УСТАНОВКА ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к области оборудования для модификации поверхности материалов ионными пучками и может быть использована в инструментальной промышленности, машиностроении, при производстве конструкционных материалов.
Известна конструкция установки ИМП-60/2 для ионной имплантации ионами газов, содержащая вакуумную камеру с системой ее откачки, высоковольтный источник ионов, систему регулируемой подачи газа в высоковольтный источник ионов (см. Борисов A.M. и др. Особенности ионной имплантации с использованием вакуумно-дугового ионного источника. // Прикладная физик. - 2004. - №1. - С.89-96).
Недостатком данной конструкции установки является отсутствие возможности программируемого изменения состава газов и времени его подачи при имплантации металлических материалов.
Наиболее близкой к заявляемой, установки„ является установка для ионно-плазменного нагрева типа «Булат» (см. Материаловедение: учебник для вузов. / О.В.Травин, Н.Т.Травина. - М.: Металлургия, 1989. - стр.201, рис.99). Установка состоит из вакуумной камеры, дугового испарителя, источника питания, системы подачи легирующего элемента (газа) и баллонов с газами. При нанесении металлического покрытия из испаряемого металла изготавливают катод, в случае азотирования или цементации в камер подают смесь соответствующих газов.
Существенным недостатком прототипа является то, что в случае азотирования или имплантирования любого газа конструкция установки не позволяет изменять длительность подачи газа, резко менять состав газовой атмосферы или осуществлять поочередную имплантацию двух различных газов (или их смесей).
Заявляемая конструкция установки для ионно-плазменной обработки направлена на расширение, технологических, возможностей установки за счет обеспечения возможности регулирования времени подачи каждого из имплантируемых газов и их расхода.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемая полезная модель, достигается тем, что установка дополнительно укомплектована блоком регулировки времени и расхода подачи имплантируемого газа, который подключен к магистрали подачи газа между баллонами с газом и вакуумной камерой, и выполнен на основе регулятора подачи газа, состоящим из полого корпуса с выпускным штуцером в центральной части,, двух стаканов с резьбой на их внутренней поверхности, в донной части каждого из которых установлен впускной штуцер, а на боковых поверхностях каждого из стаканов размещены электромагнитные катушки, имеющие возможность подключения в источнику питания.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
- на фиг.1 изображена схема заявляемой установки для ионно-плазменной обработки;
- на фиг.2 - показан внешний вид блока регулирования времени и расхода подачи имплантируемого газа;
- на фиг.3 - показан внешний вид регулятора подачи газа;
- на фиг.4 - представлен осевой разрез регулятора подачи газа.
Заявляемая установка для ионно-плазменной обработки (фиг.1) содержик впускной клапан 1, установленный на входной магистрали установки, которая подключена к вакуумной камере 5. В вакуумной камере 5 расположен катод 3, подключенный к низковольтному источнику питания 2 и обрабатываемое изделие 4. Для ускорения имплантируемых ионов к стенке камеры 5 и изделию 4 подключен высоковольтный источник питания б.
Имплантируемые газы во входную магистраль подаются от баллонов 9 и 11, на которых установлены маномеры 8 и 10 для снижения давления в баллонах до рабочего значения. Баллоны 9 и 11 подключены к входным штуцерам блока 7 (фиг.2) регулировки времени и расхода подачи имплантируемого газа. Выходным штуцером блок 7 подключен к входной магистрали до клапана 1.
Блок 7 выполнен в ч виде отдельного модуля на панели которого размещены органы управления временем и расходом подачи имплантируемого газа (фиг.2). Основным элементом блока 7 является регулятор подачи газа (фиг.3).
Сущность регулятора подачи газа, поясняется чертежом (фиг.4), на котором представлен регулятор подачи газов, осевой разрез.
Регулятор подачи жидкостей и газов состоит из имеющих возможность соединения с источником питания 12 электромагнитных катушек 13, размещенных на боковых поверхностях стаканов 14, имеющих резьбу 15 на внутренних поверхностях отверстие 16 в донной части.
Стаканы 14 установлены на концах полого корпуса 17 с выпускным штуцером 18 в его центральной части.
Внутри корпуса 17 с возможностью осевого перемещения размещен клапан-сердечник 19, в центральной, части которого выполнена кольцевая проточна 20, с двух сторон относительно проточки имеются цилиндрические участки 21, а торцы 22 выполнены конической формы. На цилиндрических поверхностях 21 имеются продольные канавки (пазы) 23, обеспечивающие одновременное и полное заполнение проточки 20 клапана-сердечника 19 газами или жидкостями. Проточка 20 соединена с выпускным штуцером 18.
Внутренние поверхности стаканов 14 и торцы корпуса 17 образуют две камеры, в каждой из которых установлен элемент 24 регулирования хода клапана-сердечника 19, выполненный в виде кольца из немагнитного материала с резьбой на образующей и осевым отверстием 25 с конической проточкой (фаской) 26 вокруг отверстия.
Кольца 24 имеют возможность настроечного перемещения по резьбе 15 стаканов.
Кольца 24 выполнены из материала, модуль упругости которого больше, нежели у материала, из которого выполнен клапан-сердечник. Это улучшает работу устройства (регулятора).
Для исключения заклинивания (залипания) при контакте конических поверхностей 22 клапана-сердечника 19 с проточками 26 колец 24 необходимо, чтобы конические поверхности 22 имели угол в интервале от 90 до 150°, а размер проточки составлял 2,0-3,5 мм.
Суммарная площадь поперечного сечения продольных канавок, выполненных на каждой стороне цилиндрической поверхности от проточки клапана-сердечника, должна быть меньше площади поперечного сечения соответствующего впускного штуцера.
В отверстиях 16 стаканов 14 установлены впускные штуцеры 27.
1
2
Регулятор подачи жидкостей и газов работает следующим образом. Работу регулятора рассмотрим на примере смешивания двух газов Г и Г. Перед началом работы обеспечивают установку колец 24 в заданное положение перемещением их по резьбе стакана 14.
1
2
1
2
Газы Г и Г под давлением подают через штуцеры 27 в полость, образованную донной частью стакана и торцом кольца 24, стаканов 14 или одну из камер (камеры) в зависимости от поставленной задачи и установки регулирующих элементов 24. Порядком включения катушек 13 устанавливают необходимый закон, перемещения клапана-сердечника 19 для подачи газов. В крайнем положении клапан-сердечник 8 перекрывает одно из отверстий 25 кольца 24, а следовательно, и подвод через штуцера 27 газа Г или Г. Чем больше открывается отверстие 25 кольца 24 при движении сердечника 19, больше поток поступления одного из газов, тем больше перекрывается поток другого газа.
Изменяя частоту импульсов тока в обмотках катушек 13 и регулируя положение каждого из колец, осуществляют надежное управление составом смеси или подачей порционного количества того или иного газа.
На надежность управления составом смеси оказывает существенное влияние величина угла конусной части клапана-сердечника (угол конусной части должен быть 90-150°) и материал колец, более высокий модуль упругости которого по сравнению с модулем упругости материала клапана-сердечника предотвращает залипание последнего при контакте с проточкой 26 отверстия 25 кольца 24.
Конструкция регулятора позволяет обеспечить импульсную попеременную подачу газов на частотах от 5 до 20 Гц и может быть использована в различных системах, где необходимо создавать газовую среду со строго регулируемым составом, например, при ионной имплантации. Так при имплантации высокопрочных сталей в газовых смесях (аргон+азот) (аргон+гелий) повышается глубина проникновения ионов.
Таким образом, заявляемая установка обеспечивает повышение глубины имплантированного слоя за счет регулирования длительности подачи каждого из газа, их расхода и последовательности подачи в установку.