устройство азотирования детали из алюминиевого сплава путем ионной имплантации и способ, в котором используется такое устройство

Формула изобретения

1. Устройство имплантации ионов азота в деталь (5) из алюминиевого сплава, содержащее источник (6), создающий ионы азота, ускоряемые вытягивающим напряжением, и первые средства (7-11) регулировки, обеспечивающие фокусировку и регулировку начального пучка (f1') ионов, испускаемых упомянутым источником (6), с формированием имплантирующего пучка (f1), отличающееся тем, что упомянутый источник (6) является источником на основе электронного циклотронного резонанса, выполненным с возможностью получения полиэнергетических ионов и одновременного имплантирования их в деталь (5) при температуре менее 120°С и с возможностью регулирования глубины имплантирования вытягивающим напряжением источника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторые средства (1, 4, 12) регулировки относительного положения детали (5) и источника (6) ионов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вторые средства (1, 4, 12) регулировки содержат приспособление (12) для закрепления обрабатываемой детали, которое является подвижным и предназначено для перемещения детали (5) в ходе ее обработки.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что приспособление (12) для закрепления обрабатываемой детали снабжено средствами (13) охлаждения для отвода тепла, выделившегося в детали (5) при имплантации полиэнергетических ионов.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что первые средства (7-11) регулировки пучка ионов содержат масс-спектрометр (7) для сортировки ионов, произведенных источником (6), в зависимости от их заряда и их массы.

6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что средства (7-11) регулировки начального пучка (f1') ионов также содержат оптические средства (8) фокусировки, профилировщик (9), трансформатор (10) тока и затвор (11).

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средства (7-11) регулировки начального пучка (f1') ионов также содержат оптические средства (8) фокусировки, профилировщик (9), трансформатор (10) тока и затвор (11).

8. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно заключено в корпус (3), оборудованный вакуумным насосом (2).

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно заключено в корпус (3), оборудованный вакуумным насосом (2).

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно заключено в корпус (3), оборудованный вакуумным насосом (2).

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно заключено в корпус (3), оборудованный вакуумным насосом (2).

12. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вторые средства (1, 4, 12) регулировки относительного положения детали (5) и источника (6) ионов содержат средства (1) расчета этого положения, исходя из информации о природе пучка ионов, геометрии детали (5), скорости перемещения приспособления (12) для закрепления обрабатываемой детали относительно источника (6) и числе реализованных ранее проходов.

13. Способ обработки алюминиевого сплава путем ионной имплантации азота, включающий одновременную имплантацию полиэнергетических ионов азота при температуре менее 120°С с использованием устройства, выполненного по любому из пп.1-12, в котором пучок полиэнергетических ионов перемещают относительно детали (5) с постоянной скоростью.

14. Способ обработки алюминиевого сплава путем ионной имплантации азота, включающий одновременную имплантацию полиэнергетических ионов азота при температуре менее 120°С с использованием устройства, выполненного по любому из пп.1-12, в котором пучок полиэнергетических ионов перемещают относительно детали (5) с переменной скоростью, учитывающей угол падения пучка полиэнергетических ионов по отношению к поверхности детали (5).

15. Способ обработки по любому из пп.13 и 14, отличающийся тем, что пучок полиэнергетических ионов испускают с постоянными интенсивностью и энергиями испускания.

16. Способ обработки по любому из пп.13 и 14, отличающийся тем, что пучок полиэнергетических ионов испускают с переменными интенсивностью и энергиями испускания, регулируемыми источником (6) ионов.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Объектом изобретения является устройство азотирования детали из алюминиевого сплава путем ионной имплантации с помощью пучка ионов азота, испускаемых источником ионов. Объектом изобретения является также способ азотирования детали из алюминиевого сплава, в котором используется такое устройство.

Изобретение находит применение, например, в области обработки пластмасс, где необходимо обрабатывать детали, выполненные из алюминиевого сплава, которые применяются в качестве пресс-форм для серийного производства деталей из пластмассы.

Уровень техники

В области обработки пластмасс большую часть деталей из пластмассовых материалов изготавливают отливкой в металлические пресс-формы. В настоящее время большинство этих пресс-форм сделано из стали. Действительно, сталь является твердым материалом, имеющим хорошие механические свойства во времени. Таким образом, каждая стальная пресс-форма позволяет получить большое число пластмассовых деталей, порядка 500000-1000000 штук. Однако сталь является труднообрабатываемым материалом, который, следовательно, не позволяет осуществить быстрый выход продукции на рынок. Она не дает также большой гибкости формы, тогда как современная тенденция состоит в том, чтобы часто менять форму пластмассовых деталей и, следовательно, форму пресс-форм. По этим причинам расходы на обработку и затраты времени для стальной пресс-формы относительно высоки.

Поэтому в области обработки пластмасс все больше и больше стремятся выполнять пресс-формы из металла, отличного от стали. Алюминиевые сплавы представляют собой один из таких металлов. Действительно, преимущество алюминиевого сплава состоит в том, что он обладает превосходной обрабатываемостью, то есть позволяет вести обработку с большой скоростью. Алюминиевый сплав имеет также большую теплообменную емкость, что приводит к быстрому охлаждению деталей из пластмассы, а также большую легкость, а следовательно - более легок в обращении. Алюминиевый сплав при одинаковом объеме существенно дешевле по сравнению со сталью.

Общая проблема, которую нужно решить в данной области, заключается в том, что пресс-формы из алюминиевого сплава имеют ограниченную по времени механическую прочность, а поэтому малую производительность по сравнению с пресс-формами, выполненными из стали. Число пластмассовых деталей, получаемых в пресс-форме из алюминиевого сплава, обычно составляет порядка 1000 штук. Кроме того, особая проблема, которую нужно решить в области пресс-форм из алюминиевых сплавов, состоит в том, что явления эрозии формующей поверхности пресс-формы, сбивание плоскости стыка или коррозия появляются быстрее, чем у пресс-форм из стали.

Производители пресс-форм из алюминиевого сплава для литья под давлением пытаются решить эти проблемы, улучшая поверхностную механическую прочность этих пресс-форм. Для этого они пытаются повысить износостойкость путем увеличения поверхностной твердости и улучшения смазывания (уменьшения коэффициента трения) и усиления стойкости к коррозии, обусловленной главным образом разъеданием хлором.

Известны разные химические или физико-химические способы улучшения механических свойств пресс-форм из алюминиевых сплавов.

Среди химических способов известны способы, состоящие в анодировании пресс-формы из алюминиевого сплава. Анодирование является электролитическим способом, позволяющим увеличить толщину естественного слоя оксида алюминия (Аl ₂O₃) до толщины примерно 20 микрон. Этот слой оксида алюминия является твердым, но очень хрупким (ударная вязкость по существу идентична вязкости стекла). Кроме того, он имеет повышенный коэффициент теплового расширения и обладает чувствительностью к хлорной коррозии, откуда следуют высокая недолговечность в отношении термической усталости и коррозии.

Другой химический способ - это твердое хромирование. Этот способ представляет собой электролитическую обработку пресс-форм из алюминиевого сплава, которая позволяет упрочнить их. Однако этот способ вызывает проблемы однородности толщины слоя на кромках пресс-формы. Кроме того, необходима подготовка поверхности, называемая протравливанием (создание микрошероховатостей зацепления размером 7-8 микрон), качество которой зависит от умения субпоставщиков, откуда следует их плохая репутация в глазах формовщиков.

Другим химическим способом является никелирование. Этот способ состоит в однородном осаждении слоя никеля, пропитанного тефлоном, для смазывания поверхности. Однако пропитывание никеля тефлоном требует поддержания пресс-формы в течение нескольких часов при температуре 250°С, что гибельно для механических свойств алюминиевых сплавов. В свою очередь, без тефлона, то есть без смазки, слой никеля обнаруживает опасность отслоения.

Другим химическим способом является осаждение из паровой фазы нитрида хрома. Этот способ обладает проблемой в том, что касается адгезии слоя нитрида хрома, которая имеет плохое качество из-за низкой допустимой температуры нанесения (выше которой механические свойства подложки ухудшаются).

Одним физико-химическим способом является термическое азотирование. Оно состоит в цементации азотом металлической детали с тем, чтобы получить большую поверхностную твердость. Обычно такое азотирование проводят термически, то есть обрабатываемую металлическую деталь нагревают до температуры выше 500°С в потоке газа аммиака. При этой температуре газообразный аммиак растворяется и диффундирует в сплав, образуя нитриды. Можно, например, сослаться на документ US 4597808 (ARAI TOHRU и др.), в котором описан физико-химический способ указанного выше типа. Однако существует другая проблема, связанная с типом обрабатываемого материала, а именно алюминиевых сплавов. Действительно, последние содержат упрочняющие дисперсные выделения, полученные термическим отпуском при температуре от 120 до 150°С, причем эти выделения вносят вклад в хорошую механическую прочность этих сплавов. Однако повышение температуры алюминиевого сплава до температуры выше 500°С, которая рекомендована в US 4597808, ведет к уничтожению этих дисперсных выделений. Из этого следует, что способ, описанный в документе US 4597808, неудовлетворителен с точки зрения искомой механической прочности алюминиевых сплавов.

Существуют другие способы азотирования алюминиевых деталей, предназначенные для применения в области электроники. Цель, которой добиваются этими способами, состоит в том, чтобы провести поверхностную обработку поверхности алюминия для нанесения тонкого слоя нитрида или оксида алюминия, который имеет интересующие характеристики с точки зрения электроники, в частности, характеристики хорошего звукоизоляционного материала и хорошего проводника тепла, для того чтобы сохранить электронные свойства деталей из алюминия. Можно, например, сослаться на документы ЕР 1288329 (CCR GmbH Beschichtungs-techno) и US 4698233 (Iwaki Masaya и др.), в которых описаны такие способы обработки алюминиевых деталей, использующихся в области электроники.

Кроме того, в документе US 5925886 (Togiguchi Katsumi и др.), который описывает техническое решение, являющееся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, была упомянута возможность получать пучок ионов из источника ионов на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-источника). Напомним, что ЭЦР-источник имеет две основные характеристики:

- магнитное поле, которое удерживает ионы в ограниченном объеме, находящемся внутри источника и называемом плазменной камерой, и

- волну высокой частоты, испускаемую внутри источника и предназначенную для нагрева электронов, которые поэтому могут быть ионизированы.

Камера источника содержит высокотемпературную плазму, состоящую из смеси ионов и электронов, удерживаемых магнитным полем. Ионы могут быть извлечены из этой камеры через отверстие, чтобы затем быть ускоренными. Для получения ионов газов (кислорода, азота, неона и т.д.) выбранный газ вводят в источник в количестве, достаточном для того, чтобы достичь требуемой интенсивности ионного пучка.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения состоит в том, чтобы устранить недостатки и проблемы предшествующего уровня техники.

Настоящее изобретение имеет своей целью, в частности, предложить устройство ионной имплантации, в частности, ионов азота, в деталь из алюминиевого сплава для улучшения механических свойств последней.

Кроме того, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить такое устройство, которое сделает возможной обработку в глубине алюминиевого сплава, обычно на толщину порядка от 0 до 3 мкм, и применение которого не вызовет ухудшения механических характеристик обрабатываемой детали, что обеспечит возможность их использования после обработки без восстановления детали.

Цель настоящего изобретения состоит также в том, чтобы предложить такое устройство, которое сделает возможной обработку особых (специальных) зон детали из алюминиевого сплава.

Цель настоящего изобретения состоит также в том, чтобы предложить такое устройство, которое не требует большого времени на обработку.

Наконец, цель настоящего изобретения состоит также в том, чтобы предложить такое устройство, которое было бы недорогим для обеспечения возможности его применения в промышленном масштабе, причем его стоимость не должна быть настолько большой по сравнению со стоимостью других способов обработки, чтобы отказаться от его применения.

Изобретательский уровень настоящего изобретения состоит в предложении провести при низкой температуре, более точно - при температуре менее 120°С, обработку детали из алюминиевого сплава путем одновременной имплантации полиэнергетических ионов. Эти ионы получены при экстракции при одном и том же вытягивающем напряжении одно- и многозарядных ионов, созданных в плазменной камере источника ионов на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-источника). Каждый ион, произведенный упомянутым источником, имеет энергию, которая пропорциональна его зарядовому состоянию. Отсюда следует, что ионы, зарядовое состояние которых более высокое, а следовательно, более высокая энергия, имплантируются в деталь из сплава на более значительную глубину.

Отметим на этой стадии описания, что такая имплантация является быстрой и недорогой, так как она не требует повышенного вытягивающего напряжения источника ионов. Действительно, чтобы повысить энергию имплантации одного иона, экономически выгоднее повысить его зарядовое состояние, чем увеличить вытягивающее его напряжение.

Отметим также, что это устройство позволяет обрабатывать деталь без ухудшения ее механических свойств благодаря присутствию упрочняющих дисперсных выделений, полученных ранее путем термического отпуска, проведенного при температуре, составляющей от 120 до 150°С.

Устройство имплантации ионов для деталей из алюминиевого сплава содержит источник, поставляющий ионы, ускоряемые вытягивающим напряжением, и первые средства регулировки начального пучка ионов, испущенных упомянутым источником, с формированием имплантирующего пучка.

Согласно настоящему изобретению такое устройство принципиально отличается тем, что указанный источник является источником на основе электронного циклотронного резонанса, производящим полиэнергетические ионы, которые имплантируются в деталь при температуре менее 120°С, причем имплантацию ионов имплантирующего пучка осуществляют одновременно на глубину, регулируемую вытягивающим напряжением источника.

В частности, способ по изобретению предлагает использовать полиэнергетические ионы азота, произведенные ЭЦР-источником ионов, внутрь которого предварительно был введен азот, и одновременно имплантировать полученные ионы в деталь из алюминиевого сплава, что создает микрокристаллы нитрида алюминия, которые, в свою очередь, приводят к повышению твердости. Одновременная имплантация этих ионов азота может происходить на разную глубину в зависимости от потребности и формы детали. Эта глубина зависит от энергий имплантации ионов из имплантирующего пучка; она может варьироваться от 0 до примерно 3 мкм.

Учитывая разный эффект распыления в зависимости от энергии, а значит, зарядового состояния падающего иона, профиль концентрации имплантированных ионов, полученный, например, когда одновременно внедряют N⁺, N²⁺, N³⁺, будет отличаться от профиля концентраций в том случае, когда их внедряют последовательно в порядке возрастания зарядового состояния N ⁺, N²⁺, затем N³⁺, или в том случае, когда их внедряют последовательно в порядке убывания зарядового состояния N³⁺, N²⁺, затем N⁺ . Последовательная имплантация в порядке возрастания зарядового состояния дает широкий профиль толщины, но малую концентрацию. Последовательная имплантация в порядке убывания зарядового состояния дает узкий профиль толщины, но большую концентрацию. Одновременная имплантация является компромиссом между двумя предыдущими типами имплантации, при этом получают средний профиль толщины и среднюю концентрацию. Имплантировать ионы последовательно в возрастающем и убывающем порядке требует больших затрат времени. Способ по изобретению предусматривает одновременную имплантацию полиэнергетических ионов с полиэнергетическим пучком и является поэтому и технически выгодным, и оптимальным в плане полученного физического компромисса (сбалансированный профиль концентрации).

Увеличение твердости алюминия связано с концентрацией имплантированных ионов азота. Например, при 10% имплантированных ионов твердость детали локально увеличивается на 200%. В случае алюминия повышение твердости на 200% приблизительно соответствует твердости, промежуточной между твердостью титана и твердостью стали. Для 20% ионов азота, имплантированных в деталь, твердость детали повышается на 300%. В случае алюминия повышение твердости на 300% соответствует твердости, равной или даже превышающей твердость стали.

Способ по изобретению имеет очень выгодное преимущество по сравнению с имплантацией, проводимой пучком моноэнергетических ионов азота: при той же концентрации имплантированных ионов в случае пучка полиэнергетических ионов азота фактически наблюдают дополнительное увеличение твердости. Для концентрации имплантированных ионов в 25% было измерено повышение твердости на 60% при имплантации полиэнергетическим пучком по сравнению с имплантацией моноэнергетическим пучком. Одновременная имплантация полиэнергетических ионов порождает за счет столкновений и каскадов более эффективное перемешивание разных слоев нитрида алюминия (которые располагаются друг над другом на разных глубинах имплантации по обработанной толщине). В основе этого дополнительного повышения твердости, полученного при имплантации пучком полиэнергетических ионов азота, определенно лежит эффективность процессов фрагментации и диспергирования микрокристаллов, из которых составлены слои нитрида алюминия. Полиэнергетические пучки особенно приспособлены для механических применений, тогда как моноэнергетические пучки специально адаптированы к применениям в электронике, для которых создание дефектов из-за каскадов и столкновений приводит к ухудшению электрических свойств нитрида алюминия (в частности, его очень высокого электрического сопротивления).

При применении в области пресс-форм из алюминиевого сплава для литья под давлением способ по изобретению позволяет получить пресс-формы, имеющие поверхностную твердость, близкую к твердости стали, при сохранении объемных механических свойств алюминиевого сплава. Способ по изобретению позволяет также улучшить антикоррозионные характеристики этих пресс-форм из алюминиевого сплава. Таким образом, производительность пресс-формы из алюминиевого сплава, обработанной способом азотирования путем одновременной имплантации ионов согласно изобретению, очень существенно повышена по сравнению с классической пресс-формой из алюминиевого сплава.

Устройство по настоящему изобретению преимущественно содержит также вторые средства регулировки относительного положения детали и источника ионов. Понятно, что относительное перемещение источника ионов и детали применяется для того, чтобы можно было обработать последнюю зона за зоной. Таким образом, может быть обработано несколько зон одной и той же металлической детали так, чтобы получить одинаковые или разные твердости. Выбор обрабатываемых зон и длительность их обработки зависит от их функциональной особенности (например, зона плоскости стыка пресс-формы, зона формующей поверхности).

Согласно одному предпочтительному варианту реализации устройства по настоящему изобретению, в котором деталь является подвижной относительно источника, вторые средства регулировки преимущественно содержат приспособление для закрепления обрабатываемой детали, которое является подвижным, чтобы перемещать деталь в ходе ее обработки. В другом, не предпочтительном варианте реализации устройства источник ионов перемещается относительно обрабатываемой детали; этот последний вариант реализации может применяться в том случае, когда обрабатываемая деталь очень объемная.

Приспособление для закрепления обрабатываемой детали предпочтительно снабжено средствами охлаждения для отвода тепла, выделившегося в детали при имплантации полиэнергетических ионов.

Первые средства регулировки пучка ионов дополнительно содержат масс-спектрометр для сортировки ионов, произведенных источником, в зависимости от их заряда и их массы.

Предпочтительно, первые средства регулировки начального пучка ионов содержат также оптические средства фокусировки, профилеровщик, трансформатор тока и затвор.

Устройство преимущественно заключено в корпус, оборудованный вакуумным насосом.

Вторые средства регулировки относительного положения детали и источника ионов преимущественно содержат средства расчета этого положения исходя из информации о природе пучка ионов, геометрии детали, скорости перемещения приспособления для закрепления обрабатываемой детали относительно источника и числа реализованных ранее проходов.

Согласно первому варианту способа обработки алюминиевого сплава путем ионной имплантации, в котором используется устройство согласно настоящему изобретению, этот способ принципиально отличается тем, что полиэнергетический ионный пучок перемещают относительно детали с постоянной скоростью.

Согласно второму варианту способа обработки алюминиевого сплава путем ионной имплантации, в котором используется устройство согласно настоящему изобретению, этот способ принципиально отличается тем, что полиэнергетический ионный пучок перемещают относительно детали с переменной скоростью, учитывающей угол падения пучка полиэнергетических ионов относительно поверхности детали.

Перемещается ли обрабатываемая деталь или источник ионов, относительная скорость перемещения между этими двумя элементами может быть постоянной или изменяющейся в зависимости от угла падения пучка относительно поверхности, по меньшей мере во время обработки одной зоны детали. Управление скоростью может быть разным для каждой обрабатываемой зоны детали. Скорость зависит от интенсивности пучка, профиля концентрации имплантированных ионов и числа проходов. Скорость может варьироваться в зависимости от угла падения пучка относительно поверхности с тем, чтобы компенсировать недостаток глубины имплантации увеличением числа имплантированных ионов.

Предпочтительно, пучок полиэнергетических ионов испускается с такими интенсивностью и энергиями испускания, которые являются либо постоянными, либо переменными, и регулируются источником ионов. Как объяснялось ранее, способ по изобретению позволяет регулировать глубину проникновения полиэнергетических ионов в деталь. Эта глубина проникновения, которая рассредоточена слоями по обработанной толщине, меняется в зависимости от разных входных энергий ионов на уровне поверхности детали. Более точно, источник ионов поставляет ионы с переменными энергиями испускания; в этом случае источник ионов отрегулирован таким образом, чтобы изменять энергии падающих ионов, воздействуя на вытягивающее напряжение при каждой обработке.

Имплантация (внедрение) ионов азота в кристаллическую структуру обрабатываемой детали приводит к созданию чрезвычайно твердых микрокристаллов нитрида алюминия (от гранецентрированной кубической решетки для малых концентраций азота до плотноупакованной гексагональной - для больших концентраций азота), которые блокируют плоскости скольжения дислокации, возникших из-за деформации материала. Другими словами, имплантация ионов азота в обрабатываемую деталь позволяет повысить поверхностную твердость детали и сделать ее, таким образом, очень стойкой к износу.

Кроме того, при применении к пресс-формам из алюминиевого сплава для литья под давлением азот, присутствующий в алюминии, вследствие того, что он является основанием, уменьшает кислотность, существующую в точках коррозии, вызванных хлорид-ионами, поступающими из отлитой пластмассы. Таким образом, коррозия, связанная с распространением точек коррозии, сильно уменьшена благодаря способу по изобретению.

Способ по изобретению позволяет благодаря явлению поверхностного распыления, вызванного прохождением падающих ионов, сгладить микрошероховатости детали, уменьшая равным образом появление точечной коррозии, образованию которой обычно способствуют неровности поверхности.

Из этих положений следует, что способ по изобретению позволяет эффективно обработать те зоны детали, геометрия которых является сложной, не увеличивая при этом ни длительность обработки, ни опасность перегревания деталей.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показана функциональная схема устройства по изобретению.

На фигуре 2 показаны примеры распределения имплантации в детали из алюминия посредством источника на основе электронного циклотронного резонанса, производящего ионы N⁺, N ²⁺ и N³⁺ при одном и том же вытягивающем напряжении 200 кВ.

На фигуре 3 показан профиль имплантации, полученный в случае с пучком N⁺ (3,3 мА), N²⁺ (3,3 мА), N³⁺ (3,3 мА) при вытягивающем напряжении 200 кВ, сконцентрированном на поверхности в 1 см² в течение 10 секунд. Этот профиль показывает по ординате концентрацию (%) имплантированных ионов азота в зависимости от глубины имплантации, выраженной в ангстремах.

На фигуре 4 показан оптимальный профиль имплантации того же типа, что и предшествующий профиль, который получен в случае с пучком N⁺ (1,6 мА), N ²⁺ (3,2 мА), N³⁺ (4,8 мА) при вытягивающем напряжении 200 кВ, сконцентрированном на поверхности в 1 см² в течение 10 секунд.

Подробное описание вариантов реализации изобретения

На фигуре 1 устройство согласно настоящему изобретению помещено в корпус 3, находящийся под вакуумом благодаря вакуумному насосу 2. Цель создания этого вакуума заключается в том, чтобы не допустить перехвата пучка остаточными газами и избежать загрязнения поверхности детали этими газами при имплантации.

Это устройство содержит источник 6 ионов на основе электронного циклотронного резонанса, называемый ЭЦР-источником. Этот ЭЦР-источник 6 создает начальный пучок f1' полиэнергетических ионов азота при полном токе примерно 10 мА (все смешанные заряды N⁺, N²⁺ и т.д.), при вытягивающем напряжении, которое может варьироваться от 20 до 200 кВ. ЭЦР-источник 6 испускает пучок f1' ионов в направлении первых средств 7-11 регулировки, которые обеспечивают фокусировку и регулировку начального пучка f1', испущенного ЭЦР-источником 6, с формированием имплантирующего ионы пучка f1, который падает на обрабатываемую деталь 5.

Эти первые средства 7-11 регулировки содержат, от ЭЦР-источника 6 к детали 5, следующие элементы:

- масс-спектрометр 7, способный фильтровать ионы в зависимости от их заряда и их массы. Этот элемент является необязательным; действительно, в случае, когда нагнетают чистый газообразный азот (N₂ ), можно извлекать всю совокупность одно- и многозарядных ионов азота, произведенных источником, чтобы получить пучок полиэнергетических ионов азота. Так как масс-спектрометр является очень дорогим элементом, то стоимость устройства существенно снижается при использовании пучка полиэнергетических ионов азота, полученных из чистого газообразного азота, поставляемого в баллонах;

- линзы 8, роль которых состоит в том, чтобы придать начальному ионному пучку f1' выбранную форму, например, цилиндрическую, с выбранным радиусом;

- профилеровщик 9, роль которого состоит в том, чтобы проанализировать ток пучка в плоскости перпендикулярного разреза. Этот инструмент анализа становится необязательным, как только линзы 8 будут окончательно отрегулированы при первой имплантации;

- трансформатор 10 тока, который непрерывно измеряет ток начального пучка f1' без его прерывания. Функция этого инструмента заключается по существу в том, чтобы обнаружить любое прерывание начального пучка f1' и позволить зарегистрировать изменения тока пучка f1 во время обработки;

- затвор 11, который может быть цилиндром Фарадея, роль которого состоит в прерывании траектории ионов в определенные моменты, например, при перемещении без обработки детали.

Согласно предпочтительному варианту реализации устройства, показанному на фигуре 1, деталь 5 является подвижной относительно ЭЦР-источника 6. Деталь 5 установлена на подвижное приспособление 12 для закрепления обрабатываемой детали, перемещением которого управляет станок 4 с числовым программным управлением (ЧПУ), который сам управляется постпроцессором, рассчитанным системой САПР (система автоматизированного проектирования и управления производством с использованием ЭВМ) 1.

Перемещение детали 5 учитывает радиус пучка f1, внешние и внутренние контуры обрабатываемых зон детали 5, скорость перемещения, постоянную или меняющуюся в зависимости от угла пучка f1 по отношению к поверхности, и число ранее проведенных проходов.

Управляющая информация (Инф.1) передается из ЭЦР-источника 6 к станку 4 с ЧПУ. Эта управляющая информация относится к состоянию пучка. В частности, ЭЦР-источник 6 информирует станок 4, когда пучок f1 ионов готов к отправке. Другая управляющая информация (Инф.2) передается станком 4 на затвор 11, к ЭЦР-источнику 6 и, при необходимости, на одну или несколько машин, внешних относительно устройства. Этой управляющей информацией могут быть значения радиуса пучка ионов, его интенсивность и любые другие значения, известные станку 4.

Кроме того, приспособление 12 для закрепления обрабатываемой детали оборудовано контуром 13 охлаждения для отведения тепла, произведенного в детали 5 при имплантации полиэнергетических ионов.

Работа устройства по изобретению заключается в следующем:

- закрепляют обрабатываемую деталь 5 на приспособлении 12 для закрепления обрабатываемой детали;

- закрывают корпус 3, укрывающий устройство;

- необязательно включают контур 13 охлаждения приспособления 12 для закрепления обрабатываемой детали;

- включают вакуумный насос 2 с тем, чтобы получить глубокий вакуум в корпусе 3;

- как только условия вакуума достигнуты, приступают к генерированию и настройке ионного пучка f1' с помощью средств 7-11 регулировки;

- когда пучок настроен, поднимают затвор 11 и запускают станок 4 с ЧПУ, который в этом случае осуществляет изменение положения и скорости детали 5 под пучком за один или несколько проходов;

- когда достигнуто необходимое число проходов, затвор 11 опускают, чтобы перекрыть пучок f1, прекращают генерирование пучка f1', снимают вакуум, открывая корпус 3 для доступа окружающего воздуха, необязательно останавливают контур 13 охлаждения и вынимают обработанную деталь 5 из корпуса 3.

Существует два способа уменьшить пик температуры, связанный с прохождением пучка f1 через данную точку детали 5: увеличить радиус пучка (то есть уменьшить мощность на см ²) или увеличить скорость перемещения.

Если деталь слишком маленькая, то для того, чтобы отвести связанное с обработкой тепло с помощью излучения, можно либо уменьшить мощность пучка f1 (то есть увеличить длительность обработки), либо включить контур 13 охлаждения, расположенный в приспособлении 12 для закрепления обрабатываемой детали.

На фигуре 2 показан один пример распределения ионов азота N, имплантированных в деталь из алюминия. В этом примере источник ионов поставляет ионы N⁺, N²⁺ и N³⁺, которые все извлекаются при одном-единственном вытягивающем напряжении, например, 200 кВ. Таким образом, ионы N⁺, испущенные источником ионов, обладают энергией 200 кэВ, ионы N²⁺ обладают энергией 400 кэВ, а ионы N³⁺ обладают энергией 600 кэВ.

Ионы N⁺ достигают глубины 0,37 мкм ± 0,075 мкм. Ионы N²⁺ достигают глубины примерно 0,68 мкм ± 0,1 мкм, а ионы N³⁺ - глубины примерно 0,91 мкм ± 0,15 мкм. Максимальное достигаемое ионами расстояние составляет в этом примере 1,15 мкм.

Особенность ЭЦР-источника 6 ионов состоит в том, что он порождает одно- и многозарядные ионы, что позволяет одновременно имплантировать полиэнергетические ионы при одном и том же вытягивающем напряжении. Возможно также получить одновременно по всей обработанной толщине более или менее хорошо распределенный профиль имплантации.

Например, если рассмотреть ЭЦР-источник, дающий полный ток 10 мА (3,3 мА для N⁺, 3,3 мА для N²⁺ , 3,3 мА для N³⁺) при одном вытягивающем напряжении 200 кВ, для алюминиевой детали с площадью 1 см², в течение примерно 10 секунд, то профиль имплантации будет приблизительно таким, какой показан на фигуре 3. Этот профиль проявляет следующую концентрацию:

- 20% N между 0,30 и 0,5 мкм, что соответствует увеличению твердости на 300%;

- 8% N между 0,5 и 0,85 мкм, что соответствует увеличению твердости на 200%; и

- 2% N между 0,85 и 1,1 мкм, что соответствует увеличению твердости на 35%.

Оптимальное распределение для профиля имплантации получают, устанавливая частоты источника 6 таким образом, чтобы иметь равномерное распределение зарядовых состояний ионов источника (одинаковое число ионов N⁺ , N²⁺, N³⁺ на см² в секунду).

Например, возвращаясь к предыдущему примеру, если рассмотреть ЭЦР-источник, дающий полный ток 10 мА (1,6 мА для N⁺, 3,2 мА для N²⁺, 4,8 мА для N³⁺ при вытягивающем напряжении 200 кВ, для алюминиевой детали с площадью 1 см², в течение примерно 10 секунд, то профиль имплантации, показанный на фигуре 4, колеблется между 6 и 14% на толщине, составляющей между 0,25 мкм и 1,1 мкм.

Для одной и той же концентрации имплантированных ионов физический эффект в единицах твердости, полученной при одновременной имплантации полиэнергетических ионов, превышает эффект, полученный при имплантации моноэнергетических ионов. Действительно, диспергирование микрокристаллов нитрида алюминия благодаря эффективности перемешивания полиэнергетических ионов (которые имплантируются на глубины, располагающиеся друг над другом) вызывает дополнительное увеличение твердости, которое добавляется к тому увеличению, которое было получено с помощью моноэнергетического пучка ионов.