УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
COMPLEX ION-PLASMA PROCESSING UNIT

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть использовано, в частности, для обработки длинномерного инструмента (протяжки и др.).
Из уровня техники известна установка для нанесения покрытий методом электродугового испарения, содержащая вакуумную камеру, являющуюся анодом с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, внутри которой расположен держатель изделий с изолированным токоподводом, и снабжена источниками питания по числу катодов электродуговых испарителей. Особенностью установки является то, что между одним из катодов и держателем установлен оптически непрозрачный поворотный экран, и установка содержит систему электрических ключей, позволяющую использовать обрабатываемые изделия в качестве анода двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР), а один из катодов как в качестве анода ДВДР, так и в качестве катода ВДР. Эта установка позволяет проводить комплексную ионно-плазменную обработку изделий, включающую электронный нагрев, химико-термическую обработку поверхности и нанесение покрытия (Патент РФ №2022056, С23С 14/32, 1991 г.).
Недостатком данного устройства является невозможность качественной обработки длинномерных изделий, например длинномерного инструмента.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки, содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней длинномерными электродами-планарами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий, по крайней мере, одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, причем между катодами электродуговых испарителей и держателем изделий расположены оптически непрозрачные поворотные экраны по числу электродуговых испарителей, а дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры (Патент РФ №84019, С23С 13/24, 2008 г.).
Конструктивные особенности известной установки заключаются в том, что длинномерные электроды-планары электродуговых испарителей выполнены с возможностью индивидуального переключения полярности с анода на катод и обратно, обеспечивающего превышение общей площади анодов над общей площадью катодов не менее чем в два раза, причем суммарная площадь рабочей поверхности электродов-планаров составляет 20%-90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры.
Недостатком данной установки является неравномерность и сложность прогрева большой массы обрабатываемых изделий электронами положительного столба плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Это объясняется характером вольтамперной характеристики ДВДР - ее крутым подъемом к оси напряжений. Даже небольшое приращение разрядного напряжения приводит к значительному росту разрядного тока. Повышать мощность разряда за счет увеличения тока нецелесообразно, поскольку с увеличением тока ДВДР пропорционально возрастает эрозия катода. Кроме того, повышение тока ДВДР приводит к росту магнитного поля, образуемого вокруг обрабатываемого изделия при протекании по нему разрядного тока. Даже небольшого по величине магнитного поля достаточно, чтобы изменить траекторию электронного потока, энергия которого в положительном столбе плазмы ДВДР составляет всего несколько электрон-вольт, направив его (электронный поток) в сторону, обратную токоподводу. Это приводит к неравномерности прогрева обрабатываемых изделий. В известной установке неравномерность прогрева при электронной бомбардировке компенсируется ионной бомбардировкой изделий. Однако при прогреве длинномерного инструмента бомбардировка его ионами исключена, поскольку во время ионной бомбардировки происходит активное распыление его рабочих кромок.
Прогрев обрабатываемых изделий является неотъемлемой частью процессов химико-термической обработки и нанесения покрытий. В заявляемой установке прогрев изделий осуществляется ускоренными до нескольких десятков или нескольких сотен вольт электронами. Прогрев изделия и его химико-термическая обработка ускоренными электронами не вызывают нарушения класса чистоты поверхности изделия, чем выгодно отличаются от аналогичных методов, проводимых при обработке изделий бомбардировкой ускоренными ионами. Ускорение электронов производится в сжатом вакуумно-дуговом разряде (СВДР) с холодным катодом в среде рабочего газа при его парциальном давлении 0,01-1 Па. Катод вакуумно-дугового разряда заключен в эмиссионной камере, сообщающейся с вакуумной камерой через перфорированную перегородку с отверстиями перфорации небольшого размера. Анод СВДР находится в вакуумной камере. В зоне отверстий перфорации с небольшим сечением сопротивление плазмы положительного столба разряда возрастает, что приводит к росту падения напряжения со стороны катода. В этом падении напряжения происходит ускорение электронов. Ускоренные электроны, проникая сквозь отверстия в вакуумную камеру, бомбардируют поверхность изделий, являющихся анодом СВДР, поскольку расположены на держателе изделий, и прогревают поверхность. Существенной особенностью СВДР является его вольт-амперная характеристика, слабо наклоненная к оси напряжений. При напряжении на разряде свыше 60-80 В происходит насыщение тока разряда, т.е. увеличение напряжения на разряде не приводит к росту тока. Мощность разряда возрастает только за счет роста напряжения разряда. Этим СВДР отличается от ДВДР, в котором мощность разряда растет преимущественно за счет роста тока разряда. Поскольку энергия электронного потока в СВДР в десятки и сотни раз превосходит энергию электронов в ДВДР, то изменения траектории электронного потока в слабых магнитных полях, инициированных током, протекающим по изделию, не происходит. Как правило, сила тока СВДР выбирается из условия стабильности дугового разряда. Равномерность прогрева длинномерных изделий обеспечивается за счет применения катода эмиттера электронов в виде длинномерного линейного электродугового источника металлической плазмы и расположения отверстий на различных вертикальных уровнях перегородки. При направленном движении катодного пятна вдоль продольной оси катода ускоренные электронные потоки сканируют вдоль оси изделия, равномерно прогревая их.
Режим, когда анодом СВДР является, по крайней мере, один из катодов источников металлической плазмы, используется для поддержания температуры изделий на заданном уровне при проведении процесса химико-термической обработки. (Производится периодическая смена анодов в зависимости от изменения температуры изделий).
Количество и размер отверстий перегородки выполнены с возможностью обеспечения регламентированных технологических режимов химико-термической обработки.
Таким образом, в основу заявленного изобретения была положена задача обеспечения равномерного прогрева длинномерных изделий посредством бомбардировки изделий ускоренным электронным потоком.
Поставленная задача решается тем, что в установке для ионно-плазменной обработки длинномерных изделий, содержащей вакуумную камеру, электродуговой источник плазмы в виде расположенного в вакуумной камере, по меньшей мере, одного длинномерного электрода, держатель изделий с изолированным токоподводом, эмиттер электронов, выполненный в виде эмиссионной камеры, внутри которой установлен длинномерный линейный катод эмиттера электронов, сообщающейся с вакуумной камерой через перфорированную перегородку, отверстия которой расположены вдоль продольной оси упомянутого линейного катода, источник питания вакуумно-дугового разряда выполнен с возможностью подключения отрицательного полюса к упомянутому линейному катоду или электроду, а положительного - к эмиссионной камере или вакуумной камере, источник питания эмиттера электронов выполнен с возможностью подключения отрицательного полюса к эмиссионной камере, а положительного - к держателю изделий или к электроду.
Оптимально количество и размер отверстий перегородки выполнять с возможностью обеспечения регламентированных технологических режимов химико-термической обработки.
Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки длинномерных изделий поясняется графическими материалами,
где на фиг.1 изображена конструктивная схема установки (вид в плане),
на фиг.2 приведен поперечный разрез установки по фиг.1.
Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки длинномерных изделий содержит вакуумную камеру 1. На ее боковой поверхности расположен, по-меньшей мере, один длинномерный катод 2 электродугового источника металлической плазмы, предназначенный для нанесения покрытия на изделия. Анодом источника плазмы является вакуумная камера 1. Электропитание источника металлической плазмы производится от источника 3 питания постоянного тока. Подключение источника 3 питания осуществляется переключателем 4. Установка также содержит источник 5 нагрева, который функционально является эмиттером электронов. Источник 5 нагрева выполнен в виде эмиссионной камеры 6, внутри которой установлен линейный длинномерный катод 7 эмиттера электронов, функционально являющийся источником металлической плазмы. Эмиссионная камера 6 отделена от вакуумной камеры 1 перегородкой 8 с перфорацией, отверстия 9 которой выполнены с различным шагом по высоте перегородки (число отверстий и расстояния между ними являются технологическим параметром, зависящим от параметров проведения рабочего процесса (давление, ток разряда, вид обрабатываемых изделий и др.). Анодом источника нагрева функционально являются стенки эмиссионной камеры 6. Электропитание источника 5 нагрева производится от источника 3 постоянного тока, подключаемого к электродам ключом-переключателем 4. Аноды источника нагрева изделий размещены в вакуумной камере 1. Ими являются держатель 12 изделий и катод 2 источника плазмы. Электропитание анодов источника нагрева изделий производится от источника 10. Коммутация анодов производится переключателем 11. Ключ 13 подключает источник 10 к катоду 7 эмиттера электронов при проведении процесса ионного ассистирования.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Процесс комплексной поверхностной обработки длинномерного изделия включает в себя проведение нескольких технологических операций, таких как предварительный прогрев изделия до температуры 450-550°С, азотирование в газовой азотной плазме, нанесение покрытия. Прогрев изделия производится ускоренными электронами. Установка откачивается до давления ~0,001 Па системой высоковакуумной откачки (не показана), а затем производится напуск в вакуумную камеру 1 инертного газа (аргона) до давления, составляющего 0,1-1 Па. Для возбуждения СВДР включаются источники питания 3 и 10, переключатель 4 переводится в правое положение, а переключатель 11 переводится в среднее положение, при этом между катодом 7 эмиттера электронов и внутренними стенками эмиссионной камеры 6 возбуждается дуговой разряд. Под воздействием электрического поля анода источника нагрева, функционально которым является держатель 12 изделий вместе с обрабатываемыми изделиями, электроны газометаллической плазмы, генерируемой катодом 7 эмиттера электронов, проникают сквозь отверстия 9 перфорации в перегородке 8 и ионизируют рабочий газ в вакуумной камере 1, создавая в ней газовую плазму. Поскольку сечение отверстий 9 невелико, то сопротивление плазмы в зоне отверстий существенно возрастает. Это приводит к пропорциональному росту падения напряжения в указанной зоне. В зависимости от величины рабочего давления, размеров и числа отверстий падение напряжения может достигать нескольких десятков и сотен вольт. Электроны под действием разности потенциала ускоряются до энергии, практически равной напряжению источника 10 ускорителя электронов. Сильноточный электронный поток ускоренных электронов бомбардирует поверхность изделий, прогревая их. Поскольку воздействию нагрева подвержены только изделия, то
а) процесс нагрева безынерционный;
б) коэффициент использования подводимой мощности достаточно велик (~70%).
Так как в состав источник нагрева 5 включен линейный электродуговой источник металлической плазмы (катод 7) с управляемым движением катодного пятна, (направленность движения катодного пятна вдоль длинномерного катода 7 эмиттера электронов осуществляется переключением токоподводов катода к отрицательному полюсу источника 3 питания), то обеспечивается равномерность прогрева обрабатываемых изделий по всей длине. Потоки электронов сканируют по всей длине изделия, следуя за движением катодного пятна.
После достижения температуры начала процесса азотирования (~400°С) в вакуумную камеру прекращают подачу аргона и производится напуск азота. Регулирование температуры прогрева обрабатываемых изделий производится переключением переключателя 11 в левое положение. При этом изделия (держатель 12 изделий) отключаются от положительного полюса источника 10 питания, а анодом становится катод 2 источника металлической плазмы. При таком способе регулирования температуры интенсивность плазмы не меняется, а следовательно, не меняется интенсивность процесса химико-термической обработки. После проведения процесса азотирования осуществляется очистка поверхности изделий ионами инертного газа (аргона). Поскольку прогрев и химико-термическая обработка изделий осуществляются посредством электронной бомбардировки, то нарушения исходного класса чистоты изделия не происходит. Благодаря этому процесс химико-термической обработки и последующее нанесение покрытия возможно в едином технологическом цикле.
Процесс нанесения покрытия, который следует после процесса химико-термической обработки, осуществляется переключением переключателя 4 в левое положение. При этом включается в работу источник плазмы для нанесения покрытия (катод 2).
В установке имеется возможность проводить в процессе нанесения покрытия интенсивную обработку поверхности изделия ускоренными ионами рабочего газа (так называемое ионное ассистирование). Этот процесс увеличивает реакционную способность рабочего газа и также влияет на структуру образующего покрытия. При нанесении покрытия включается ключ 13, и положительное напряжение от источника 10 питания подается на катод 7 эмиттера электронов, а переключатель 11 переводится в правое положение.
Под воздействием электрического поля электрода 7 (он является в этом случае анодом СВДР) в зоне отверстия 9 перфорации со стороны вакуумной камеры 1 создается падение напряжения, в котором электроны плазмы рабочего газа движутся в сторону анода (т.е. электрода 7), а ионы газа в противоположную сторону, то есть в направлении обрабатываемого изделия.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, не известной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть использован, в частности, для обработки длинномерного инструмента (протяжки и др.);
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.