УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СПЛАВОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области модификации поверхностных слоев материалов и может быть использована для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, антифрикционных свойств и др.) с конечной целью повышения эксплуатационных характеристик различных изделий, например, высоковольтных вакуумных выключателей, металлических зубных протезов и имплантатов, пар трения.
Известен способ формирования поверхностных сплавов, осуществляемый в едином вакуумном цикле, с использованием импульсного сильноточного электронного пучка [1]. В данном способе напыление осуществляется самим пучком при испарении сетчатой или проволочной «прострельной» мишени, располагаемой на пути пучка в области его максимальной плотности энергии. Изделие при этом располагается далее по ходу пучка (за мишенью) в области меньшей плотности энергии, достаточной, однако, для плавления поверхностного слоя подложки и/или наносимого покрытия. Такой способ характеризуется значительной абляцией мишени, неравномерностью покрытия за счет нанесения крупных капель, а также низкой эффективностью использования материала мишени, так как доля испаренного материала, попадающего на изделие очень низка (доли-единицы процентов). Более эффективным с точки зрения качества покрытия представляется раздельное нанесение покрытия и его вплавление пучком.
Известны различные устройства для нанесения покрытий ионно-плазменным методом, например, на основе вакуумного дугового разряда [2] или магнетронного разряда [3]. Одной из важнейших проблем здесь часто является недостаточное сцепление покрытия с изделием (адгезия) покрытия, обусловленная, прежде всего, различием физико-химических свойств материала изделия и материала покрытия. Лучшая адгезия покрытия может быть достигнута путем его последующего вплавления импульсным пучком, например, электронным. Путем вплавления предварительно нанесенного покрытия можно не только улучшить его адгезию, но и сформировать поверхностный сплав, свойства которого отличаются как от свойств материала изделия, так и от свойств материала покрытия.
Для реализации процесса вплавления можно использовать любые источники концентрированного потока энергии, например, электронные, ионные и лазерные пушки, генерирующие интенсивные импульсные пучки, способные расплавить поверхностный слой облучаемого материала. В частности, можно использовать электронную пушку, известную по способу [4], содержащую взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод отражательного разряда типа Пеннинга для формирования плазменного анода, коллектор и металлический корпус, электрически соединенный с коллектором и играющий роль обратного токопровода. Использование плазменного анода существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном промежутке той же протяженности, что обеспечивает получение сильноточных (до 30 кА) электронных пучков с плотностью энергии достаточной для плавления поверхностного слоя толщиной до нескольких микрон даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ).
Помещая обрабатываемую деталь или образец поочередно в рабочую камеру устройства для нанесения покрытий и в рабочую камеру электронно-пучковой установки можно создавать поверхностные сплавы путем электронно-пучкового жидкофазного миксинга нанесенных покрытий с подложкой и между собой [5].
Недостатком такого метода является необходимость переноса обрабатываемого изделия из одного устройства в другое, что снижает качество формируемого поверхностного сплава вследствие контакта поверхности с атмосферным воздухом, снижает производительность труда вследствие увеличения затрат времени на откачку рабочих камер, а также затрат на их изготовление.
Задача, решаемая в заявляемой полезной модели - повышение качества поверхностных сплавов и увеличение производительности труда.
Техническим результатом заявляемой полезной модели отсутствие контакта обрабатываемого изделия с атмосферным воздухом в промежутках между нанесением покрытия и его вплавлением, а также снижение затрат времени на откачку рабочих камер и их изготовлением.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования поверхностных сплавов на изделиях, включающем импульсную электронную пушку и одно или более устройств для нанесения покрытий ионно-плазменным способом на обрабатываемые изделия, согласно полезной модели, электронная пушка и устройства для нанесения покрытий смонтированы на общей вакуумной камере, снабженной манипулятором, перемещающим обрабатываемые изделия от электронной пушки к устройствам для нанесения покрытий и обратно.
Данное устройство позволяет осуществлять предварительную очистку поверхности, нанесение покрытий и их сплавление с подложкой и между собой в едином вакуумном цикле. При установке нескольких устройств для нанесения покрытий возможно создание покрытий и поверхностных сплавов сложного состава.
На Фиг.1 приведена принципиальная конструктивная схема реализованной установки. Устройство 1 для нанесения покрытий на основе вакуумной дуги или магнетронного разряда и импульсная электронная пушка 2 смонтированы на рабочей вакуумной камере 3 на одной линии и их выходные апертуры обращены в сторону подвижного рабочего стола 4, на котором располагается обрабатываемая деталь 5. Малоиндуктивный сильноточный электрический контакт рабочего стола 4 с камерой обеспечивается четырьмя медными стержнями 6, перемещаемыми перпендикулярно столу механически или пневматически. Стол приводится в движение с помощью шестерни 7, жестко закрепленной на валу, вращаемого с помощью электродвигателя через вакуумное уплотнение манжетного типа. Рабочий стол 4 с его направляющими рельсами и приводом составляют манипулятор.
Формирование поверхностных сплавов на изделиях в заявляемом устройстве производится следующим образом. В рабочей камере 3 создается вакуум, а затем в нее напускается рабочий газ (обычно аргон) до необходимого давления. Обрабатываемая деталь 5 подается в зону обработки электронным пучком электронной пушкой 2, медные стержни 6 прижимаются к рабочему столу 4. Включается импульсная электронная пушка 2, и происходит предварительная очистка поверхности детали 5. Затем электронная пушка 2 выключается, медные стержни 6 отжимаются, освобождая рабочий стол 4 для перемещения детали 5 в область нанесения покрытия устройством 1. После остановки стола в зоне нанесения покрытия устройством 1, которое включается и на поверхность детали наносится покрытие заданной толщины. Устройство 1 выключается, деталь 5 возвращается в зону действия электронной пушки 2, медные стержни снова прижимаются к столу 4. Электронная пушка 2 включается, под действием пучка, формируемого в ней, осуществляется сплавление покрытия с деталью 5, т.е. формирование поверхностного сплава на ней. Процессы напыления и вплавления могут циклически повторяться. При необходимости создания поверхностных сплавов сложного состава на рабочей камере 3 могут быть установлены дополнительные устройства для нанесения покрытий.
Таким образом, данное устройство полностью устраняет контакт обрабатываемого изделия с атмосферным воздухом в промежутках между нанесением покрытия и его вплавлением, а также снижение затрат времени на откачку рабочих камер и их изготовление, что повышает качество поверхностных сплавов и увеличивает производительность труда.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на полезную модель:
1. Д.С.Назаров, Г.Е.Озур, Д.И.Проскуровский, В.П.Ротштейн, В.А.Шулов. Способ формирования поверхностных сплавов. - Патент РФ (19) RU (11) 2111281 С1. Заявл. 10.01.97. БИ №14, 1998, с.138.
2. J.Berthold, Т.Witke, P.Siemroth, Vacuum arc evaporator, US 6361663, DE 19924094, США, Германия, С23С 14/32.
3. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1: Введение в физику и технику магнетронного распыления. Киев, Аверс, 2008, 244 с.
4. Озур Г.Е., Окс Е.М., Проскуровский Д.И. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки // Патент РФ (19) RU (11) 1706329 H01J 3/02. Заявл. 09.01.89. - БИ №10. - 1994. - С.203.
5. A.V.Batrakov, А.В.Markov, G.E.Ozur, D.I.Proskurovsky, V.P.Rotshtein. Surface alloying of metallic substrates with pre-deposited films through a pulsed electron-beam mixing, The European Physical Journal Applied Physics, volume 43, issue 3, 2008, pp. 283-288.