RU2329334C2 - Installation for complex surface processing in vacuum - Google Patents
Installation for complex surface processing in vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2329334C2 RU2329334C2 RU2005128784/02A RU2005128784A RU2329334C2 RU 2329334 C2 RU2329334 C2 RU 2329334C2 RU 2005128784/02 A RU2005128784/02 A RU 2005128784/02A RU 2005128784 A RU2005128784 A RU 2005128784A RU 2329334 C2 RU2329334 C2 RU 2329334C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additional
- electrode
- product
- working chamber
- positive pole
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 21
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 20
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 10
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- -1 nitrogen ions Chemical class 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 101001123530 Nicotiana tabacum Putrescine N-methyltransferase 3 Proteins 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вакуумно-дуговым устройствам и может быть использовано преимущественно при проведении процесса комплексной поверхностной обработки изделий, включающей химико-термическую обработку поверхности изделия с последующим нанесением на нее функционального покрытия.The invention relates to vacuum-arc devices and can be used mainly during the process of complex surface treatment of products, including chemical-thermal treatment of the surface of the product with subsequent application of a functional coating on it.
Известна установка для комплексной обработки поверхности изделий (патент США №5503725, МПК C23C 14/34, 1996) [1]. Установка содержит рабочую камеру с размещенными в ней изолированным держателем изделий и расходуемым электродом. Установка содержит также источник питания вакуумно-дугового разряда, положительный полюс которого соединен с держателем изделия, а отрицательный - с расходуемым электродом. Расходуемый электрод (в данном случае катод) выполнен с возможностью поворота на 180°. Эта конструктивная особенность катода позволяет эксплуатировать установку в двух режимах: для химико-термической обработки изделия и последующего нанесения функционального покрытия на обработанную поверхность. Первый режим работы реализуется при повороте катода рабочей поверхностью в противоположную сторону от изделия. При этом на поверхность изделия не попадает металл, испаряющийся с поверхности катода. Изделие оказывается погруженным в плазму рабочего газа (например, азота, подаваемого в вакуумную камеру через систему напуска рабочего газа при парциальном давлении 0,1...1 Па). В процессе химико-термической обработки изделие находится в положительном столбе дугового разряда и является анодом. При этом оно подвергается бомбардировке электронами, которые генерируются катодом вакуумно-дугового разряда. Электроны прогревают изделие до рабочей температуры и одновременно активизируют газовую среду. После проведения процесса химико-термической обработки катод вновь поворачивается на 180° и на поверхность изделия наносится покрытие.A known installation for integrated surface treatment of products (US patent No. 5503725, IPC C23C 14/34, 1996) [1]. The installation comprises a working chamber with an insulated product holder and a consumable electrode placed therein. The installation also contains a vacuum arc discharge power source, the positive pole of which is connected to the product holder, and the negative pole to the consumable electrode. The consumable electrode (in this case, the cathode) is configured to rotate 180 °. This design feature of the cathode allows the installation to be operated in two modes: for chemical-thermal treatment of the product and subsequent application of the functional coating to the treated surface. The first mode of operation is realized when the cathode is rotated by the working surface in the opposite direction from the product. In this case, metal evaporating from the cathode surface does not get on the surface of the product. The product is immersed in the plasma of the working gas (for example, nitrogen supplied to the vacuum chamber through the working gas inlet system at a partial pressure of 0.1 ... 1 Pa). In the process of chemical-thermal treatment, the product is in the positive column of the arc discharge and is an anode. In this case, it is bombarded by electrons that are generated by the cathode of a vacuum-arc discharge. Electrons warm the product to operating temperature and simultaneously activate the gas environment. After the process of chemical-thermal treatment, the cathode is again rotated 180 ° and a coating is applied to the surface of the product.
К недостатку этой установки следует отнести то, что она пригодна для обработки только мелкоразмерных изделий. С увеличением размера обрабатываемого изделия, а следовательно, и с увеличением величины разрядного тока трудно обеспечить однородность электронного потока по всей поверхности изделия. Это связано с тем, что низкоэнергетические электроны находятся под воздействием магнитного поля, создаваемого разрядным током, протекающим по изделиям, и их распределение в разрядном промежутке становится неоднородным. Поэтому изделие прогревается неравномерно, что обуславливает низкое качество химико-термической обработки.The disadvantage of this installation should be attributed to the fact that it is suitable for processing only small-sized products. With an increase in the size of the workpiece, and therefore with an increase in the discharge current, it is difficult to ensure uniformity of the electron flow over the entire surface of the product. This is due to the fact that low-energy electrons are under the influence of a magnetic field created by the discharge current flowing through the products, and their distribution in the discharge gap becomes inhomogeneous. Therefore, the product is heated unevenly, which leads to a low quality of chemical-thermal treatment.
Известна установка для обработки поверхности изделий, выбранная в качестве прототипа (патент Украины №53365А, С23С 8/06, 2003) [2]. Установка содержит рабочую камеру, в которой изолированный держатель изделий является анодом. Рабочая камера соединена через отверстия с эмиссионной камерой, в которой установлен расходуемый электрод (катод) вакуумно-дугового разряда. Анод и указанный электрод подключены к основному источнику постоянного тока. К рабочей камере прикреплена дополнительная эмиссионная камера, сообщающаяся с рабочей камерой через отверстие. В дополнительной эмиссионной камере расположен нерасходуемый электрод, выполняющий функцию анода и подключенный к дополнительному источнику постоянного тока.A known installation for surface treatment of products, selected as a prototype (Ukrainian patent No. 533365A, C23C 8/06, 2003) [2]. The installation comprises a working chamber in which the insulated product holder is an anode. The working chamber is connected through openings to an emission chamber in which a consumable electrode (cathode) of a vacuum arc discharge is installed. The anode and said electrode are connected to the main DC source. An additional emission chamber is attached to the working chamber, which communicates with the working chamber through an opening. A non-consumable electrode is located in the additional emission chamber, which performs the function of the anode and is connected to an additional DC source.
При включении основного источника постоянного тока между катодом и анодом (держателем с изделиями) возбуждается дуговой разряд. Катод вакуумно-дугового разряда может обеспечить практически любой по величине разрядный ток. Отверстия, соединяющие рабочую камеру с эмиссионной камерой, в которой установлен катод, способствуют увеличению падения напряжения и являются зоной сжатия дугового разряда. В этой зоне из-за увеличения падения напряжения увеличивается скорость электронов в положительном столбе дугового разряда, что ведет к увеличению мощности прогрева обрабатываемого изделия и повышению равномерности прогрева изделия.When the main DC source is turned on, an arc discharge is excited between the cathode and the anode (holder with products). The cathode of a vacuum arc discharge can provide almost any magnitude of the discharge current. The holes connecting the working chamber to the emission chamber in which the cathode is mounted contribute to an increase in voltage drop and are a compression zone of the arc discharge. In this zone, due to an increase in the voltage drop, the electron velocity in the positive column of the arc discharge increases, which leads to an increase in the heating power of the workpiece and an increase in the uniformity of the heating of the product.
При включении дополнительного источника постоянного тока между газовым вакуумно-дуговым разрядом рабочей камеры и анодом второй эмиссионной камеры возбуждается дополнительный вакуумно-дуговой разряд. Ионы этого разряда благодаря отверстиям между второй эмиссионной и рабочей камерами ускоряются в сторону держателя с изделиями. Это обеспечивает эффективную диссоциацию молекул рабочего газа, т.е. увеличивает концентрацию нейтральных атомов рабочего газа, активно взаимодействующих с поверхностью изделия. Эти обстоятельства обуславливают повышение эффективности химико-термической обработки.When you turn on an additional DC source between the gas vacuum-arc discharge of the working chamber and the anode of the second emission chamber, an additional vacuum-arc discharge is excited. Ions of this discharge due to the holes between the second emission and working chambers are accelerated towards the holder with the products. This ensures effective dissociation of the working gas molecules, i.e. increases the concentration of neutral atoms of the working gas, actively interacting with the surface of the product. These circumstances lead to an increase in the efficiency of chemical-thermal treatment.
Недостатком установки является ограниченность технологических операций, которые можно проводить с помощью нее. В частности, в установке [2] невозможно осуществлять очистку поверхности изделий, а также наносить функциональные покрытия на поверхность изделий, прошедших предварительно химико-термическую обработку.The disadvantage of this installation is the limited technological operations that can be carried out using it. In particular, in the installation [2] it is impossible to clean the surface of products, as well as to apply functional coatings to the surface of products that have previously undergone chemical-thermal treatment.
В основу изобретения поставлена задача - создать такую установку для комплексной обработки поверхности изделий, которая по сравнению с установкой, выбранной в качестве прототипа, обладала большими функциональными возможностями.The basis of the invention is the task of creating such an installation for complex surface treatment of products, which, in comparison with the installation selected as a prototype, had great functionality.
Поставленная задача решается в установке для комплексной обработки поверхности изделий в вакууме, содержащей рабочую камеру с изолированным держателем изделий, эмиссионную камеру с расходуемым электродом, имеющую стенку с отверстиями, общую с рабочей камерой, основной источник питания, положительный полюс которого соединен с корпусом камер, а отрицательный полюс выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду, дополнительный источник питания, положительный полюс которого выполнен с возможностью подключения к держателю изделия, а отрицательный полюс его выполнен с возможностью подключения к корпусу камер. В соответствии с изобретением в рабочей камере установлен дополнительный расходуемый электрод из материала покрытия, обращенный поверхностью испарения в сторону держателя изделий и выполненный с возможностью подключения к отрицательному полюсу основного источника питания, а положительный полюс дополнительного источника питания выполнен с возможностью подключения к расходуемому электроду и к дополнительному расходуемому электроду.The problem is solved in the installation for complex surface treatment of products in vacuum, containing a working chamber with an insulated product holder, an emission chamber with a consumable electrode, having a wall with holes in common with the working chamber, the main power source, the positive pole of which is connected to the camera body, and the negative pole is made with the possibility of connecting to a consumable electrode, an additional power source, the positive pole of which is made with the possibility of connecting to the holder products, and its negative pole is made with the ability to connect to the camera body. In accordance with the invention, an additional consumable electrode of a coating material is installed in the working chamber, facing the evaporation surface towards the product holder and configured to connect to the negative pole of the main power source, and the positive pole of the additional power source is configured to connect to the consumable electrode and to the additional consumable electrode.
Наличие в эмиссионной камере стенки с отверстиями, общей с рабочей камерой, дает возможность направлять поток ускоренных частиц (электронов или ионов в зависимости от вида проводимой технологической операции) в сторону обрабатываемого изделия.The presence in the emission chamber of a wall with holes in common with the working chamber makes it possible to direct the flow of accelerated particles (electrons or ions, depending on the type of technological operation) to the side of the workpiece.
Наличие дополнительного расходуемого электрода из материала покрытия, возможность подключения его к отрицательному полюсу основного источника питания, а также подсоединения общей стенки к положительному полюсу основного источника питания, а расходуемого электрода к положительному полюсу дополнительного источника питания позволяет наносить покрытие из вакуумно-дугового разряда с дополнительной бомбардировкой газовыми ионами, что свидетельствует о расширении технологических возможностей установки.The presence of an additional consumable electrode from the coating material, the possibility of connecting it to the negative pole of the main power source, as well as connecting the common wall to the positive pole of the main power source, and the consumable electrode to the positive pole of the additional power source allows coating from a vacuum-arc discharge with additional bombardment gas ions, which indicates the expansion of the technological capabilities of the installation.
Расходуемый электрод, расположенный в эмиссионной камере, выполнен с возможностью подключения к отрицательному полюсу основного источника питания или к положительному полюсу дополнительного источника питания. Он может быть использован в качестве катода или анода вакуумно-дугового разряда (в зависимости от вида проводимой технологической операции). Если расходуемый электрод является катодом, а обрабатываемое изделие - анодом, то изделие подвергается бомбардировке электронами и за счет этого нагревается или подвергается химико-термической обработке в зависимости от состава рабочего газа. Если расходуемый электрод является анодом, то в сторону обрабатываемого изделия направлен поток ускоренных ионов рабочего газа, производящих катодное распыление поверхности обрабатываемого изделия (ионную очистку поверхности).A consumable electrode located in the emission chamber is configured to connect to the negative pole of the main power source or to the positive pole of the additional power source. It can be used as a cathode or anode of a vacuum-arc discharge (depending on the type of technological operation). If the consumable electrode is the cathode, and the workpiece is the anode, then the product is bombarded by electrons and thereby heats up or undergoes chemical-thermal treatment depending on the composition of the working gas. If the consumable electrode is an anode, then a stream of accelerated ions of the working gas is directed toward the workpiece, producing cathodic atomization of the surface of the workpiece (ionic surface cleaning).
Благодаря тому что дополнительный электрод может быть подключен к положительному полюсу дополнительного источника питания (анодом является дополнительный электрод), изделие бомбардируется ускоренными электронами, вследствие чего поверхность изделия заряжается отрицательно, причем величина отрицательного (плавающего) потенциала прямо пропорциональна энергии ускоренных электронов. Отрицательно заряженная поверхность притягивает к себе положительные ионы газа, которые производят ее очистку путем катодного распыления. При этом не имеет значения, является ли эта поверхность проводником или диэлектриком.Due to the fact that the additional electrode can be connected to the positive pole of the additional power source (the anode is an additional electrode), the product is bombarded with accelerated electrons, as a result of which the surface of the product is negatively charged, and the negative (floating) potential is directly proportional to the energy of accelerated electrons. A negatively charged surface attracts positive gas ions, which purify it by cathodic sputtering. It does not matter if this surface is a conductor or a dielectric.
При соединении отрицательного полюса основного источника питания с дополнительным расходуемым электродом, а положительного полюса дополнительного источника с основным расходуемым электродом происходит нанесение покрытия на поверхность изделия за счет испарения дополнительного электрода в дуговом разряде одновременно с бомбардировкой осаждаемого покрытия газовыми ионами, ускоренными в зоне отверстий.When connecting the negative pole of the main power source with the additional consumable electrode, and the positive pole of the additional source with the main consumable electrode, coating is applied to the surface of the product due to the evaporation of the additional electrode in the arc discharge simultaneously with the bombardment of the deposited coating with gas ions accelerated in the area of the holes.
Таким образом, с помощью предлагаемой установки можно осуществлять нагрев изделия, подготовку его поверхности и химико-термическую обработку с последующим нанесением функционального покрытия, сопровождаемым ионной бомбардировкой, что обуславливает ее широкие функциональные возможности.Thus, using the proposed installation, it is possible to carry out heating of the product, preparation of its surface and chemical-thermal treatment, followed by the application of a functional coating, accompanied by ion bombardment, which determines its wide functionality.
На чертеже приведена конструктивная схема заявляемого устройства.The drawing shows a structural diagram of the inventive device.
Установка содержит рабочую камеру 1 с дополнительным расходуемым электродом 2, эмиссионную камеру 3 с основным расходуемым электродом 4. Рабочая 1 и эмиссионная 3 камеры имеют общую стенку с отверстиями 5. Установка снабжена основным источником питания 6, положительный полюс которого соединен с корпусами камер 1 и 3, а отрицательный полюс имеет возможность подключения через двухполюсной переключатель 7 к основному расходуемому 4 или дополнительному расходуемому 2 электродам. Установка снабжена также дополнительным источником питания 8, отрицательный полюс которого соединен с корпусами камер 1 и 3, а положительный имеет возможность подключения через трехполюсной переключатель 9 к держателю 10 изделия, электроду 4 или дополнительному электроду 2. Держатель изделия может вращаться вокруг вертикальной оси.The installation contains a working chamber 1 with an additional consumable electrode 2, an emission chamber 3 with the main consumable electrode 4. The working 1 and emission 3 chambers have a common wall with holes 5. The installation is equipped with a main power source 6, the positive pole of which is connected to the cases of chambers 1 and 3 and the negative pole has the ability to connect through a bipolar switch 7 to the main consumable 4 or additional consumable 2 electrodes. The installation is also equipped with an additional power source 8, the negative pole of which is connected to the housings of the chambers 1 and 3, and the positive pole can be connected via a three-pole switch 9 to the product holder 10, electrode 4 or additional electrode 2. The product holder can rotate around a vertical axis.
Работу установки можно рассмотреть на примере комплексной обработки поверхности инструмента из быстрорежущей стали для повышения его износостойкости. Комплексная обработка состоит из следующих технологических операций:The operation of the installation can be considered on the example of integrated surface treatment of a tool made of high speed steel to increase its wear resistance. Complex processing consists of the following technological operations:
- нагрев обрабатываемого инструмента до рабочей температуры;- heating the workpiece to operating temperature;
- ионная очистка поверхности инструмента;- ionic cleaning of the surface of the instrument;
- химико-термическая обработка поверхности инструмента (например, азотирование);- chemical-thermal treatment of the surface of the instrument (for example, nitriding);
- нанесение упрочняющего покрытия из нитрида титана на поверхность с одновременной обработкой поверхности ускоренными ионами азота (ионное ассистирование).- applying a hardening coating of titanium nitride to the surface with simultaneous surface treatment with accelerated nitrogen ions (ion assisting).
Нагрев инструмента производят так. После откачки камер 1 и 3 и напуска в них рабочего газа до парциального давления ~10-1 - 1 Па (для нагрева изделий целесообразно использовать инертный газ, например, аргон) включают основной источник питания 6, к положительному полюсу которого через переключатель 7 подключен электрод 4. Между электродом 4 (катод) и стенкой эмиссионной камеры 3 (анод) возбуждается вакуумно-дуговой разряд в парах материала катода. После этого включают дополнительный источник питания 8, к отрицательному полюсу которого через переключатель 9 подключен держатель образца 10. Между положительным столбом вакуумно-дугового разряда в эмиссионной камере 3 и изделием 11 (инструментом) возникает разность потенциалов. Под воздействием этой разности потенциалов электроны плазмы проникают сквозь отверстия 5 в рабочую камеру 1, ионизируя рабочий газ в зоне разрядного промежутка. Общей стенкой с отверстиями 5 газовый вакуумно-дуговой разряд разбивается на две области, существующие в эмиссионной камере 3 и в рабочей камере 1. Эмиссия электронов, производящих ионизацию газа в рабочей камере 1, происходит с поверхности плазмы в отверстиях 5 небольшого сечения. Сжатие поперечного сечения плазменного потока в зоне отверстий 5 приводит к увеличению падения напряжения в этой зоне и, как следствие, к ускорению электронов. Поэтому практически все напряжение от основного источника питания 6 приложено к зоне отверстия 5 и определяет энергию ускоренных электронов, достаточную для нагрева изделия 11 большой массы за короткое время.The heating of the instrument is done as follows. After the chambers 1 and 3 are pumped out and the working gas is poured into them to a partial pressure of ~ 10 -1 - 1 Pa (it is advisable to use an inert gas, for example, argon for heating the products), the main power source 6 is turned on, to the positive pole of which an electrode is connected via switch 7 4. Between the electrode 4 (cathode) and the wall of the emission chamber 3 (anode), a vacuum-arc discharge is excited in the vapor of the cathode material. After that, an additional power source 8 is turned on, to the negative pole of which a sample holder 10 is connected through the switch 9. A potential difference occurs between the positive column of the vacuum-arc discharge in the emission chamber 3 and the product 11 (tool). Under the influence of this potential difference, the plasma electrons penetrate through the holes 5 into the working chamber 1, ionizing the working gas in the zone of the discharge gap. A common wall with holes 5 gas vacuum-arc discharge is divided into two areas that exist in the emission chamber 3 and in the working chamber 1. The emission of electrons that ionize the gas in the working chamber 1, occurs from the plasma surface in the holes 5 of a small cross section. Compression of the cross section of the plasma flow in the zone of the holes 5 leads to an increase in the voltage drop in this zone and, as a consequence, to the acceleration of electrons. Therefore, almost all the voltage from the main power source 6 is applied to the zone of the hole 5 and determines the energy of accelerated electrons, sufficient to heat the product 11 of large mass in a short time.
Ионную очистку поверхности инструмента от загрязнения (органические загрязнения, окисные и др. пленки на поверхности металла) осуществляют так. Электрод 4 через переключатель 7 соединяют с отрицательным полюсом источника питания 6, а дополнительный электрод 2 через переключатель 9 подключают к положительному полюсу дополнительного источника 8. В этом случае вакуумно-дуговой разряд возбуждается в зоне разрядного промежутка рабочей камеры 1. Так же как при нагреве, ускоренные в зоне отверстий 5 электроны бомбардируют изделие 11 (инструмент). Ускоренные электроны заряжают изделие 11 до отрицательного потенциала, определяемого их энергией. Поскольку потенциал плазмы в эмиссионной камере 3 близок к потенциалу электрода 2, то изделие 11 оказывается заряженным отрицательно относительно плазмы. Под воздействием этого потенциала ионы рабочего газа ускоряются из зоны разрядного промежутка и бомбардируют поверхность изделия 11, очищая его поверхность от загрязнений.Ionic cleaning of the tool surface from pollution (organic pollution, oxide and other films on the metal surface) is carried out as follows. The electrode 4 through the switch 7 is connected to the negative pole of the power source 6, and the additional electrode 2 through the switch 9 is connected to the positive pole of the additional source 8. In this case, a vacuum-arc discharge is excited in the zone of the discharge gap of the working chamber 1. As with heating, accelerated in the area of the holes 5, the electrons bombard the product 11 (tool). Accelerated electrons charge the product 11 to a negative potential, determined by their energy. Since the plasma potential in the emission chamber 3 is close to the potential of the electrode 2, the product 11 is negatively charged relative to the plasma. Under the influence of this potential, the ions of the working gas are accelerated from the zone of the discharge gap and bombard the surface of the product 11, cleaning its surface from contamination.
Поскольку при ионной очистке потенциал от источника питания непосредственно к изделию не подводится, очистка применима не только для электропроводящих изделий, но и непроводящих (стекло, керамика и др.).Since during ion cleaning, the potential from the power source is not directly supplied to the product, cleaning is applicable not only to electrically conductive products, but also to non-conductive ones (glass, ceramics, etc.).
Для нанесения покрытия из нитрида титана дополнительный расходуемый электрод 2 изготавливают из титана. Для нанесения покрытия переключатель 7 устанавливают в положение, когда он соединяет основной источник питания 6 с дополнительным электродом 2, а переключатель 9 - в положение, когда он соединяет источник питания 8 и электрод 4. Зажигается дуговой разряд между электродом 2 и корпусом камеры 1, от электрода 2 (катода) испускаются потоки металлической плазмы, которые осаждаются на изделии, образуя покрытие. Одновременно в камеру напускают рабочий газ (азот, аргон, их смеси и др.). В зоне отверстий 5 значительно возрастает напряженность электрического поля, в результате чего происходит ускорение заряженных частиц электрической плазмы - электронов и газовых ионов. При этом поток ионов направлен в сторону катода вакуумно-дугового разряда (изделия). Происходит нанесение покрытия с одновременной бомбардировкой поверхности изделия 11 ускоренными ионами рабочего газа (азота) - ионное ассистирование.For coating of titanium nitride, an additional consumable electrode 2 is made of titanium. For coating, the switch 7 is set to the position when it connects the main power source 6 to the additional electrode 2, and the switch 9 to the position where it connects the power source 8 and electrode 4. An arc discharge is ignited between the electrode 2 and the camera body 1, from electrode 2 (cathode) emits streams of metal plasma, which are deposited on the product, forming a coating. At the same time, working gas (nitrogen, argon, mixtures thereof, etc.) is introduced into the chamber. In the area of the holes 5, the electric field strength increases significantly, as a result of which there is an acceleration of charged particles of electric plasma - electrons and gas ions. In this case, the ion flux is directed toward the cathode of the vacuum-arc discharge (product). Coating occurs with simultaneous bombardment of the surface of the product 11 with accelerated ions of the working gas (nitrogen) - ion assisting.
Пример. В рабочей камере 1 устанавливают расходуемый электрод 2 (катод) из титана с размерами: 700×120×30. Общая для камер 1 и 3 стенка имеет 30 отверстий. В эмиссионной камере 3 устанавливают расходуемый электрод 4 из нержавеющей стали 10Х18 H10Т диаметром 200 мм и толщиною 30 мм. Основной источник питания 6 имеет напряжение холостого хода 60 В, мощность 10 кВт. Дополнительный источник питания 8 имеет напряжение 220 В, мощность 25 кВт. В держателе 10 устанавливают изделия 11: цилиндр из нержавеющей стали 10Х18 H10Т диаметром 500 мм, высотой 700 мм и размещенными на нем пластинками из стали Р6М5 размером 20×20×5.Example. In the working chamber 1 establish a consumable electrode 2 (cathode) of titanium with dimensions: 700 × 120 × 30. The common wall for chambers 1 and 3 has 30 holes. In the emission chamber 3, a consumable electrode 4 of 10X18 H10T stainless steel with a diameter of 200 mm and a thickness of 30 mm is installed. The main power source 6 has an open circuit voltage of 60 V, a power of 10 kW. Additional power source 8 has a voltage of 220 V, power 25 kW. In the holder 10, the articles 11 are installed: a cylinder made of stainless steel 10X18 H10T with a diameter of 500 mm, a height of 700 mm and placed on it plates of steel P6M5 with a size of 20 × 20 × 5.
Нагрев цилиндра 11 до температуры 500°С производят с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 4) и 8 (положительный полюс подключен к держателю 10). Зажигается дуговой разряд между электродом 4 и корпусом камеры 3. Напускают аргон, при этом образуется газометаллическая плазма. Сжатый вакуумно-дуговой разряд осуществляется между расходуемым катодом 4 и цилиндром 11. Максимальный ток разряда 110 А, энергия электронов, определяемая напряжением источника питания, 11-220 эВ. Парциальное давление аргона в процессе прогрева - 0,3 Па. Скорость вращения цилиндра 12 об/мин. Время разогрева цилиндра от комнатной температуры до 500°С составляет ~0,5 час.The cylinder 11 is heated to a temperature of 500 ° C with power sources 6 (the negative pole connected to the electrode 4) and 8 (the positive pole connected to the holder 10). An arc discharge is ignited between the electrode 4 and the body of the chamber 3. Argon is released, and a gas-metal plasma is formed. A compressed vacuum-arc discharge is carried out between the sacrificial cathode 4 and cylinder 11. The maximum discharge current is 110 A, the electron energy, determined by the voltage of the power source, 11-220 eV. The partial pressure of argon during heating is 0.3 Pa. The cylinder rotation speed is 12 rpm. The warm-up time of the cylinder from room temperature to 500 ° C is ~ 0.5 hour.
Ионную очистку производят с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 4) и 8 (положительный полюс подключен к дополнительному электроду 2). Зажигают дуговой разряд между электродом 4 и корпусом камеры 3, напускают аргон. Очистку ведут при следующих параметрах: ток сжатого вакуумно-дугового разряда - 80 А, ионный ток через цилиндр 11 составляет 19 А, парциальное давление аргона 0,3 Па, время проведения процесса 15 мин, напряжение на электродах сжатого вакуумно-дугового разряда 220 В. В результате проведения процесса ионной очистки распыляется ~1 мкм поверхностного слоя материала.Ion cleaning is carried out with the power sources turned on 6 (the negative pole is connected to the electrode 4) and 8 (the positive pole is connected to the additional electrode 2). An arc discharge is ignited between the electrode 4 and the chamber body 3, argon is introduced. The cleaning is carried out with the following parameters: the compressed vacuum-arc discharge current is 80 A, the ion current through cylinder 11 is 19 A, the argon partial pressure is 0.3 Pa, the process time is 15 minutes, and the voltage on the electrodes of the compressed vacuum-arc discharge is 220 V. As a result of the ion cleaning process, ~ 1 μm of the surface layer of the material is sprayed.
После осуществления ионной очистки следует процесс азотирования. Азотирование пластинок из стали Р6М5 размером 20×20×5 осуществляют в смеси азота и аргона при парциальном давлении аргона 0,3 Па и азота - 0,4 Па. Азотирование проводят при температуре 500°С в течение 30 мин. Схема включения переключателей 7 и 9 и параметры сжатого вакуумно-дугового разряда такие же, как и при проведении процесса ионной очистки.After ion purification, a nitriding process follows. The nitriding of 20 × 20 × 5 steel plates made of P6M5 steel is carried out in a mixture of nitrogen and argon at a partial pressure of argon of 0.3 Pa and nitrogen of 0.4 Pa. Nitriding is carried out at a temperature of 500 ° C for 30 minutes The switching circuit of the switches 7 and 9 and the parameters of the compressed vacuum-arc discharge are the same as during the ion cleaning process.
Заключительным этапом комплексной поверхностной обработки является нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана с одновременной бомбардировкой поверхности конденсации ускоренными до 220 эВ ионами азота. Эту операцию осуществляют с включенными источниками питания 6 (отрицательный полюс подключен к электроду 2) и 8 (положительный полюс подключен к дополнительному электроду 4). Параметры проведения процесса: ток дугового разряда - 300 А, ток сжатого вакуумно-дугового разряда - 80 А; парциальное давление азота - 0,7 Па, скорость вращения цилиндра 12 об/мин, время проведения процесса - 90 мин.The final stage of complex surface treatment is the application of a wear-resistant coating of titanium nitride with simultaneous bombardment of the condensation surface by nitrogen ions accelerated to 220 eV. This operation is carried out with the power sources turned on 6 (the negative pole is connected to the electrode 2) and 8 (the positive pole is connected to the additional electrode 4). The parameters of the process: current of the arc discharge - 300 A, the current of the compressed vacuum-arc discharge - 80 A; the partial pressure of nitrogen is 0.7 Pa, the cylinder rotation speed is 12 rpm, the process time is 90 minutes.
В результате проведения комплексной обработки поверхности изделия получено стальное изделие с покрытием из нитрида титана (толщина слоя покрытия составляет 5 мкм). При измерении твердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 200 г сколы, трещины и отслоения покрытия отсутствуют.As a result of complex surface treatment of the product, a steel product with a titanium nitride coating was obtained (coating layer thickness is 5 μm). When measuring hardness on the PMT-3 device with a load of 200 g, chips, cracks and delamination of the coating are absent.
Таким образом, предлагаемая установка для комплексной обработки поверхности изделий обладает по сравнению с установкой, выбранной в качестве прототипа, большими функциональными возможностями - позволяет осуществлять в едином технологическом цикле прогрев обрабатываемого изделия до рабочей температуры, ионную очистку поверхности изделий, химико-термическую обработку его поверхности, нанесение функционального покрытия на поверхность с одновременной бомбардировкой осаждаемого покрытия ускоренными газовыми ионами.Thus, the proposed installation for complex processing of the surface of the products has, in comparison with the installation selected as a prototype, great functionality - it allows for the heating of the workpiece to a working temperature in a single technological cycle, ionic cleaning of the surface of the products, chemical-thermal treatment of its surface, applying a functional coating to the surface with simultaneous bombardment of the deposited coating with accelerated gas ions.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA20040907853 | 2004-09-27 | ||
| UA20040907853A UA79773C2 (en) | 2004-09-27 | 2004-09-27 | Plant for complex treatment of article surface in vacuum |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005128784A RU2005128784A (en) | 2007-05-10 |
| RU2329334C2 true RU2329334C2 (en) | 2008-07-20 |
Family
ID=38107455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005128784/02A RU2329334C2 (en) | 2004-09-27 | 2005-09-16 | Installation for complex surface processing in vacuum |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2329334C2 (en) |
| UA (1) | UA79773C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2413033C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-02-27 | Государственное учреждение Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5167789A (en) * | 1991-03-20 | 1992-12-01 | Leybold Aktiengesellschaft | Apparatus for coating a substrate |
| RU2037559C1 (en) * | 1992-08-10 | 1995-06-19 | Волин Эрнст Михайлович | Method and apparatus to deposit coatings on pieces by ionic dispersion method |
| RU2113537C1 (en) * | 1996-10-25 | 1998-06-20 | Омский государственный университет | Method for production of aluminum nitride film |
| RU2173353C2 (en) * | 1999-09-06 | 2001-09-10 | Кубанский государственный технологический университет | Gear to machine holes in parts in discharge under low- pressure conditions |
-
2004
- 2004-09-27 UA UA20040907853A patent/UA79773C2/en unknown
-
2005
- 2005-09-16 RU RU2005128784/02A patent/RU2329334C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5167789A (en) * | 1991-03-20 | 1992-12-01 | Leybold Aktiengesellschaft | Apparatus for coating a substrate |
| RU2037559C1 (en) * | 1992-08-10 | 1995-06-19 | Волин Эрнст Михайлович | Method and apparatus to deposit coatings on pieces by ionic dispersion method |
| RU2113537C1 (en) * | 1996-10-25 | 1998-06-20 | Омский государственный университет | Method for production of aluminum nitride film |
| RU2173353C2 (en) * | 1999-09-06 | 2001-09-10 | Кубанский государственный технологический университет | Gear to machine holes in parts in discharge under low- pressure conditions |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2413033C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-02-27 | Государственное учреждение Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA79773C2 (en) | 2007-07-25 |
| RU2005128784A (en) | 2007-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4992153A (en) | Sputter-CVD process for at least partially coating a workpiece | |
| JP5160730B2 (en) | Beam plasma source | |
| US7411352B2 (en) | Dual plasma beam sources and method | |
| US5294322A (en) | Electric arc coating device having an additional ionization anode | |
| US6113752A (en) | Method and device for coating substrate | |
| US6352627B2 (en) | Method and device for PVD coating | |
| JPS61201769A (en) | Reactive vapor deposition of oxide, nitride and oxide nitride | |
| JP2001190948A (en) | Method and apparatus for plasma treating a surface | |
| US6083356A (en) | Method and device for pre-treatment of substrates | |
| WO2008049463A1 (en) | Method and apparatus for manufacturing cleaned substrates or clean substrates which are further processed | |
| RU2329334C2 (en) | Installation for complex surface processing in vacuum | |
| RU2146724C1 (en) | Method for depositing composite coatings | |
| JP2003193227A (en) | Source for vacuum processing process | |
| JP3555033B2 (en) | Apparatus for coating a substrate with a material vapor under negative pressure or vacuum | |
| CN113366600B (en) | Electrode device for plasma source for performing plasma processing | |
| RU2037559C1 (en) | Method and apparatus to deposit coatings on pieces by ionic dispersion method | |
| RU2037561C1 (en) | Apparatus for surface strengthening by treatment | |
| Walkowicz et al. | Pulsed-plasma assisted magnetron methods of depositing TiN coatings | |
| KR200436092Y1 (en) | Ion Nitriding Vacuum Deposition Coating Equipment | |
| JP4792571B2 (en) | PVD coating equipment | |
| RU2096520C1 (en) | Electric-arc evaporator | |
| UA10775A (en) | METHOD For vacuum arc coverings application and device for realization the same | |
| RU2423754C2 (en) | Method and device to manufacture cleaned substrates or pure substrates exposed to additional treatment | |
| RU1070949C (en) | Method of producing diamond-like coatings | |
| RU2075539C1 (en) | Device for ionic-plasma spraying of materials in vacuum |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090917 |