучка на поверхности обрабатываемого массивного металлического изделия.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в устранении дефокусировки пучка, вызванной импульсным характером ведущего магнитного поля, и в обеспечении тем самым плотности энергии электронного пучка, достаточной для плавления поверхностного слоя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для поверхностной обработки массивных металлических изделий, включающем сильноточную электронную пушку, содержащую катод, анод, импульсный соленоид, обеспечивающий транспортировку электронного пучка и обрабатываемое электронным пучком изделие, согласно изобретению, на выходе электронной пушки перед обрабатываемой поверхностью изделия дополнительно размещен постоянный магнит в виде рамки или кольца, при этом, направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом.

Кроме того, обрабатываемое изделие имеет толщину, сравнимую или большую глубины проникновения импульсного магнитного поля внутрь изделия.

При такой установке магнита силовые линии его поля, практически беспрепятственно проникающего внутрь обрабатываемого изделия, имеют компоненту, параллельную вектору импульсного ведущего магнитного поля соленоида (в области не искажаемой присутствием изделия), которая компенсирует расхождение силовых линий импульсного магнитного поля, вызываемое скин-эффектом.

Пример 1. На Фиг. 1 схематично показано устройство, на котором проводились эксперименты. Электронная пушка включает в себя взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод 2, импульсный соленоид 3, держатель обрабатываемого изделия 4 и корпус 5. Для удобства и экономии материалов, в экспериментах для моделирования обработки массивных изделий использовались составные мишени из меди (порог плавления около 6,4 Дж/см2) и дюралюминия Д16Т (порог плавления около 3,5 Дж/см2). Мишень состояла из диска 6.1 диаметром 120 мм и толщиной 20 мм в случае меди и 30 мм в случае Д16Т, поверх которого накладывались сменные квадратные пластины 6.2 размерами 120×120 мм и толщиной 1 мм из материала, соответствующего материалу диска. На этих пластинах и фиксировались автографы пучка. Длительность импульса тока через соленоид составляла ~ 20 мс, и, следовательно, толщина скин-слоя для меди составляла ~ 9 мм, а для Д16Т ~ 13 мм), т.е. существенно меньше толщины мишени. Постоянный магнит 7, устанавливавшийся перед мишенью использовались двух типов: кольцо ∅130×∅110×15 мм и квадратная рамка размерами 110×90×15 мм. Материал магнитов - Nd-Fe-B, индукция магнитного поля на их поверхности - 0,3 Тл.

Устройство работает следующим образом. После откачки объема пушки и напуска рабочего газа (обычно аргон при давлениях 0,03-0,06 Па), внутри нее создается внешнее ведущее магнитное поле с помощью соленоида 3, питаемого импульсным током от предварительно заряженной конденсаторной батареи. Время нарастания тока в соленоиде до максимума составляет 5 мс (т.е. период колебаний составляет 20 мс, а частота 50 Гц). При достижения максимума тока в соленоиде на анод 2 подается импульс положительной полярности амплитудой около 5 кВ. Благодаря этому, в пространстве между взрывоэмиссионным катодом 1 и заземленной мишенью 6.2 зажигается сильноточный отражательный разряд (разряд типа Пеннинга) и в течение 30-40 мкс пространство между взрывоэмиссионным катодом и мишенью оказывается заполненным плазмой с концентрацией около (2-3)×1012 см-3. Данный столб плазмы и представляет собой плазменный анод. После формирования плазменного анода на взрывоэмиссионный катод подается импульс ускоряющего напряжения амплитудой 20-35 кВ с фронтом 10-50 нс. На катоде возбуждается взрывная эмиссия с образованием сгустков катодной плазмы -эмиттера электронов. Эмитированные электроны ускоряются в двойном слое между катодной и анодной плазмой и транспортируются в ведущем магнитном поле индукцией 0,1-0,15 Тл сквозь анодную плазму к обрабатываемой мишени 6.2, являющейся одновременно коллектором пучка. Характерные параметры пучка: энергия электронов - до 30 кэВ, ток пучка - до 25 кА, длительность импульса - 2,5-3 мкс, плотность энергии -до 9 Дж/см2 (без фокусировки или дефокусировки).

На Фиг. 2 приведены автографы пучка на медных пластинах-мишенях, полученные в различных конфигурациях: без диска (суммарная толщина мишени - 1 мм) и без постоянного магнита (Фиг. 2а); с диском (суммарная толщина мишени - 21 мм) и без постоянного магнита (Фиг. 2б); с диском (суммарная толщина мишени также 21 мм) и при наличии кольцевого постоянного магнита вблизи поверхности мишени, обращенной к пучку (Фиг. 2в); с диском (суммарная толщина мишени также 21 мм) и при наличии рамочного постоянного магнита вблизи поверхности пластины, обращенной к пучку (Фиг. 2г). Из данных, представленных на Фиг. 2, видно, что установка постоянного магнита вблизи поверхности мишени (при этом вектор магнитного поля на поверхности постоянного магнита противоположен вектору магнитного поля соленоида, но зато внутри рамки имеет значительную компоненту, направленную в ту же сторону) обеспечивает достаточно ровное плавление поверхностного слоя на диаметре до 11 см для кольцевого магнита и в квадрате 9×9 см (за исключением угловых участков) для рамочного магнита (Фиг. 2в и 2г). Напротив, при отсутствии магнита плавление не сплошное, а очаговое, слабое и неоднородное; диаметр автографа пучка увеличен, что эквивалентно падению плотности энергии. Отметим также, что если магнит перевернуть так, чтобы вектор магнитного поля на его поверхности был направлен в ту же сторону, что и вектор магнитного поля соленоида, плавление практически отсутствует из-за существенной деформации пучка. Эта деформация, очевидно, вызвана тем, что магнитное поле вблизи мишени становится, фактически, не ведущим, а приобретает конфигурацию типа "касп", которая характерна для катушек, включенных навстречу, т.е. создающих противоположно направленные магнитные поля. В таком магнитном поле пучок просто не может транспортироваться к мишени, по крайней мере, без существенных потерь в плотности энергии (тока).

Пример 2. На Фиг. 3 приведена аналогичная серия автографов пучка, полученных для мишеней из дюралюминия Д16Т: (а) - автограф на тонкой мишени из Д16Т (120×120×1 мм), постоянный магнит отсутствует; (б) - автограф на толстой мишени из Д16Т (120×120×31 мм), постоянный магнит отсутствует; (в) - автограф на толстой мишени из Д16Т (120×120×31 мм), постоянный (рамочный) магнит присутствует. Эти автографы также подтверждают положительный эффект действия постоянного магнита.

Приведенные примеры показывают технический результат, достигаемый в предложенном изобретении.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение.

1. K. Uemura, S. Uehara, P. Raharjo, D.I. Proskurovsky, G.E. Ozur, V.P. Rotshtein, Surface modification process on metal dentures, products produced thereby, and incorporated system thereof// US Patent: US 6,863,531, B2, Date: March 8, 2005, prior publication data; US 2003/0019850 A1 Jan. 30, 2003.

2. Батраков A.B., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И., Ротштейн В.П. Способ обработки электродов изолирующих промежутков высоковольтных электровакуумных приборов // Патент РФ №2384911 от 20.03.2010 г., БИ №8. МПК: H01J 19/44, G01R 31/12 (заявка 2008149392/28 от 15.12.2008 г.).

3. Озур Г.Е., Марков А.Б., Падей А.Г. Устройство для формирования поверхностных сплавов // Патент на полезную модель. RU 97005 U1 от 23.04.2010. Опубликовано 20.08.2010 г. Бюл. №23.

4 Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский, К.В. Карлик. Источник широкоапертурных низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом на основе отражательного разряда // Приборы и техника эксперимента, 2005, №6, с. 58-65.

Устройство для поверхностной обработки массивных металлических изделий, включающее сильноточную электронную пушку, содержащую катод, анод, импульсный соленоид, обеспечивающий транспортировку электронного пучка к обрабатываемому изделию, отличающееся тем, перед изделием дополнительно размещен постоянный магнит в виде рамки или кольца, при этом направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом.



 

Похожие патенты:

Способ определения изменения положения точки падения непрерывного или импульсного энергетического пучка на ограниченной поверхности, который периодически перемещается по поверхности с помощью отклоняющего устройства, включает операции определения поверхности с помощью камеры, имеющей множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом каждая точка поверхности ассоциируется с пикселем, оценки определяемых камерой характеристик изображения с помощью узла анализа изображений.

Способ определения изменения положения точки падения непрерывного или импульсного энергетического пучка на ограниченной поверхности, который периодически перемещается по поверхности с помощью отклоняющего устройства, включает операции определения поверхности с помощью камеры, имеющей множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом каждая точка поверхности ассоциируется с пикселем, оценки определяемых камерой характеристик изображения с помощью узла анализа изображений.
Изобретение относится к ионно-лучевой обработке крупногабаритных оптических деталей. Технический результат – повышение точности обработки поверхности деталей.

Изобретение относится к мишени для электродугового источника (ARC) с первым телом (3) из подлежащего испарению материала, которое содержит по существу в одной плоскости предусмотренную для испарения поверхность, при этом поверхность в этой плоскости окружает центральную зону.

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий на подложки путем электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы. Установка содержит тигельное устройство, содержащее по меньшей мере два тигля, расположенных со смещением друг относительно друга в горизонтальной плоскости.

Изобретение относится к технике ионно-лучевой обработки изделий. .

Изобретение относится к изготовлению по меньшей мере одной очищенной подложки, особенно, очищенных таким образом режущих частей инструментов, очищенные подложки которых могут быть подвергнуты дополнительной технологической обработке до и/или после очистки, например, посредством нагрева и/или нанесением на них покрытия.

Изобретение относится к технике получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к источникам получения пучка ионов, и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделий и для нанесения на них тонких пленок SiC, AIN, твердых растворов на их основе и т.д.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным отпаянным пушкам и ускорителям электронов, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки и ускорителя в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике в электроионизационных лазерах, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации, ускорения химических реакций, а также в других областях техники.

Изобретение относится к электронной технике и рентгенотехнике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для инжекции высокоэнергетических электронов и рентгеновского излучения из вакуумной области пушки в атмосферу или иную среду, и может быть использовано в плазмохимии, биологии, медицине, полупроводниковой и квантовой электронике, а также других областях техники.

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки наружу: в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой и квантовой электронике, в медицине, в плазмохимии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства.

Изобретение относится к области СВЧ-электроники и предназначено для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков. Технический результат - увеличение разброса электронов по скоростям в области электронной пушки за счет управляемого торможения части электронного пучка, в частности его периферийной части.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, для имплантации атомов в поверхность твердого тела, плазмохимии, диагностических измерениях.

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения электронных пучков или пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии.

Изобретение относится к электронной технике и может найти применение в качестве источников электронных потоков в лучевых приборах. .

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик обрабатываемых изделий, например массивных кристаллизаторов, электродов высоковольтных вакуумных выключателей и др. Устройство содержит сильноточную электронную пушку, содержащую взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод 2, импульсный соленоид 3, обеспечивающий транспортировку электронного пучка и обрабатываемое электронным пучком изделие. Установка перед обрабатываемым изделием дополнительного постоянного магнита 7 в виде рамки или кольца, при этом направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом, позволяет устранить дефокусировку пучка, вызванную частичным вытеснением импульсного ведущего магнитного поля из обрабатываемого изделия вследствие скин-эффекта, обеспечивая плотность энергии электронного пучка, достаточную для импульсного плавления поверхностного слоя изделия. 3 ил.

Наверх