УСТАНОВКА ДЛЯ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ В ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
INSTALLATION FOR ION NITRIDATION IN GLOW DISCHARGE PLASMA

Изобретение относится к области оборудования для модификации поверхности деталей в низкотемпературной газоразрядной плазме, и может быть использовано в ионно-плазменных процессах очистки, активации и легирования поверхности деталей.
Известна установка для проведения ионно-плазменной обработки (патент РФ № 70893, кл. C23C 14/56, опубл. 20.02.2008), состоящая из вакуумной камеры с устройством напуска азота, горячего эмиссионного катода с источником питания, заслонки с поворотными шторками, основного анода с источником питания и источника питания, подающего отрицательное напряжение на обрабатываемую деталь, при этом внутри вакуумной камеры с устройством напуска азота дополнительно вмонтированы пирометр и нагревательный элемент, при этом пирометр последовательно связан электрической цепью с преобразователем, на выходе последний соединен с входом регулятора нагрева детали, а выход регулятора нагрева детали связан с входом источника питания, который затем соединен с нагревательным элементом, расположенным внутри камеры с устройством напуска азота, а анод основного разряда соединен с положительным полюсом источника питания и параллельно с прибором контроля величины тока анода основного разряда, выход последнего соединен с входом блока управления током анода основного разряда, выход которого соединен с исполнительным механизмом, обеспечивающим вертикальное перемещение заслонки с поворотными шторками и поворот ее шторок, также в качестве прибора контроля установлен амперметр.
Недостатком аналога является сложность конструкции из-за наличия дополнительных вводов, которые являются источниками дополнительного натекания атмосферы в рабочее пространство камеры, наличие дополнительного источника нагрева обрабатываемых деталей в рабочем пространстве камеры, наличие дополнительных источников питания для подачи напряжения на катод, анод, нагревательный элемент и обрабатываемую деталь.
Известно оборудование для ионного азотирования/нитроцементации, состоящее из двух печных камер с общим ресурсом, способное непрерывно проводить обработку в тлеющем разряде между двумя камерами (WO №2017122044A1, МПК C23C16/34, H01J37/32, 20.07.2017), включающая две технологические камеры, которые могут совместно использовать общие ресурсы для подачи газа, генерации плазмы и вакуумной системы, а также аппаратные и программные конфигурации, позволяющие осуществлять непрерывную обработку в тлеющем разряде между двумя камерами. Каждая камера имеет два режима работы; один связан с нагревом заготовок до температуры, необходимой для азотирования/нитроцементации, который осуществляется путем конвективного нагрева в контролируемой атмосфере при избыточном давлении с принудительной циркуляцией. Другой относится к обработке в тлеющем разряде, осуществляемой в контролируемой атмосфере с подачей газа, контролем температуры и вакуума, что в сочетании с приложенным внешним электрическим полем создает тлеющий разряд между заготовкой (катодом) и стенкой печи (анодом). Два производственных заказа могут выполняться одновременно, по одному в каждой камере, так что нагрев в одной камере может быть завершен, в то время как в другой камере выполняется обработка в тлеющем разряде.
Недостатком аналога является общая сложность конструкции и высокие массогабаритные показатели установки.
Известна печь для ионного азотирования (Патент № CN103334078A, кл.C23C8/36, опубл. 02.10.2013), состоящая из корпуса печи, рабочего стола печи, охлаждающего устройства и системы впуска и выпуска, при этом корпус печи и рабочий стол печи соединяются между собой, образуя рабочую камеру печи; внутри рабочей камеры печи установлена катодная пластина; катодная пластина соединена с рабочим столом печи через опоры; катодный инструмент и катодные опоры установлены на катодной пластине; катодная крышка установлена над катодной пластиной, и поддерживается катодными опорами.
Недостатком аналога является общая сложность конструкции и высокие массогабаритные показатели установки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является установка для ионно-плазменной обработки (патент РФ № 187937, кл. C23C 8/36, опубл. 25.03.2019), содержащая камеру с вакуумной системой для откачки воздуха и системой смешения и напуска рабочих газов, генератор плазмы и ускорения ионов и держатель изделия, вместе с тем оно дополнительно содержит плоские электроды, источник постоянного электрического поля для создания электрического смещения на обрабатываемом изделии и резистивный нагреватель обрабатываемого изделия, конструктивно совмещенный с упомянутым держателем, при этом генератор плазмы выполнен в виде высокочастотного 13,6 МГц генератора электрического поля для генерации высокоплотной плазмы, причем плоские электроды подключены к упомянутому генератору, а стенки камеры и обрабатываемое изделие подключены к источнику питания постоянного тока.
Недостатком прототипа является наличие дополнительного источника нагрева обрабатываемых деталей в рабочем пространстве камеры и дополнительного источника питания для резистивного нагревателя, а также высокие массогабаритные показатели.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение технологических возможностей установки за счет увеличения эффективности ионного азотирования в низкотемпературной газоразрядной плазме тлеющего разряда путем использования электромагнитной системы для одновременного генерирования в камере скрещенных электрических и магнитных полей, а также снижение массогабаритных показателей.
Технический результат - увеличение скорости и эффективности ионного азотирования в низкотемпературной газоразрядной плазме.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что установка содержит вакуумную камеру и подключенные к ней форвакуумный насос и блок управления расходом газа, к которому подключены баллоны с газами, электроды для возбуждения тлеющего разряда, установленные в рабочем пространстве камеры, анод и подложка-катод, соединенные с источником питания разряда, в отличие от прототипа содержит электромагнитную систему, установленную под подложкой-катодом, с возможностью одновременного генерирования в камере скрещенных электрических и магнитных полей, обеспечивая формирование тороидальной области вращения электронов, в которой образуется плазма азота повышенной плотности, приводящая к увеличению скорости азотирования деталей.
Сущность заявляемой установки поясняется чертежами:
- на фиг. 1 изображена схема установки для ионного азотирования в плазме тлеющего разряда;
- на фиг. 2 изображена схема установки для ионного азотирования в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрических и магнитных полях.
Заявляемая установка для ионного азотирования в плазме тлеющего разряда (фиг. 1 и 2) содержит:
1. Вакуумная камера.
2. Форвакуумный насос.
3. Блок управления расходом газа.
4. Баллоны с газами.
5. Анод.
6. Подложка-катод.
7. Источник питания разряда.
8. Изоляторы.
9. Обрабатываемые детали.
10. Электромагнитная система.
11. Источник питания электромагнитной системы.
Установка для ионного азотирования в плазме тлеющего разряда работает следующим образом:
В камере 1 располагают детали9 на подложке-катоде6, затем откачивают воздух из камеры до5-15 Па, с использованием форвакуумного насоса 2. После откачки воздуха, камеру продувают аргоном до 1000 Па, затем камеру снова откачивают до 5-15 Па и зажигают тлеющий разряд путем подачи на электроды, анод 5 и подложку-катод 6, разности потенциалов при помощи источника питания разряда7. При напряжении 800-1000 В осуществляется ионная очистка поверхности обрабатываемой детали. После 15 минут обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, включают форвакуумный насос и откачивают аргон из вакуумной камеры. Далее при помощи блока управления расходом газа3 задают необходимое соотношение газов из баллонов 4, напускают в камеру рабочую смесь до рабочего давления, и проводят процесс ионного азотирования в плазме тлеющего разряда. Для проведения ионного азотирования в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрических и магнитных полях, в камере 1 устанавливают электромагнитную систему 10, над которой располагают подложку-катод 6 с обрабатываемыми деталями 9.
Заявляемое изобретение позволяет увеличить скорость и эффективность ионного азотирования в низкотемпературной газоразрядной плазме в 1,5-2 раза за счет образования плазмы азота повышенной плотности в тороидальной области вращения электронов, создаваемая в скрещенных электрических и магнитных полях, что было подтверждено результатами проведенных экспериментов (фиг. 3) над образцами из нержавеющей стали при следующих режимах: Т = 550°С, Р = 50 Па, t = 6 ч. Из графика видно, что после ионного азотирования с магнитным полем (МП), поверхностная твердость и толщина упрочненного слоя увеличились в 1,5-2 раза по сравнению с ионным азотированием без магнитного поля.