СПОСОБ НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ В ПЛАЗМЕ
PROCEDURE FOR HEATING ITEMS IN PLASMA

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии и может быть использовано в различных областях техники для нагрева, плавки и испарения в вакууме различных, в том числе диэлектрических материалов, а также для химико-термической обработки изделий.
Известен способ нагрева изделий в плазме, включающий зажигание тлеющего разряда между вакуумной камерой (анодом) и размещенным внутри камеры и изолированным от нее изделием (катодом) в среде химически активного газа (азота, метана и др.), нагрев изделия ионной бомбардировкой и выдержку изделия в активной газовой плазме при рабочей температуре в течение необходимого времени [Бабат-Захряпин А.А., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. М.: Атомиздат, 1975, с.176].
Недостатком способа является сильная зависимость тока разряда от давления и сорта газа, снижение исходного класса чистоты обработки поверхности изделий в результате растравливания поверхности ионами, а также невозможность обрабатывать изделия из диэлектрических материалов.
Известен способ нагрева изделий в плазме, включающий заполнение плазмой вакуумно-дугового разряда рабочей камеры с установленными внутри нее изделиями и подачу на изделия отрицательного потенциала [Дороднов A.M., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. - Журнал технической физики, 1981, т.51, № 3, с.504-524]. Ток вакуумной дуги, а следовательно, и концентрация плазмы, и ток ионов из плазмы на поверхность обрабатываемых изделий слабо зависят от давления газа в вакуумной камере. При отрицательном потенциале изделия относительно камеры до 1 кВ и выше распыление ионами превалирует над конденсацией металла, происходит ионная очистка поверхности и нагрев изделий до необходимой температуры. Однако при нагреве до рабочей температуры массивных изделий необходимая для этого доза ионного облучения значительно превышает дозу, необходимую для очистки поверхности от загрязнений. В результате происходит растравливание поверхности ионами и снижение класса чистоты ее обработки. При длительном прогреве глубинных слоев массивных изделий также происходит перегрев, отпуск и затупление их острых кромок, например режущих кромок инструмента. Снижение класса чистоты обработки поверхности изделий в результате растравливания, а также перегрев острых кромок и тонких перемычек изделий являются недостатками способа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки изделий, включающий заполнение рабочей вакуумной камеры с установленными внутри нее изделиями газоразрядной плазмой и подачу положительного потенциала поочередно на отдельные изделия и/или группы изделий (Патент РФ №2026414, МПК С23С 14/02, С23С 14/32, год подачи 1992).
В известном способе отдельное обрабатываемое изделие становится анодом газового разряда с потенциалом, превышающим потенциал плазмы на Δφ и препятствующим поступлению на изделие ионов. Разность потенциалов Δφ вытягивает из плазмы и ускоряет электроны. Мощность нагрева изделия бомбардирующими его электронами равна IΔφ, где I - разрядный ток. Так как электроны вообще не распыляют материал, при электронном нагреве сохраняется исходный класс чистоты обработки поверхности и предотвращается затупление острых кромок. Недостатками способа являются приводящая к перегреву острых кромок резкая неоднородность распределения тока электронов по поверхности изделия, а также невозможность обрабатывать изделия из диэлектрических материалов.
Целью изобретения являются сохранение исходного класса чистоты обработки поверхности при нагреве в плазме изделий из любых, в том числе диэлектрических материалов, а также повышение однородности нагрева.
Достигается это тем, что в способе нагрева изделия в плазме, включающем установку изделия внутри рабочей камеры, вакуумирование камеры, напуск в камеру рабочего газа, зажигание тлеющего разряда с получением газовой плазмы, заполнение рабочей камеры плазмой и нагрев изделия, изделие устанавливают в центральной зоне камеры и изолируют от нее, напуск рабочего газа осуществляют до давления в камере 1-10 Па, тлеющий разряд зажигают между рабочей камерой и анодом с напряжением 300-600 В, а после заполнения рабочей камеры плазмой снижают давление до 0,01-0,1 Па и одновременно для поддержания постоянной величины разрядного тока повышают напряжение до 1500-3000 В.
Целесообразно для нагрева изделий в инертной среде в качестве рабочего газа использовать гелий.
Оптимально для проведения химико-термической обработки в качестве рабочего газа использовать химически активный газ.
3
2
2
a
o
o
a
f
a
f
Характеристики тлеющего разряда между рабочей камерой объемом V=0,1÷1 м с площадью внутренней поверхности S=1÷5 м и анодом внутри нее с площадью поверхности S=0,01÷0,05 м при давлении газа, например, гелия p=1÷10 Па слабо зависят от давления. При токе I=1÷10 А разрядное напряжение U составляет 300÷500 В и целиком сосредоточено в слое положительного объемного заряда между поверхностью камеры и заполняющей ее плазмой. Эмитированные катодом и образованные в катодном слое быстрые электроны всю свою энергию расходуют в указанном диапазоне давления на ионизацию и возбуждение газа внутри камеры. Средняя длина пути электронов внутри камеры L=4V/S, определяемая величиной апертуры S=S+S их потерь в результате поглощения поверхностью анода площадью S и поверхностью изолированных от камеры изделий общей площадью S, превышает в этом диапазоне давления длину пути Λ эмитированных стенками камеры электронов, который им нужно пройти, чтобы растратить всю свою энергию при столкновениях с молекулами газа.
o
о
С уменьшением давления p длина Λ возрастает обратно пропорционально p. Когда Λ становится больше L, быстрые электроны уже не успевают потратить на ионизацию и возбуждение газа всю свою энергию и часть ее выделяют в виде тепла на поверхностях анода и изолированных от камеры изделий. С дальнейшим уменьшением давления доля энергии эмитированных камерой электронов, использованная для ионизации газа, снижается практически до нуля. Для поддержания постоянной величины тока разряда в этом случае приходится увеличивать объем занимаемого катодным слоем пространства, в котором размножаются быстрые электроны, а для этого приходится повышать разрядное напряжение U до 2-3 кВ вблизи давления погасания разряда p=0,01÷0,1 Па. При этом давлении Λ превышает L в сотни раз, и поэтому электроны, эмитированные камерой, и первое поколение быстрых электронов, образованных ими в катодном слое, практически всю свою энергию расходуют на нагрев анода и установленных в камере изделий. Разряд поддерживают последующие поколения образованных в слое быстрых электронов с меньшей начальной энергией ε и, соответственно, с меньшей длиной релаксации энергии Λ, которая пропорциональна квадрату ε.
e
e
При напряжении до тысяч вольт ток эмитируемых камерой электронов может превышать половину разрядного тока. Например, коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии при бомбардировке нержавеющей стали ионами аргона с энергией 3 кэВ составляет γ=1,55 [Shamim М.М., Scheuer J.T., Fetherston R.P., Conrad J.R. Measurement of electron emission due to energetic ion bombardment in plasma source ion implantation - J. Appl. Phys. 1991. V.70. № 9. P.4756-4759]. При разрядном токе I=4 А и напряжении U=3 кВ ток эмитируемых камерой электронов I=4×1,55/2,55 А=2,43 А, а мощность нагрева ими анода и изделий составляет W≈IU=7,3 кВт.
a
f
ε
ε
2
2
4
2
С учетом вклада в нагрев изделий быстрых электронов, образованных в катодном слое разряда, из общей мощности источника питания разряда 12 кВт более 8 кВт используется для нагрева изолированных от камеры изделий и анода быстрыми электронами. Если, например, площадь анода S=0,02 м, а площадь поверхности изделия S=0,08 м, то плотность потока энергии электронов на его поверхность j=8×10 Вт/м позволяет нагреть абсолютно черное тело до температуры 1088 К (715°С). Так как на поверхности анода j имеет такую же величину, целесообразно обеспечить его водяное охлаждение.
Так как нагревающие изделие электроны не распыляют его поверхность, предлагаемый способ нагрева обеспечивает сохранение исходного класса чистоты обработки поверхности.
3
2
2
2
a
f
a
f
Длина пути электрона в камере L превышает ее размеры до сотни раз. Например, в камере объемом V=0,2 м с площадью внутренней поверхности S=2 м и с расположенными внутри анодом с площадью поверхности S=0,02 м и изделием с площадью поверхности S=0,08 м средний пробег электронов между отражениями от стенок камеры а=4V/S=0,4 м меньше L=4V/(S+S)=8 м в 20 раз. Благодаря многократным отражениям от стенок концентрация быстрых электронов распределена во внутреннем пространстве камеры достаточно однородно, что обеспечивает однородность распределения плотности потока их энергии по поверхности изделия, потенциал которой близок к потенциалу плазмы. Такой потенциал имеют поверхности анода и изделий, ток в цепи которых равен нулю. Это изделия из проводящих ток материалов, которые изолируют от рабочей камеры, или изделия из диэлектрических материалов, которые и изолировать не нужно. В связи с однородным и изотропным распределением быстрых электронов в камере предлагаемый способ обеспечивает повышение однородности нагрева этими электронами изделий из любых, в том числе диэлектрических, материалов.
При энергии ионов аргона 3 кэВ коэффициент распыления нержавеющей стали достигает Y=2. При той же энергии ионов гелия коэффициент распыления нержавеющей стали не превышает Y=0,08. Поэтому при необходимости уменьшить загрязнение поверхности нагреваемого изделия материалом камеры целесообразно заполнять рабочую камеру гелиевой плазмой.
При проведении химико-термической обработки, требующей выдержки изделий при высокой температуре в химически активной среде, например азотирования, рабочую камеру заполняют плазмой химически активного газа, например азота.
Способ поясняется чертежом,
который иллюстрирует реализацию способа.
Способ осуществляется следующим образом.
В центральной зоне технологической вакуумной камеры 1 с анодом 2 внутри нее устанавливают изделие 3 и изолируют его, например, путем закрепления с помощью стержня 4, расположенного на оси изолятора 5 ввода напряжения. Камеру герметизируют, откачивают из нее воздух до давления 0,001 Па диффузионным насосом 6 и затем напускают в нее через штуцер 7 рабочий газ, например аргон, до давления 1-10 Па. Подачей на анод 2 напряжения до 1-2 кВ от источника питания 8 поджигают тлеющий разряд с током 0,5-5 А и напряжением 300-600 В, а в результате заполняют камеру достаточно однородной газоразрядной плазмой 9. Затем при постоянной величине тока повышают напряжение между анодом и камерой до 1500-3000 В посредством уменьшения давления газа до 0,01-0,1 Па. При этом рост температуры изделия 3 и анода 2 в результате их нагрева осциллирующими внутри камеры быстрыми электронами можно контролировать с помощью пирометра через кварцевое окошко на стенке вакуумной камеры.
Способ обработки изделий при подаче на них положительного потенциала ускоряемыми положительным анодным падением плазменными электронами не обеспечивает однородности нагрева проводящих ток изделий и вообще не позволяет нагревать изделия из диэлектрических материалов. В то же время предлагаемый способ обработки обеспечивает однородный нагрев быстрыми электронами как проводящих изделий, подключенных к аноду, так и изолированных от него и от камеры изделий как из проводящих, так и из диэлектрических материалов.
Испытания показали, что, по сравнению с известным, предлагаемый способ позволяет однородно нагревать в плазме изделия из любых, в том числе диэлектрических, материалов и при этом сохранять исходный класс чистоты обработки поверхности изделий и избегать затупления режущих кромок инструмента.