устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде

Формула изобретения

Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, содержащее вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом, отличающееся тем, что дополнительный полый цилиндрический электрод имеет внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивающий угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к электротермическому машиностроению, в частности к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде. Это изобретение может найти широкое применение в машиностроении, автостроении, химической промышленности.

Известно устройство для обработки в разряде (Арзамасов Б.М. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. - М., 1979, с.118-120), включающее вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом и закрепленной на ней оснасткой для загрузки деталей.

Данное устройство позволяет получать высококачественные покрытия, не загрязняя окружающую среду.

Однако это устройство предполагает длительный процесс химико-термической обработки при относительно высоких температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде (RU 2173353 С2, С23С 14/42, 10.09.2001), содержащее вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом.

Недостатком данного устройства является относительно большая длительность процесса химико-термической обработки деталей и высокая температура процесса.

Задачей настоящего изобретения является сокращение длительности процесса химико-термической обработки деталей и понижение температуры процесса.

В устройстве для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, содержащем вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, дополнительный полый цилиндрический электрод, коаксиально расположенный между термоэмиссионным электродом и обрабатываемой деталью, и дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с подложкой, а положительный - с дополнительным электродом, решение задачи достигается тем, что дополнительный полый цилиндрический электрод имеет внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали и обеспечивающий угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического.

Данное устройство обладает существенным отличием, так как предполагает использование дополнительного полого цилиндрического электрода с внутренним диаметром, превышающим геометрические размеры обрабатываемой детали, обеспечивающего угол падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали от нуля до критического ( _кр) для данного материала, что позволяет сократить длительность процесса химико-термической обработки деталей и понизить температуру процесса.

Азотирование (частный случай химико-термической обработки) в разряде, как известно, включает два конкурирующих процесса: катодное распыление поверхности, сопровождающееся образованием в атмосфере азота нитрида распыляемого материала, и конденсации, адсорбции (обратное катодное распыление на поверхности образовавшихся нитридов, а также ионов азота, сопровождающееся диффузией азота в матрицу).

Эффективность катодного распыления в разряде существенно зависит от угла падения ( ) ионного потока. При углах падения, больших некоторого критического ( _кр), происходит уменьшение коэффициента распыления. Однако при угле падения, равном _кр, реализуется коэффициент распыления, в 1,25-2,5 раза более высокий, чем при нормальном падении ионов (И.А.Аброян, А.Н.Андронов, А.И.Титов. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. пособие для спец. электронной техники вузов. - М.: Высш. шк., 1984. - С.214-215). Коэффициент катодного распыления существенно зависит от температуры катода, а потому при прочих равных условиях оптимизация угла падения ионного потока позволяет снизить температуру химико-термической обработки. А, как известно, чем выше температура азотирования, тем ниже предел выносливости деталей. Это связано с разупрочнением сердцевины и уменьшением остаточных напряжений сжатия. Фокусировка ионного потока позволяет повысить концентрацию ионов (повысить активность среды), что ведет к интенсификации процесса химико-термической обработки (Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. - М.: Машиностроение, 1979) и сокращению длительности процесса. Кроме того, чем выше концентрация насыщающего элемента на поверхности, тем больше глубина достигаемого диффузионного слоя.

На чертеже изображена схема устройства для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде, где: 1 - вакуумная камера, 2 - термоэмиссионный электрод, 3 - обрабатываемая деталь, 4 - подложка для размещения деталей, 5 - дополнительный полый цилиндрический электрод, 6 - дополнительный регулируемый источник постоянного напряжения, 7 - источник питания, 8 - источник переменного тока, 9 - второй источник питания, 10 - направление ионного потока.

Работает устройство следующим образом. Разогретый до высокой температуры термоэмиссионный электрод (2) испускает электроны, которые, двигаясь в электростатическом поле, созданном источником питания (9), ионизируют пространство в вакуумной камере, порождая в основном положительные ионы. Положительные ионы движутся в направлении, имеющем отрицательный потенциал относительно камеры, детали (3) в электростатическом поле, созданном источником питания (7). Электростатическое поле, создаваемое дополнительным регулируемым источником постоянного напряжения (6) между дополнительным полым цилиндрическим электродом (5) и деталью (3), является неоднородным и фокусирует ионный поток. Фокусное расстояние системы, дополнительный полый цилиндрический электрод (5) - деталь (3) будет зависеть от разности потенциалов ( ₁- ₂) между деталью (3) и дополнительным полым цилиндрическим электродом (5) (Л.А. Арцимович, С.Ю. Лукьянов. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1972 г., с.15). Изменяя потенциал ( ₂) на дополнительном полом цилиндрическом электроде (5), добиваются фокусировки ионного потока, обеспечивающей максимальное значение коэффициента катодного распыления (угол падения наиболее удаленных от оси ионов = _кр). Корректируют температуру процесса химико-термической обработки детали (3) изменением потенциала ( ₁) на подложке (4).

Использование предлагаемого устройства для обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде позволяет:

1. повысить предел выносливости деталей за счет понижения температуры химико-термической обработки;

2. понизить энергетические затраты за счет сокращения времени химико-термической обработки.