УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке и может быть применено в машиностроении для упрочняющей поверхностной обработки деталей машин преимущественно шеек коленчатых валов и инструмента.

Известны установки для комплексной обработки инструмента и деталей машин (комплексная обработка включает в себя азотирование с последующим нанесением износостойкого покрытия). Процесс комплексной поверхностной обработки проводится в установке двух типов: установках ионного азотирования [1] и в установках ионно-плазменного напыления (например, в установках типа "Булат"). При проведении процесса комплексной обработки в двух установках производительность процесса падает практически в два и более раз.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для нанесения упрочняющих покрытий, содержащая электродуговой испаритель (катод), установленный на фланце вакуумной камеры, получающий электропитание от источника постоянного тока [2]
К недостатку установки следует отнести ограниченность ее технологических возможностей. В установке возможно наносить только упрочняющие покрытия. При этом особенностью установки является то, что прогрев изделий осуществляется бомбардировкой ионами металла. При обработке большой массы металлических изделий время прогрева велико и за это время происходит растравливание поверхности изделия. При необходимости комплексной поверхностной обработки изделия, включающей химико-термическую обработку с последующим нанесением износостойкого покрытия, обработку проводят в двух установках: установке ионного азотирования с последующим нанесением износостойкого покрытия в описанной установке. В результате производительность процесса в целом уменьшается.

Цель изобретения расширение технологических функций установки за счет обеспечения возможности выполнения дополнительных технологических операций химико-термической обработки и электронного нагрева изделий.

Цель достигается тем, что в устройстве для упрочняющей поверхностной обработки шеек коленчатых валов, содержащем источник постоянного тока, электрически связанный с интегрально-холодным катодом и анодом вакуумно-дугового разряда, которые размещены в вакуумной камере в среде реакционного газа при пониженном давлении, в зоне катода размещено непроницаемое для ионов металла, генерируемых интегрально-холодным катодом, и проницаемое для электронов средство для сепарации последних из металлогазовой ступени плазмы, создаваемой в катодном пространстве между катодом и упомянутым средством.

В устройстве в качестве средства для сепарации электронов может использоваться непосредственно стенка камеры, расположенная в зоне катода дугового разряда, при этом рабочая поверхность катода должна быть обращена в сторону упомянутой стенки, лежащей противоположно аноду.

Кроме того, катод дугового разряда может быть установлен с возможностью разворота его рабочей поверхности на 180^о относительно средства для сепарации электронов в сторону анода.

Целесообразно средство для сепарации электронов выполнять в виде набора V-образных пластин, обращенных одной своей боковой поверхностью в сторону катода, а другой боковой поверхностью в сторону анода.

Анод разряда можно выполнять в виде полого цилиндра, торец которого направлен в сторону катода дугового разряда, установленного с возможностью размещения в его полости обрабатываемого изделия, при этом устройство целесообразно снабдить охватывающим анод соленоидом и диском с центральным отверстием, установленным соосно с анодом в пространстве между средством для сепарации электронов и торцом анода в непосредственной близости от последнего.

Наиболее целесообразно устройство снабдить распыляемой мишенью, токоподвод к которой соединен с отрицательным полюсом источника тока, при этом мишень расположена между диском с центральным отверстием и анодом соосно с обоими и выполнена в виде диска с центральным отверстием.

На фиг. 1-3 показаны наиболее предпочтительные варианты конструктивного исполнения установки.

Устройство содержит рабочую камеру 1, в которой размещены катод 2, анод 3, держатель 4 для обрабатываемого изделия 5. Камера 1 соединена с источником 6 реакционного газа и имеет патрубок 7, соединенный с насосом (на чертеже не показан) для откачки воздуха из рабочего объема камеры 1 по направлению стрелки А и создания в ней вакуума. Катод 2 и анод 3 через изоляторы 8, вмонтированные в стенки камеры 1, соединены с источником 9 постоянного тока. В качестве катода 2 используется интегрально-холодный катод электродугового разряда. Катод 2 имеет экран 10, образующий на катоде 2 нерабочую 11 и рабочую 12 поверхности. В камере 1 в зоне катода 2 размещено средство 13, непроницаемое для ионов металла, генерируемых интегрально-холодным катодом 2 электродугового разряда и проницаемое для электронов, сепарируемых из металлогазовой ступени плазмы, создаваемой катодом 2. В варианте выполнения устройства по фиг. 2 и 3 средство 13 выполнено в виде набора V-образных пластин 14, обращенных одной своей боковой поверхностью 15 в сторону катода 2, а другой боковой поверхностью 16 в сторону изделия 5. Средство 13 разделяет объем камеры 1 на две части 17 и 18. Часть 18 является рабочим объемом камеры 1, а часть 17 является вспомогательной и служит для эмиссии электронов в часть 18. На обрабатываемом изделии 5 для контроля температуры нагрева закреплена термопара 19, которая выведена наружу вакуумной камеры 1 через изолятор 20, вмонтированный в одну из стенок камеры 1, и электрически соединена с регистрирующим температуру изделия 5 блоком 21.

Кроме того, устройство содержит двухпозиционный переключатель 22, соединенный с источником 9 постоянного тока и с анодом 3 и обрабатываемым изделием 5. Блок 21 одновременно является блоком управления двухпозиционным переключателем 22. При этом вход блока 21 электрически связан с термопарой 19, а выход кинематически связан с термопарой 19, а выход кинематически связан с двухпозицонным переключателем 22. Устройство также содержит еще один источник 23 постоянного тока, соединенный своим отрицательным полюсом через переключатель 24 с держателем 4 изделия 5, а своим положительным полюсом с камерой 1.

В варианте устройства по фиг. 1 интегрально-холодный катод 2 разряда установлен так, что его рабочая поверхность 12 обращена в сторону, противоположную аноду 3. В этом случае средством 13, непроницаемым для ионов металла, служит непосредственно стенка 25 камеры 1. В этом варианте катод 2 разряда должен быть установлен с возможностью углового перемещения таким образом, что его рабочая поверхность 12 разворачивается на 180^о относительно анода 3 или стенки 25 камеры 1. Поворот осуществляется посредством рукоятки 26 механизма поворота, исполнительный орган которого введен в полость камеры 1 через изолятор 8.

В варианте устройства по фиг. 2 анод 3 выполнен в виде полого цилиндра 27, торец 28 которого направлен в сторону катода 2 и в полости 29 которого расположены обрабатываемые изделия 30 в виде стержней, установленных на держателе 31. Цилиндр 27 анода 3 охвачен соленоидом 32. В камере 1 соосно с цилиндром 27 между пластинами 14 средства 13 и указанным цилиндром 27 установлен диск 33 с центральным отверстием 34.

В варианте по фиг. 3 предусмотрена распыляемая мишень 35 с центральным отверстием 36, установленная соосно с диском 33 и цилиндром 27 анода 3 между диском 33 и торцом 28 цилиндра 27 анода 3. В качестве распыляемой мишени 36 в описываемом варианте выполнения устройства использован диск. Распыляемая мишень 35 соединена с отрицательным полюсом источника 37 постоянного тока через изолятор 38, вмонтированный в стенку камеры 1. Распыляемая мишень 35 имеет поверхность 39 распыления.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Воздух из рабочей камеры 1 посредством насоса (на чертеже не показан) через патрубок 7 откачивается до давления примерно на порядок меньше, чем рабочее давление. После обезгаживания камеры 1 в нее производится впуск реакционного газа, преимущественно азота. Впуск реакционного газа производят с помощью источника 6, давление азота устанавливают в интервале 10^-2-10 Па. На анод 3 и катод 2 подают напряжение от источника 9 постоянного тока. С помощью системы поджига дугового разряда (на чертеже не показана) на катоде 2 инициируется катодное пятно.

Катодное пятно перемещается по рабочей поверхности 12 катода 2. По нерабочей поверхности 11 катода 2 катодное пятно перемещаться не может, поскольку вся нерабочая поверхность 11 катода 2 прикрыта изолированным от катода 2 экраном 10, перекрывающим связи катода 2 с анодом 3 через столб плазмы.

Столб плазмы, генерируемый катодным пятном, состоит из ионов металла (продуктов эрозии материала катода 2), ионизируемых в прикатодной области электродугового разряда и распространяющихся от катода 2 с высокой скоростью по прямолинейным траекториям, и электронов. Помимо ионов металла в столбе плазмы присутствуют ионы реакционного газа, образующиеся в результате перезарядки при столкновении ионов металла с нейтральными молекулами реакционного газа. Поскольку ионы металла распространяются по прямолинейным траекториям, а между катодом и анодом размещено средство 13, то ионы металла задерживаются на поверхности последнего, конденсируясь на ней.

Под воздействием электрического поля анода электроны металло-газовой плазмы из объема 17 с металло-газовой плазмой устремляются в объем 18 и ионизируют находящийся в нем реакционный газ, образуя газовую плазму, сквозь которую проходит ток электродугового разряда. Таким образом, средство 13 является границей двух разнородных в физическом отношении областей: области металло-газовой плазмы, заполняющей объем 17 камеры 1, и области чисто газовой плазмы, заполняющей объем 17 камеры 1.

При электронной бомбардировке поверхности изделия 5 (при подаче на него от источника 9 положительного потенциала) последнее прогревается. Контроль температуры производится с помощью термопары 19. После прогрева осуществляют выдержку в заданном температурном режиме при подаче на изделие отрицательного потенциала. Для этого после проведения процесса нагрева изделия 5 при положительном потенциале переключатель 22 из положения I переводится в положение II, то есть разряд переводится на анод 3, а держатель 4 присоединяется переключателем 24 к источнику 23. При этом на изделие 5 подается высоковольтный отрицательный потенциал, под действием которого ионы газовой плазмы ускоряются к поверхности изделия, производя при этом ее химико-термическую обработку.

Для варианта устройства по фиг. 1 операции нагрева и выдержки осуществляют при положении катода, изображенном на фиг. 1 пунктирной линией. Для выполнения операции нанесения покрытия для варианта устройства по фиг. 1 катод разворачивают на 180^о, в результате чего обеспечивается беспрепятственный пролет ионов металла к поверхности изделия. В этом случае покрытие наносится материалом катода.

В устройстве, изображенном на фиг. 2, благодаря диску 33 с центральным отверстием, полому цилиндру 27 анода 3 электрическое поле внутри полости цилиндра 27 направлено нормально к оси цилиндра 27 по направлению его радиуса. Соленоид 32, охватывающий анод 3, создает аксиально-симметричное магнитное поле.

Таким образом, внутри полости цилиндра 27 электрическое и магнитное поля направлены под углом 90^о одно к другому, что ведет к повышению степени ионизации плазмы и, как следствие, к интенсификации процесса химико-термической обработки. Кроме того, возрастает доля электрической энергии, передаваемой от электродугового разряда газовой плазме, а это, в свою очередь, увеличивает нагревательную способность газовой плазмы, используемую в случае, когда нагрев и выдержку обрабатываемого изделия проводят при плавающем потенциале на обрабатываемом изделии.

Вариант устройства по фиг. 3 обладает всеми преимуществами устройства по фиг. 2 и, кроме того, имеет расширенные технологические возможности возможность нанесения после проведения процесса химико-термической обработки износостойкого покрытия. Для этого устройство снабжено распыляемой мишенью 35, изготовленной из материала покрытия. При подаче на мишень 35 высоковольтного отрицательного потенциала ее поверхность 39 распыления, обращенная к плазме газового разряда, подвергается ионной бомбардировке и распыляется. Распыляемый материал осаждается на изделиях 30, образуя износостойкое покрытие.

При нанесении покрытия в качестве реакционного газа используется смесь газов, состоящая из аргона и азота. В общем случае операции нагрева и выдержки во всех вариантах данного устройства можно осуществлять при подаче на изделие положительного, отрицательного или плавающего (инициируемого газовой ступенью плазмы) разряда.

Возможность проведения интенсивного процесса химико-термической обработки при плавающем потенциале без подачи напряжения на изделие позволяет осуществлять процесс без контроля температуры на изделиях.

Таким образом, большой диапазон различных вариантов выполнения предлагаемого способа обработки, реализуемого заявленным устройством, состоящего из химико-термической обработки и последующего нанесения упрочняющего покрытия, позволяет в широких промышленных объемах производить обработку изделий в диапазоне низких давлений 10^-2-10 Па.

Использование: для химико - термической обработки и нанесения упрочняющих металлических покрытий на шейки коленчатых валов, иных деталей машин, а также на рабочие поверхности режущего инструмента. Сущность изобретения: заключается в том, что в вакуумной камере между анодом и катодом возбуждают двухступенчатый вакуумно - дуговой разряд с металлогазовой и газовой ступенями плазмы. Средством для сепарации электронов из металлогазовой ступени плазмы разряда может служить непосредственно стенка камеры. Рабочая поверхость катода при этом обращена в сторону, противоположную аноду, к упомянутой стенке камеры. Обработку производят в газовой ступени плазмы разряда, что позволяет в значительной степени повысить качество упрочняющего слоя и последовательно производить химико - термическую обработку (в частности, азотирование) и нанесение поверхностного покрытия в едином технологическом цикле. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ, содержащее источник постоянного тока, электрически связанный с интегрально-холодным катодом и анодом вакуумно-дугового разряда, которые размещены в вакуумной камере в среде реакционного газа при пониженном давлении, и держатель для изделий, отличающееся тем, что в зоне катода размещено не проницаемое для ионов металла, генерируемых интегрально-холодным катодом, и проницаемое для электронов средство для сепарации последних из металлогазовой плазмы, создаваемой в катодном пространстве между катодом и упомянутым электроизолированным от вакуумной камеры средством, держатель для изделий расположен между упомянутым средством и анодом и имеет токоподвод для соединения с одним из полюсов источника постоянного тока, а катод и не проницаемое для ионов металла средство установлены с возможность относительного перемещения для обеспечения прямой видимости рабочей поверхности катода со стороны обрабатываемого изделия. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средства для сепарации электронов использована непосредственно стенка камеры, расположенная в зоне катода дугового разряда, а рабочая поверхность катода обращена в сторону упомянутой стенки, противополежащей аноду. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что катод и не проницаемое для ионов металла средство установлены с возможностью относительного перемещения посредством разворота рабочей поверхности катода на 180^o относительно средства для сепарации электронов в сторону анода. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для сепарации электронов выполнено в виде набора У-образных пластин, обращенных одной своей боковой поверхностью в сторону катода, а другой боковой поверхностью в сторону анода. 5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что анод разряда выполнен в виде полого цилиндра, торец которого направлен в сторону катода дугового разряда, и установлен с возможностью размещения в его полости обрабатываемого изделия, при этом устройство снабжено охватывающим анодом соленоидом и диском с центральным отверстием, установленным соосно с анодом в пространстве между средством для сепарации электронов и торцом анода в непосредственной близости от последнего. 6. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что оно снабжено распыляемой мишенью, токоподвод к которой соединен с отрицательным полюсом источника тока, при этом мишень расположена между дисками с центральным отверстием и анодом соосно с обоими и выполнена в виде диска с центральным отверстием.