Способ ионноплазменной обработки длинномерных изделий

 

Изобретение относится к поверхностной обработке материалов с использованием плазмы аномального тлеющего разряда и предназначено для применения при очистке и термообработке длинномерных металлических изделий, преимущественно проволоки и ленты, а также нанесении на них покрытий. Сущность изобретения заключается в том, что обрабатываемое изделие из токопроводящего материала, непрерывно перемещаемое в продольном направлении, используют в качестве одного из электродов, служащих для возбуждения разряда, и размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряда направлены вдоль поверхностей изделия и второго электрода, на который подают потенциал противоположной полярности. В отдельных частных случаях реализации способа силовые линии магнитного поля в зоне разряда направляют вдоль длинной стороны изделия, вдоль его ширины (при обработке изделия в виде плоской ленты), или применяют охватывающее изделие кольцевое магнитное поле, которое создают пропусканием вдоль изделия электрического тока. Для очистки и/или термообработки изделия его используют в качестве катода, а при нанесении покрытия на поверхность изделия - в качестве анода, при этом катод выполняют из материала, которым необходимо покрыть поверхность изделия. В процессе обработки поддерживают заданное соотношение между скоростью перемещения изделия и током разряда. При необходимости изделие по ходу перемещения подвергают воздействию плазмы газового разряда по меньшей мере дважды, причем в первой фазе обработки его используют в качестве катода, а в последней - в качестве анода. Предусмотрена одновременная обработка по меньшей мере двух длинномерных изделия, которые размещают, например, вдоль образующих цилиндрической поверхности, направленных вдоль силовых линий магнитного поля, при этом второй электрод выполняют в виде охватывающей эту поверхность и коаксиальной с ней обечайки и электрически соединенного с ней токопроводящего стержня, расположенного вдоль их общей оси. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к поверхностной обработке материалов с использованием низкотемпературной плазмы аномального тлеющего газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях и предназначено для применения при очистке и термообработке длинномерных металлических изделий, преимущественно проволоки и ленты, а также нанесении на них покрытий.

Известны способы обработки изделий и соответствующие устройства для их реализации, в которых обработка изделий осуществляется с использованием газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, в том числе в магнетронах коаксиального типа [1] однако известные технические решения не предусматривают возможность обработки длинномерных изделий типа проволоки или ленты.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по назначению и совокупности существенных признаков является реализованный в работе установки [2] способ ионоплазменной обработки длинномерных изделий, в котором изделие подвергают воздействию аномального тлеющего разряда, возбуждаемого у поверхности изделия, и перемещают в продольном направлении.

Однако известный способ недостаточно производителен, предназначен только для нанесения покрытий и требует использования сложного оборудования для высокочастотного распыления.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе ионоплазменной обработки длинномерных изделий, в котором изделие подвергают воздействию аномального тлеющего разряда, возбуждаемого у поверхности изделия, и перемещают изделие в продольном направлении, при обработке изделия из токопроводящего материала его используют в качестве одного из электродов, служащих для возбуждения разряда, и размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряде направлены вдоль поверхностей изделия и второго электрода, на который подают потенциал противоположной полярности.

Это повышает производительность обработки за счет интенсификации разряда и расширяет технологические возможности способа, позволяя использовать его как для нанесения покрытий, так и для очистки и термообработки изделий. Кроме того, реализация способ не требует использования сложного высокочастотного оборудования.

В частном случае реализации способа силовые линии магнитного поля в зоне разряда направляют вдоль длины изделия. При этом предусматривается возможность одновременной обработки по меньшей мере двух изделий, для чего их размещают длинной стороной вдоль образующих цилиндрической поверхности, а второй электрод выполняют в виде коаксиально охватывающей эту поверхность обечайки и электрически соединенного с ней токопроводящего стержня, расположенного вдоль их общей оси.

В другом частном случае реализации способа, при обработке изделия в виде плоской ленты его размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряда направлены вдоль ширины ленты. При этом для одновременной обработки по меньшей мере двух изделий второй электрод выполняют в виде набора взаимно параллельных и электрически соединенных между собой плоских пластин, число которых на единицу больше числа изделий, причем между каждой парой пластин размещают одно изделие. При очистке и термообработке изделий предусмотрена возможность использования охватывающего изделие кольцевого магнитного поля, которое создают пропусканием вдоль изделия электрического тока, что позволяет существенно упростить реализацию способа при обработке изделий с достаточно большим поперечным сечением, выполненных из материала с низким удельным сопротивлением или при совмещения ионоплазменной обработки с термообработкой изделий путем их прямого электронагрева. В последнем случае это, кроме того, повышает эффективность нагрева.

Для очистки и/или термообработки изделия его используют в качестве катода. При этом в результате интенсивной ионной бомбардировки поверхности изделия осуществляется удаление с его поверхности загрязнений (в том числе, трудноудаляемых другими методами, например окисных или жировых), а при соответствующем выборе режима разряда и скорости перемещения изделия нагрев его до требуемой температуры с коэффициентом полезного действия, сравнимым с достигаемым при использовании прямого электронагрева, однако не требующий пропускать через изделие большого тока, что упрощает проблему обеспечения электрического контакта с изделием.

При нанесении покрытия на поверхность изделия последнее используют в качестве анода, при этом катод выполняют из материала, которым необходимо покрыть поверхность изделия. В этом случае распыляемый в результате ионной бомбардировки материал катода осаждается на поверхности изделия.

В процессе обработки поддерживают заданное соотношение между скоростью перемещения изделия и током разряда. Это обеспечивает равномерность обработки изделий по длине.

Предусматривается возможность многостадийной ионоплазменной обработки изделия, для чего изделие по ходу его перемещения подвергают воздействию плазмы по меньшей мере дважды, причем в первой фазе обработки его используют в качестве катода, а в последней в качестве анода. Это обеспечивает комплексную обработку изделия, так как в первой фазе обработки изделие, являющееся катодом, подвергается очистке и нагреву в результате ионной бомбардировки его поверхности, а в заключительной фазе обработки на очищенную поверхность изделия производится напыление материала, из которого изготовлен используемый в этой стадии процесса катод. При необходимости дополнительной термообработки или нанесения многослойных покрытий способ может включать соответствующее количество промежуточных этапов. Поскольку между этими этапами изделие не извлекают из вакуумной камеры, обеспечивается высокая адгезия покрытия.

Ниже описаны конкретные примеры реализации способа при обработке проволоки и ленты.

На фиг. 1 схематически изображено устройство, в котором может быть реализован рассматриваемый способ при обработке проволоки; на фиг. 2 пример осуществления способа при обработке металлической ленты;на фиг. 3 -реализация способа с использованием охватывающего изделие кольцевого магнитного поля, создаваемого пропусканием вдоль изделия электрического тока; на фиг. 4 - пример осуществления? предусмотренный способом двухстадийной обработки;на фиг. одновременная обработка нескольких длинномерных изделий; на фиг. 6-8 - примеры размещения нескольких одновременно обрабатываемых длинномерных изделий в виде проволоки и ленты.

Способ осуществляют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1. Устройство содержит вакуумную камеру 1, часть которой выполнена в виде трубы 2 из немагнитного материала. В камере размещены направляющие 3 и 4 для обрабатываемого изделия проволоки 5, подающая 6 и приемная 7 бобины. Приемная бобина 7 снабжена регулируемым приводом 8, подающая не показанным на чертеже подтормаживающим устройством. При необходимости бобины 6, 7 могут быть размещены вне камеры, которая в этом случае оснащается не показанными на чертеже вакуумными вводами.

Внутри камеры расположен электрод в виде обечайки 9, охватывающей обрабатываемую проволоку и соединенной через переключатель 10 с источником 11 электропитания разряда. С другим полюсом источника 11 через тот же переключатель соединены направляющие 3. При необходимости в камере могут быть размещены также электростатические экраны 12 для локализации разряда, которые при помощи переключателя 13 могут соединяться с направляющими 3 или обечайкой 9. Трубу 2 охватывает соосный с ней соленоид 14, соединенный с источником 15 постоянного тока.

Устройство содержит, кроме того, блок 16 контроля тока разряда, соединенный с ним блок 17 управления приводом 8 и не показанные на чертеже средства для откачки камеры, напуска в нее рабочего газа и контроля вакуума.

В описанном устройстве заявленным способом может обрабатываться как проволока, так и металлическая лента. При обработке металлической ленты способ может быть реализован также при помощи устройства несколько иной конструкции, отличающегося от описанного выше тем, что в нем магнитное поле направлено в плоскости ленты по направлению ее ширины. На фиг. 2 схематически изображен поперечный разрез такого устройства плоскостью, перпендикулярной длинной стороне обрабатываемого изделия металлической ленты 18 и соответственно направлению ее перемещения. В этом случае используется электрод в виде двух расположенных по обе стороны ленты плоских пластин 19, параллельных ее поверхности. Для создания магнитного поля, направленного вдоль ширины ленты, используют магнитную систему 20 с полюсными наконечниками 21 и источником магнитодвижущей силы 22, в качестве которого может быть применен электромагнит или постоянный магнит (источник питания электромагнита на чертеже условно не показан). Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1.

При очистке или термообработке изделий достаточно большого поперечного сечения, выполненных из материала с низким удельным сопротивлением или для совмещения ионоплазменной обработки с термообработкой изделий путем их прямого электронагрева может быть использовано кольцевое магнитное поле, охватывающее изделие, которое создают пропусканием вдоль изделия электрического тока. В этом случае устройство, показанное на фиг. 1, вместо соленоида 14 и источника 15, содержит (фиг. 3) источник 23 постоянного тока, выводы которого соединены с направляющими 3 и 4, которые в данном случае выполняют с возможностью пропускания большего тока.

Способ осуществляют следующим образом. Устанавливают подающую бобину 6 с обрабатываемой проволокой 5 (или лентой 18), пропускают загрузочный конец проволоки или ленты через направляющие 3 и 4 вдоль оси трубы 2 и закрепляют его на приемной бобине 7. Камеру 1 закрывают, вакуумируют, после чего осуществляют напуск в нее рабочего газа (например, аргона или аргоно-водородной смеси при очистке с восстановлением окислов) до требуемого давления (10^-4-10^-2 торр), включают источник питания соленоида или электромагнита для создания внутри трубы 2 магнитного поля 0,05-0,1 Тл (или обеспечивают такое поле при помощи постоянного магнита) и соединяют через переключатель 10 обечайку 9 (или пластины 19) с одним из полюсов источника 11 электропитания разряда, а направляющие 3 и через них проволоку 5 (или ленту 18)- с другим полюсом этого источника.

При очистке или термообработке проволоки обечайку 9 или пластины 19 соединяют с положительным полюсом источника 11, а обрабатываемое изделие с его отрицательным полюсом, при нанесении на изделие покрытия полярность меняют на обратную, в последнем случае обечайку 9 (пластины 19) или по меньшей мере их поверхности, обращенные к изделию, выполняют из материала, которым необходимо покрыть поверхность изделия. Электростатические экраны 12 при помощи переключателя 13 в обоих случаях соединяют с отрицательным полюсом источника 11.

Включив источник 11, повышают напряжение на его выходе до зажигания разряда (0,5-2 кВ), регулируя напуск рабочего газа, устанавливают требуемый режим разряда и включают привод перемещения проволоки или ленты.

Непрерывно измеряя при помощи блока 16 ток разряда, регулируют скорость перемещения изделия посредством блока 17 управления приводом, реализующего функцию управления вида v ki, где v скорость перемещения изделия, i ток разряда, k коэффициент пропорциональности, устанавливаемый при настройке устройства. В результате этого обеспечивается равномерность обработки изделия по его длине.

Реализация многоступенчатой обработки, которая может включать очистку, термообработку изделия и нанесение покрытий на его поверхность, показана на фиг. 4 для случая обработки проволоки с использованием магнитного поля, направленного вдоль изделия. Для этого используют устройство, включающее по меньшей мере два электрода 24 и 24, выполненные в виде обечаек, и соответствующее количество источников 26, 27 питания разряда, соленоидов 28, 29 с источниками 30, 31 их питания. Возможно также использование одного соленоида большей длины, общего для обеих зон разряда. В этом случае для разделения зон разряда и из локализации могут быть использованы при необходимости соответствующим образом размещенные электростатические экраны, не показанные на фиг.4.

Первый (по ходу движения проволоки) электрод 24 соединяют с положительным полюсом источника питания 26, а электрод 25 с отрицательным полюсом источника питания 27. При этом электрод 25 выполняют из материала, который требуется нанести на поверхность проволоки в виде покрытия. При необходимости из этого материала может быть выполнен не весь электрод 25, а лишь вставленный внутрь него съемный вкладыш.

В установку заряжают проволоку 5, откачивают камеру, создают магнитное поле и возбуждают разряд в соответствии с описанной выше последовательностью. При этом в первой зоне разряда (внутри электрода 24), в которой проволока служит катодом, осуществляется очистка и при соответствующем выборе режима термообработка проволоки, а во второй зоне разряда, где катодом является электрод 25, производится напыление на очищенную и нагретую поверхность проволоки покрытия заданного состава. Описанная последовательность операций и отсутствие в промежутке между ними контакта обрабатываемой поверхности с атмосферным воздухом обеспечивают высокую адгезию покрытия.

Аналогично описанному выше может быть реализована многоступенчатая обработка ленты с использованием устройства, подобного показанному на фиг. 2, но содержащему необходимое количество пар плоских электродов, источников питания разряда и магнитных систем.

При одновременной обработке нескольких изделий применяемое для реализации способа устройство ( фиг. 5) содержит по меньшей мере два комплекта подающих 6 и приемных 7 бобин, а также направляющих 3 и 4 для обрабатываемых изделий. При этом в случае использования продольного магнитного поля обрабатываемые изделия равномерно размещают в зоне разряда вдоль образующих цилиндрической поверхности, расположенной внутри обечайки 9 и соосной с ней. При этом вдоль их общей оси дополнительно устанавливают цилиндрический стержень 32, электрически соединенный с обечайкой 9, который позволяет повысить равномерность электрического поля у обрабатываемой поверхности изделий и соответственно равномерность обработки.

Таким образом можно одновременно обрабатывать длинномерные изделия с разным поперечным сечением. В качестве примера на фиг. 6 показано размещение в зоне разряда нескольких изделий в виде проволоки, на фиг. 7 в виде ленты.

Для одновременной обработки нескольких изделий в виде плоской ленты при использовании поперечного магнитного поля (направленного в плоскости ленты вдоль ее ширины) может быть использована также схематически изображенная на фиг. 8 в поперечном разрезе модификация устройства, подобного показанному на фиг. 2, и отличающаяся от него количеством взаимно параллельных электрически соединенных между собой пластин 19, составляющих второй электрод. В этом случае количество пластин 19 на единицу превышает число обрабатываемых изделий 18, которые размещают между соседними пластинами.

Способ опробован на экспериментальной установке при разных видах обработки (очистке, термообработке, нанесении покрытий) проволоки и ленты из сплавов различного состава и показал результаты, превосходящие полученные при использовании известных технологий.

Формула изобретения

1.Способ ионно-плазменной обработки длинномерных изделий, включающий воздействие аномального тлеющего разряда, возбуждаемого в среде рабочего газа у поверхности изделия, и перемещение изделия в продольном направлении, отличающийся тем, что при обработке изделия из токопроводящего материала его используют в качестве одного из электродов, служащих для возбуждения разряда, и размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряда направлены вдоль поверхностей изделия и второго электрода, на который подают потенциал противоположной полярности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изделие размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряда направлены вдоль длины изделия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при одновременной обработке по меньшей мере двух изделий их размещают длинной стороной вдоль образующих цилиндрической поверхности, а второй электрод выполняют в виде коаксиально охватывающей эту поверхность обечайки и электрически соединенного с ней токопроводящего стержня, расположенного вдоль их общей оси.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке изделия в виде плоской ленты его размещают в магнитном поле, силовые линии которого в зоне разряда направлены вдоль ширины ленты.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при одновременной обработке по меньшей мере двух изделий, второй электрод выполняют в виде набора взаимно параллельных и электрически соединенных между собой плоских пластин, число которых на единицу больше числа изделий, причем каждое из изделий размещают между парой соседних пластин.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют охватывающее изделие кольцевое магнитное поле, которое создают пропусканием электрического тока вдоль изделия.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при проведении ионно-плазменной обработки для очистки или термообработки изделия его используют в качестве катода.

8. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что при проведении ионно-плазменной обработки для нанесения покрытия изделие используют в качестве анода, при этом второй электрод или по меньшей мере его поверхности, обращенные к изделию, выполняют из материала, которым необходимо покрыть поверхность изделия.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что предварительно проводят ионную очистку и термическую обработку изделия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8