Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2454485:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) (RU)
Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами, а именно к способам и устройствам для ионной обработки изделий, и предназначено для изменения физических, механических и химических свойств поверхностных слоев металлов или сплавов. Способ включает размещение металлических изделий в вакуумной камере, очистку поверхности изделий бомбардировкой ионами и электронами, подачу ионизируемого вещества, его ионизацию для формирования ионной плазмы и ускорение ионов в плазме электрическим полем. При этом генерацию плазмы и ускорение ионов осуществляют поочередно и многократно. Устройство для реализации способа содержит заземленную металлическую вакуумную камеру с закрепленными в ней внешним электродом и опорным электродом, которые подключены к источнику напряжения. Источник напряжения подключен через блок управления к первому коммутатору, соединенному с первым высоковольтным емкостным накопителем, который подключен к средней точке вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, и ко второму коммутатору. При этом второй коммутатор соединен со вторым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора. Технический результат - повышение рабочих свойств поверхностей изделий, увеличение их износостойкости. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами и предназначено для изменения физических, механических и химических свойств поверхностных слоев металлов и сплавов с помощью ионной имплантации.
Известен способ ионной имплантации (авторское свидетельство СССР №1412517, МПК H01O 37/317, 1990 г.), заключающийся в следующем. С помощью импульсного вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы, из которой затем ускоряются ионы. Ускоренными ионами облучают образец, затем вновь генерируют импульсы плазмы и облучают образец потоком плазмы. Указанные операции повторяются многократно и поочередно. В данном способе плазменный поток компенсирует поток распыляемых под действием ионной бомбардировки атомов образца, что позволяет повысить в образце концентрацию имплантируемой примеси.
Недостатком этого способа является то, что поочередное облучение образца ионами и плазмой приводит к осаждению посторонних примесей на образце в промежутках между импульсами.
Известен «Способ импульсно-периодической ионной обработки изделия и устройство для его осуществления» (авторское свидетельство СССР №1764335, МПК C23C 14/32, 1994 г.). По этому способу с помощью ваккумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы и ускоряют ионы. В отличие от предыдущего способа в каждом импульсе генерации плазмы из нее ускоряют ионы и проводят облучение образца плазмой и ионами как одновременно, так и последовательно (сразу после окончания ионного облучения). Соотношение доз ионного и плазменного облучения регулирует соотношение длительностей импульсов генераций плазмы и ускорения ионов.
Данный способ имеет невысокую эффективность имплантации ионов в поверхность обрабатываемой детали, поскольку длина свободного пробега ионов, а следовательно, и их энергия недостаточно велики. Кроме того, при дуговом распылении имплантируемого вещества неизбежно образование микрокапельной фракции, которая ухудшает качество поверхности обрабатываемой детали.
Известен «Способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия и устройство для его осуществления» (патент РФ №2113538, МПК 6 C23C 14/32, C23C 14/48, C23C 14/56, 1998 г.). Способ предусматривает поочередную обработку изделий плазмой дугового разряда и импульсами ионов, ускоряемых из этой плазмы. Генерацию плазмы осуществляют непрерывно. Соотношение доз облучения ускоренными ионами и плазмой регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряемого напряжения изменения расстояния от источника ионов и плазмы до изделия.
В данном способе из-за непрерывности генерации плазмы дуговым разрядом на поверхности обрабатываемых деталей возможно появление распыляемого вещества катода в капельной форме, характерное для этой формы развития разряда. Кроме того, наличие интервала времени, в промежутке которого на поверхность деталей воздействует плазма, уменьшает эффективность имплантации ионов.
В качестве прототипа выбран «Способ и устройство для обработки поверхности заготовки путем обеспечения столкновения ионов с подвергающейся имплантации поверхностью заготовки» (заявка на изобретение РФ №98100674, МПК C23C 14/48, 1999 г.), который содержит следующие операции: подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, ионизацию ионизируемого вещества для формирования ионной плазмы вблизи подвергающихся имплантации поверхностей одной или более заготовок и ускорение ионов в плазме при помощи электрического поля.
К недостаткам указанного способа следует отнести низкую степень ионизации, которая снижает эффективность имплантации и не обеспечивает высокого качества поверхностей режущего инструмента и деталей машин.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение рабочих свойств поверхностей режущего инструмента и деталей машин, повышение их износостойкости.
Технический результат достигается тем, что в способе импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия, включающем операции: помещение металлических изделий в вакуумную камеру, подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, ионизацию ионизируемого вещества для формирования ионной плазмы вблизи подвергающихся имплантации поверхностей металлических изделий и ускорение ионов из плазмы при помощи электрического поля, дополнительно перед операцией имплантации поверхность металлического изделия очищают от загрязнений путем бомбардировки ионами и электронами, затем поочередно и многократно осуществляют генерацию плазмы и ускорение ионов из плазмы имплантируемого вещества.
Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия реализуется следующим образом. В заземленную металлическую вакуумную камеру помещают металлические изделия. Осуществляют откачку газовой среды до глубокого вакуума. С целью удаления загрязнений, производят очистку поверхности металлических изделий путем бомбардировки ионами и электронами с низкой энергией (менее 1 кэВ) для подготовки поверхности металлических изделий к имплантации. Осуществляют подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, а затем поочередно и многократно осуществляют генерацию плазмы до степени ионизации, близкой к единице, и ускорение ионов из плазмы имплантируемого вещества при помощи воздействия импульсного электрического поля, что позволяет использовать один и тот же объем вакуумной камеры для генерации и ускорения ионов.
Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия реализован в устройстве, содержащем заземленную металлическую вакуумную камеру с закрепленными в ней внешним электродом и опорным электродом, которые подключены через вакуумные проходные изоляторы к источнику напряжения, подключенному через блок управления к первому коммутатору, соединенному с первым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к средней точке вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, и ко второму коммутатору, соединенному со вторым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора.
Предлагаемое устройство схематически изображено на чертеже.
Устройство содержит заземленную металлическую вакуумную камеру 1, внешний электрод 2, опорный электрод 3 для крепления обрабатываемых металлических изделий, высоковольтные вакуумные проходные изоляторы 4, высоковольтный импульсный трансформатор 5 со средней точкой в обмотке высокого напряжения, первый емкостный накопитель 6, подключенный к средней точке высоковольтной обмотки импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель 7, первый коммутатор 8, осуществляющий коммутацию первого емкостного накопителя 6, второй коммутатор 9, осуществляющий коммутацию второго емкостного накопителя 7, блок управления 10 коммутаторами, 11 - обрабатываемые металлические изделия.
Устройство работает следующим образом
Обрабатываемые металлические изделия 11 помещают в заземленную металлическую вакуумную камеру 1 на опорный электрод 3. Заземленную металлическую вакуумную камеру 1 откачивают до давления менее чем 10-3 Па. С целью удаления загрязнений, производят очистку поверхности металлических изделий. При этом в заземленную металлическую вакуумную камеру 1 подается рабочий газ, а на внешний электрод 2 и опорный электрод 3 подается переменное напряжение от внешнего источника (на чертеже не показан). Величина переменного напряжения должна быть не менее 300 В для обеспечения зажигания тлеющего разряда между внешним электродом 2 и опорным электродом 3. Образовавшиеся в тлеющем разряде электроны и ионы с низкой энергией (менее 1 кэВ) бомбардируют поверхность металлических изделий, очищая ее от загрязнений. Далее в вакуумную камеру 1 подается имплантируемое вещество. Затем поочередно и многократно выполняют две операции: возбуждают газовый разряд с эффектом полого катода и ускоряют ионы из плазмы имплантируемого вещества. Для этого между внешним электродом 2 и опорным электродом 3 от блока управления 10 подается управляющий сигнал на первый коммутатор 8, который осуществляет подачу отрицательного напряжения относительно заземленной металлической вакуумной камеры 1 через среднюю точку высоковольтной обмотки импульсного трансформатора 5 величиной не менее 300 В. Длительность подачи напряжения должна быть такой, чтобы обеспечить генерацию плазмы со степенью ионизации плазмы, близкой к единице. Затем от блока управления 10 подается управляющий сигнал на второй коммутатор 9, который осуществляет подачу напряжения на первичную обмотку импульсного трансформатора 5. При этом на выводах вторичной обмотки импульсного трансформатора 5 возникает разность потенциалов более 1 кВ, которая прикладывается к внешнему электроду 2 и опорному электроду 3. Полярность напряжения устанавливается так, что внешний электрод 2 становится анодом, а опорный электрод 3 - катодом. При этом в плазме имплантируемого вещества наблюдается разделение зарядов. Отрицательные электроны смещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. Положительные ионы, ускоряясь в прикатодной области, приобретают энергию, пропорциональную напряжению, возникающему на выводах вторичной обмотки импульсного трансформатора 5, и имплантируются в поверхность обрабатываемых металлических изделий с энергией более 1 кэВ.
Производили обработку поверхности режущих инструментов из стали 38 ХМЮА путем имплантации ионов азота с энергией ионов в диапазоне 50-100 кэВ и дозой 1016-1018 ион/см2 при давлении от 1 до 10 Па в течение 5-7 минут. Анализ износостойкости показал ее увеличение до 4 раз по сравнению с исходными образцами.
Таким образом, применение заявляемого способа и устройства позволяет улучшить рабочие свойства поверхностей режущего инструмента и деталей машин, повысить их износостойкость.
1. Способ импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия, включающий в себя следующие операции: помещение металлических изделий в вакуумную камеру, подачу ионизируемого вещества внутрь камеры, ионизацию ионизируемого вещества для формирования ионной плазмы вблизи подвергающихся имплантации поверхностей металлических изделий и ускорение ионов в плазме при помощи электрического поля, отличающийся тем, что перед операцией имплантации поверхность металлического изделия очищают от загрязнений путем бомбардировки ионами и электронами, затем поочередно и многократно осуществляют генерацию плазмы и ускорение ионов из плазмы имплантируемого вещества.
2. Устройство импульсно-периодической ионной обработки металлического изделия, отличающееся тем, что оно содержит заземленную металлическую вакуумную камеру с закрепленными в ней внешним электродом и опорным электродом, которые подключены через вакуумные проходные изоляторы к источнику напряжения, подключенному через блок управления к первому коммутатору, соединенному с первым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к средней точке вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, и ко второму коммутатору, соединенному со вторым высоковольтным емкостным накопителем, подключенным к первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора.
