способ модификации поверхности изделия

Формула изобретения

1. СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ посредством ионной имплантации, включающий размещение изделия в металлической камере, формирование в камере плазмы и подачу на изделие электрического потенциала, обеспечивающего вытягивание ионов из плазмы и их ускорение, отличающийся тем, что на дополнительный электрод, установленный напротив изделия, подают электрический потенциал и зажигают самостоятельный разряд между дополнительным электродом и стеной камеры, при этом на изделие подают периодическую последовательность высоковольтных отрицательных импульсов с амплитудой 30 - 50 кВ и длительностью не более 10 мкс.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическую последовательность высоковольтных импульсов подают на изделие после подачи электрического потенциала на дополнительный электрод.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и представляет возможность производить повышение прочности и/или износостойкости и/или коpрозионной стойкости изделий методом имплантации ионов после окончательной станочной обработки без снижения класса обработки, а также осуществлять другие виды модификации поверхностей.

Известен способ модификации поверхностей имплантацией ионов, полученных с помощью источников ионов большой энергии. В этом случае изделие помещается в вакуумную камеру, куда инжектируется пучок ионов, формируемый источником ионов с ускорительной ионно-оптической системой, к элементам которой прикладывается стационарное или импульсное высоковольтное напряжение. Упомянутый пучок ионов направляется на обрабатываемое изделие. Недостаток этого метода состоит в относительно высокой стоимости и сложной технологии источников ионов высокой энергии и необходимости, в большинстве случаев, проводить разработку и изготовление специальных манипуляторов, перемещающих упрочняемое изделие под пучком для обеспечения однородности имплантации ионов [1]

Известен способ модификации поверхности изделий, при котором изделия помещают в вакуумную камеру с установленными на ее наружной поверхности постоянными магнитами, образующими на внутренней поверхности слой мультипольного магнитного поля, где создают плазму путем ионизации разреженного газа пучком электронов, инжектируемым в объем камеры из специального источника электронов (упомянутый мультипольный магнитный слой затрудняет утечку плазмы на стенку, что позволяет поддерживать ее плотность на необходимом уровне). На изделие подают высоковольтные импульсы напряжения, которые вытягивают и ускоряют ионы из плазмы, а они, внедряясь в поверхность изделия, модифицируют ее заданным образом. Недостатком способа является его повышенная стоимость, обусловленная использованием большого количества (обычно порядка 1000 штук/м²) дорогостоящих постоянных магнитов, а также невозможностью одновременной загрузки большого количества изделий с целью повышения эффективности использования оборудования, что обусловлено появлением в камере имплантации большой незащищенной мультипольным магнитным полем поверхности, на которой плазма погибает с повышенной скоростью, в результате чего ее плотность снижается ниже уровня обеспечивающего целесообразность использования метода для модификации поверхностей [2]

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение стоимости операции облучения модифицируемых поверхностей потоками быстрых ионов, при обеспечении необходимой степени модификации (повышении прочности, повышении износоустойчивости, повышении коррозионной стойкости и т.п.) поверхностей.

Технический результат достигается способом модификации поверхности изделия посредством имплантации быстрых ионов, в соответствии с которым изделие помещают в металлическую камеру, создают в камере плазму и подают на изделие электрический потенциал, обеспечивающий вытягивание ионов из плазмы и их ускорение. Плазма создается с помощью электрического разряда между установленным в камере дополнительным электродом и стенкой камеры. Длительность импульса отрицательного напряжения, который подают на изделие, не превышает времени развития самостоятельного разряда при потенциале, равном поданному на изделие. Высоковольтный импульс потенциала подают на изделие не раньше установления стационарного режима плазмы после подачи потенциала на дополнительный электрод.

Плазма электрического разряда в разреженном газе давно используется для модификации поверхностей изделий. Однако низкая энергия ионов, попадающих из такой плазмы на поверхность обрабатываемого изделия (порядка одного или нескольких десятков электрон-вольт), диктовала необходимость поддерживать обрабатываемое изделие при температуре 500-600^оС, для получения необходимой скорости диффузии имплантанта в материал обрабатываемого изделия, что сопровождается отжигом и короблением изделий. Наложение высоковольтных импульсов напряжения на изделие погруженное в плазму избавляет от необходимости поддерживать изделие при повышенной температуре, поскольку ускоренные ионы внедряются вглубь поверхности и при комнатных температурах. Дополнительное заглубление имплантируемых ионов в обрабатываемое изделие происходит за счет радиационно стимулированной диффузии. Составляющие предложенного способа используются в технике и технологии достаточно давно, но в предложенной новой комбинации дают заметное снижение стоимости реализации процесса модификации поверхности путем имплантации ионов.

На чертеже показан один из возможных вариантов установки, позволяющий реализовать модификацию поверхностей предлагаемого способа.

В металлическую камеру 2 через изолятор 6 введен электрод 5, который может быть полым или иметь другую конфигурацию. Напряжение от источника питания 12 на электрод 5 подается через балластное сопротивление 11. Через другой высоковольтный изолятор 1 в камеру 2 введен вакуумно уплотненный шток 3. На штоке 3 укрепляется обрабатываемое изделие 4. Через патрубок 10 камеры 2 производится ее откачка. Периодическая последовательность высоковольтных отрицательных импульсов, вырабатываемая генератором ГВИ 9, подается на изделие 4 через шток 3. Имплантант хранится в баллоне 8, который через регулирующий скорость натекания газа вентиль 7 присоединен к камере 2.

Для осуществления предлагаемого способа модификации поверхностей при площади изделия 4х1 м² и дозе облучения ионами азота 310²¹ ионов/м² в типичном случае в камере 2 устанавливают давление азота 5-8 10^-3 Торр (0,1 Па) и зажигают тлеющий разряд при напряжении 0,5-0,7 кВ. На изделие 4 подают периодическую последовательность отрицательных импульсов с амплитудой 30-50 кВ, что обеспечивает оптимальный режим имплантации и длительностью не более 10 мкс. Указанная выше доза имплантации при частоте следования импульсов 1 кГц набирается за 2 ч облучения изделия.

В предлагаемом способе не создается мультипольный магнитный слой на стенках камер. При определенной стоимости постоянных магнитов, плотности установки магнитов и поверхности камеры изготовление одной установки, реализующей предлагаемый способ, оказывается значительно дешевле. При больших размерах камеры, когда изготовление тонкостенного варианта становится затруднительным необходимо сравнивать предлагаемый способ с аналогом (см. выше). В аналоге наиболее дорогим устройством является источник ионов большой энергии.

Литература

1. М. И.Гусева. Ионная имплантация в неполупроводниковые материалы. Сб. Итоги науки и техники, т.5. Физические основы лазерной и пучковой технологии. Москва, 1989 г. с. 54.

2. J.R.Conrad, J.L.Radtke, R.A.Dodt et al, J.Appl. Phys, v. 62, p. 4591, (1987).