СПОСОБ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C23C8/36 

Изобретение относится к способам и устройствам для ионной обработки деталей машин, инструментов и эндопротезов пучками ионов и может найти применение в автомобильной, тракторной, инструментальной, приборостроительной, электронной и других отраслях промышленного производства, а также в медицине и биологии.

Известны способы и устройства ионного азотирования приповерхностных слоев металлов, сталей и сплавов при помощи аксиально- и плоскосимметричных пучков ионов азота, ускоренных до энергии 40-3000 кэВ с токами от долей микроампера до нескольких миллиампер, создаваемых плазменными источниками ионов/1/.

Недостатками способов ионной обработки относительно слабоинтенсивными пучками ионов являются небольшая толщина модифицированного слоя, равная пробегу иона азота в металлах и сплавах /0,01-1 мкм/, большая неоднородность распределения плотности тока ионов по радиусу пучка /она уменьшается в 2,7 раза на расстоянии нескольких миллиметров от оси пучка/, малая производительность обработки и длительное время облучения детали.

Ближайшим техническим решением является способ и устройство для ионной обработки цилиндрических деталей, заключающийся в ионной очистке поверхности от загрязнений, нанесении защитного титанового слоя на рабочую поверхность и имплантации ионов азота до образования нитрида титана в приповерхностном слое /2/.

Это устройство цилиндрическая ионная пушка -содержит маску для нанесения на цилиндрическую деталь методом испарения титана, две сетки, шесть вольфрамовых катодов, испаритель титана с диафрагмами. На деталь подается напряжение плюсовой полярности 30-40 кВ, вакуум в источнике 2•10^-6- 7•10^-5 Па создают турбомолекулярный и криогенный насосы. При напуске в источник азота до давления 1•10^-1 Па и подаче на деталь 30 кВ ток ионов азота на нее достигает 3 мА. На детале диаметром 3 см, длиной 7 см среднее значение плотности тока ионов азота равно 0,091 мА/см², а плотности мощности 2,7 Вт/см².

Недостатками известного технического решения являются: во-первых, относительно небольшие значения тока и плотности тока ионов, следовательно, небольшая производительность процессов ионной обработки и большая длительность ионной очистки /6-13 мин/ и получения пленок нитрида титана /15-42 мин/. Во-вторых, несмотря на начальный высокий криогенного качества вакуум поверхность детали загрязняется атомами примесных газов, так как рабочее давление азота равно 5•10^-2-8•10^-3 Па. В-третьих, ток ионов азота сильно зависит от давления газа вблизи детали. Наконец, даже без учета мощности, излучаемой вольфрамовыми катодами, ионная бомбардировка нагревает деталь до 440^oC, что часто недопустимо.

Техническим результатом является увеличение силы тока и плотности тока ионов азота, использование для ионной очистки поверхности ионов аргона, повышающих скорость очистки поверхности от загрязнений, увеличение толщины модифицированного слоя, повышение однородности распределения плотности тока и дозы облучения на поверхности детали, уменьшение давления рабочего и примесных газов вблизи обрабатываемой поверхности, повышение адгезии защитного покрытия к поверхности, повышение адгезии защитного покрытия к поверхности детали, понижение ускоряющего ионы и вторичные электроны напряжения, а также длины волны рентгеновского излучения, создаваемого ими, повышение радиационной безопасности и энергетического и газового коэффициента полезного действия ионного источника, уменьшение длительности обработки, повышение производительности процессов ионной обработки деталей, особенно обладающих осью симметрии, обработка приповерхностного слоя и всей детали в широком диапозоне температур.

Технические результаты достигаются тем, что в способе ионной обработки деталей машин и инструментов, заключающемся в ионной очистке от загрязнений, нанесении защитного слоя на рабочую поыверхность и имплантации ионов азота до образования нитрида металла на поверхности детали, очистку поверхности произодят интенсивным пучком ионов аргона, получаемым из плазмы газового разряда с высокой концентрацией ионов (10¹⁰-10¹³ см^-3) в газоразрядной камере при давлении аргона 0,7-4,7 Па, а на поверхности обрабатываемой детали давление рабочего газа р_рг и парциальное давление загрязняющих поверхность газов р_зг поддерживают из условий:
где J₊ плотность тока ионов аргона, А/см², S_пл - коэффициент распыления загрязняющей пленки, ат/ион, M_зг молекулярная масса загрязняющего газа, T температура этого газа, K, f коэффициент прилипания молекул или атомов загрязняющего газа к поверхности детали, после ионной очистки проводят нанесение металлического слоя и имплантацию ионов азота в поверхность защитного слоя до образования износостойкого нитрида металла, например Cr₂N или Fe₄N, при имплантации ионы азота смешивают с ионами водорода или гелия, или меди, на плазму воздействуют магнитным полем остроугольной геометрии напряженностью 500-2000 Э, ионную обработку ведут в импульсном или частотно-импульсном режимах электрического питания источника ионов, устройство для ионной обработки деталей машин и инструментов, содержащее испаритель, деталь мишень, катоды прямого канала, анод, систему электрического питания и систему вакуумной откачки, снабжено газоразрядной камерой и ионно-оптической системой, выполненной в виде трех коаксиально расположенных электродов: эмиссионного, являющегося внутренней стенкой газоразрядной камеры, ускоряющего и заземленного с щелями для вытягивания, фокусировки и ускорения нескольких (3-76) радиальных плоскостях, направленных к оси устройства пучков ионов аргона или азота или смешанных пучков ионов газов и металлов, два цилиндрических анода и испарители установлены в газоразрядной камере, в которой помещены катоды прямого накала равномерно по окружности и по длине наружной поверхности стенки цилиндрической камеры, наружная поверхность газоразрядной камеры равномерно окружена постоянными магнитами, площадь поверхности эмиссии электронов катодов составляет 4-6,5% от площади внутренних стенок газоразрядной камеры, расстояние d₂ между заземленным и ускоряющим электродами выбрано из условия d₂=(0,3-0,8)d₃, а расстояние d₃ между ускоряющим и эмиссионным электродами выбирают из условия электрической прочности U= 80 d0,83

где U ускоряющая разность потенциалов, равная 10-40 кВ для оптимальных условий имплантации, длина щелевых отверстий эмиссии L_щ определяется длиной рабочего участка обрабатываемой детали L_уд L_щ=(1,1-1,2) L_уд, число щелей рассчитано из соотношений: N_щ= πD/b_пд, b_пд= Δ_щ+2d_сtgθ_⊥ где D диаметр детали, b_пд ширина пучка на поверхности детали, Δ_щ ширина щели эмиссии, θ_⊥ угол расхождения пучка перпендикулярно щели эмиссии, d_c=D₁ + d₂ + d₃, где d₁ расстояние между поверхностью детали и заземленным электродом, система электрического питания выполнена в виде источников постоянного напряжения и тока накала катода, дугового разряда, высоковольтного источника электрического питания ионного источника, источника электрического питания ускоряющего электрода, причем корпус газоразрядной камеры соединен с положительной клеммой высоковольтного источника электрического питания ионного источника, ускоряющий электрод соединен с отрицательной клеммой этого же источника и такой же клеммой источника электрического питания ускоряющего электрода, заземленный электрод и обрабатываемая деталь заземлены, прямонакальные катоды выполнены из вольфрама или его сплавов, или гексаборида лантана в виде двух близко расположенных прямолинейных проволок или стержней, или бифилярной намотки, другая система электрического питания выполнена в виде импульсионных или частотно-импульсных источников напряжения и тока накала катодов, дугового разряда, высоковольтного источника электрического питания ионного источника, источника электрического питания ускоряющего электрода, причем длительность импульсов изменяют от одной миллисекунды до одной секунды, а частоту их следования от 0,1 до 100 Гц.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение ионного источника и обрабатываемой детали, а также система электрического питания катодов, газового разряда, высоковольтного источника и ускоряющего электрода;на фиг. 2 продольное сечение источника по ABCDE;на фиг. 3 сложение гауссовских распределений плотности тока ионов на поверхности детали от четырех широких ленточных пучков; на фиг. 4 для трех подобных пучков; на фиг. 5 для 36-ти узких пучков, имеющих угол расходимости перпендикулярно щели эмиссии 1^o;на фиг. 6 аналогично фиг. 5, но при упомянутом угле 4^o;на фиг. 7 при использовании 76-ти ленточных пучков с углом расходимости 4^o.

На фиг. 1 и 2 показаны: катоды 1, два анода 2, газоразрядная камера 3, эмиссионный электрод 4, ускоряющий электрод 5, заземленный электрод 6, вводы для подачи газа или смеси газов 7, проволочки 8 для защитных слоев, постоянные магниты 9, разъем 10 источника на две части для установки детали, ленточные пучки ионов 11, обрабатываемая деталь 12, источник электрического питания катодов 13, источник электрического питания дугового разряда 14, высоковольтный источник электрического питания ионного источника 15, источник электрического питания ускоряющего электрода 16 и проволочек 8,17.

На фиг. 3 представлено сложение гауссовских распределений, число которых может быть 3-76, плотности тока ионов от четырех широких ленточных пучков 11 с полушириной a 2 см и θ_⊥= 1^q по окружности детали диаметром 25 мм, создающих в суммарном распределении 18 неоднородность распределения плотности тока ионов ±1,2% от его среднего значения.

На фиг. 4 сложение трех подобных пучков создает неоднородность распределения плотности тока ±3,7%
На фиг. 5 изображено суммарное распределение плотности тока ионов от сложения распределений от 36-ти узких ленточных пучков с шириной щели 0,4 мм в эмиссионном электроде с радиусом 225 мм на детали диаметром 50 мм с неоднородностью плотности тока ионов ±43%
На фиг. 6 показано подобное распределение, но при радиусе эмиссионного электрода 62,5 мм, диаметре детали 25 мм и θ_⊥= 4^q, создающее неоднородность распределения плотности тока ионов ±27%
На фиг. 7 использование 76-ти подобных ленточных пучков и указанных выше размеров эмиссионного электрода и диаметра детали снижает неоднородность распределения плотности тока ионов на поверхности детали до ±7,5%
На фиг. 3-7 ясно, что основными факторами, оказывающими существенное влияние на суммарное распределение плотности тока ионов от сложения радиально сходящихся пучков,являются угол расходимости ленточного пучка перпендикулярно щели эмиссии, ширина пучка в отверстии эмиссии, а также количество пучков, геометрические размеры детали и радиус эмиссионного электрода. Увеличить угол расходимости в пределах 1-15^o можно различными способами, например, за счет увеличения радиуса кромок перемычек, образующих щели, или/и ширины эмиссионной щели, или/и уменьшения длины ускоряющего зазора.

Из теории и практики ионного (катодного) метода очистки поверхностей различных материалов от всевозможных загрязнений, включая окислы, карбиды металлов и полимерные соединения, известно, что для получения достаточно чистых поверхностей необходимо иметь поток ионов с достаточно высокой плотностью тока и энергией ионов, обеспечивающей скорость распыления, значительно превышающую скорость конденсации молекул и/или атомов загрязняющих газов или паров, поступающих вместе с рабочим газом, из стенок вакуумной камеры и обрабатываемой детали и вакуумных насосов на поверхность детали.

Это условие записывают в виде неравенства:
p_зг≪ (2,2•10^-2•j₊S_плM1/2зг

T^1/2/f (I)
где p_зг давление загрязняющего газа, Па, J₊ плотность тока ионов, предпочтительно аргона, А/см², S_пл коэффициент распыления загрязняющей пленки, ат/ион, M_зг и T молекулярная масса и температура загрязняющего газа, t коэффициент прилипания (сорбции) молекул или атомов загрязняющего газа к поверхности обрабатываемой ионами детали. К числу таких газов относятся углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота.

Обеспечив на поверхности детали 12 давление рабочего газа, например азота 10^-2-10^-3 Па, давление всех загрязняющих газов 10^-3-10^-4 Па, M_зг 12 55, T 300 400 К, S_пл 0,2 3 ат/ион, t 0,1 1, при плотности тока ионов аргона 0,2 100 мА/см² с энергией 10-20 кэВ условие, выраженное формулой (I), будет удовлетворено.

Для получения вышеуказанных значений плотности тока ионов необходима плазма с высокой концентрацией ионов (10¹⁰-10¹³ см^-3), а для создания пучков ионов с током 1-20 А поверхность эмиссии плазмы должна быть равной 10 1000 см². Чтобы получить указанные параметры плазмы с достаточной однородностью распределения концентрации и температуры ионов и электронов (5-10%), можно использовать дуговой разряд с накаленными катодами 1 и двумя анодами 2 при давлении рабочего газа в газоразрядной камере 3 0,7-4,7 Па. Имеется возможность получения плотной плазмы при помощи СВЧ-разряда.

После ионной очистки поверхности детали наносят катодным распылением или испарением пленку материала защитного слоя, например титана или хрома, или иттербия, или меди.

После ионной очистки и нанесения защитного покрытия в ионный источник вместо аргона подают азот, получают пучки ионов азота примерно при тех же значениях давления, что и аргона, производят имплантацию ионов азота дозой, обеспечивающей образование износостойкого нитрида металла детали и/или защитного покрытия, например, Cr₂N или Fe₄N. При достаточной плотности тока ионов рабочего газа или смеси газов, например азот и аргон, азот и гелий, операции ионной очистки и имплантации объединяются в одном процессе.

Плотность тока ионов, извлекаемых из плазмы в плоскости щелей эмиссии, определяют из уравнения:
j₊= 8•10^-6n₊T1/2e

M^-1/2 (2)
где n₊ концентрация ионов, см^-3, T_e температура электронов, К, M молекулярная масса ионов, J₊ плотность тока ионов, А/см².

В табл.1 для T_e 10 ⁵К приведены рассчитанные по формуле (2) значения концентрации ионов азота n_N+ и аргона n_Ar+ необходимые для получения плотности тока диффузии ионов 0,0025 2,5 А/см².

В табл. 1 даны также минимальные давления газов, необходимые для получения требуемой концентрации ионов при полной ионизации газов. В ионных источниках такого типа степень ионизации газов составляет 30-60%
Распределение плотности и температуры электронов в газоразрядной камере, например, цилиндрической формы по радиусу в водородной плазме существенно зависит от давления газа. При давлении газа 0,65 и 1,3 Па плотность ионного тока в центральной части вблизи оси камеры максимальна и равна 0,28 0,31 А/см², а на радиуса 4 см 0,24 0,25 А/см². Тогда как при давлении 4,65 Па в центральной части камеры плотность тока становится минимальной, 0,16 А/см², а на радиусе 4 см она возрастает до 0,25 -А/см². При оптимальном значении давления газа около 1 Па концентрация ионов и температура электронов достаточно однородны. Концентрация ионов по радиусу изменяется в пределах 4 8% а температура электронов 4 5% от их средних значений.

При плоской границе плазмы плотность тока ионов, вытягиваемых из плазмы электрическим полем, рассчитывают по закону "трех вторых"
j₊=5,4•10 ^-8U^3/2d^-2M^-1/2,
где j₊ плотность тока ионов, А/см², d расстояние между эмиссионным и ускоряющим ионы электродом, см, M- молекулярная масса иона.

Ионный источник для ионной обработки аксиально симметричных деталей машин и инструментов состоит из катодов 1, изготовленных из вольфрамовых проволочек или из проволочек с нанесенными на них, например, плазменным нанесением, слоем гексаборида лантана, и двух анодов 2, выполненных в виде двух охлаждаемых колец, изолированных от катодов и газоразрядной камеры 3. Катоды попарно размещены в камере 3 равномерно по окружности внешней ее стенки. Эмиссионный электрод 4 выполнен из тугоплавкого материала, например из молибденового сплава, содержащего ванадий (0,5 1,0 мас.). Вдоль образующей этого охлаждаемого водой электрода имеются линейные щели в количестве от 3-х до 76-ти в зависимости от размеров обрабатываемой детали 12. При обработке некоторых деталей с кольцевыми рабочими поверхностями, к примеру протяжек, в эмиссионном электроде 4, ускоряющем электроде 5 и заземленном электроде 6 изготавливают щели кольцевой формы. Вводы для подачи аргона, азота или смечи газов располагают равномерно по азимуту верхней и нижней части газоразрядной камеры 3. Испарители 8 изготавливают из материала защитного покрытия, которое необходимо нанести на деталь, например,из титановых, медных, иттриевых или других проволочек. Постоянные магниты 9 изготавливают из феррита или сплава неодим-железо-бор, которые обеспечивают напряженность магнитного поля остроугольной геометрии 500 1000 Э на внутренней поверхности внешнего цилиндра камеры 3. Разъемы 10 обеспечивают установку в ионном источнике деталей сложной конфигурации с размерами, превышающими внутренний диаметр заземленного электрода 6 или габаритные размеры ионного источника, например коленчатого вала автомобиля, судового двигателя, эндопротеза. Система электрического питания ионного источника включает источники постоянного напряжения и тока для накала катодов 13, дугового разряда 14, высокого напряжения 15, ускоряющего электрода 16 и испарителей 17.

Способ использования и работа источника ионов для ионной обработки аксиально симметричных деталей и инструментов заключаются в следующем. Обрабатываемую деталь 12 помещают вдоль оси ионного источника так, чтобы обрабатываемая поверхность находилась в области воздействия сходящихся к оси ленточных или концентрических, или сегментных или другой необходимой формы элементарных (одиночных) или сплошных пучков ионов, состоящих из одиночных пучков. На прямоканальные катоды 1 подают электрическое напряжение от источника питания 13, которое вызывает прохождение через них электрического тока, плотность тока которого достаточна, чтобы нагреть их поверхность до температуры, обеспечивающей эмиссию термоэлектронов с плотностью тока примерно 30 А/см². При использовании катодов из вольфрама температура их поверхности эмиссии электронов должна быть равной 3150 К. Если используют катоды из гексаборида лантана, то температуру поверхности эмиссии электронов понижают до 1500 К.

В газоразрядную камеру 3 при помощи вводов 9 подают аргон. Между катодами 1 и анодами 2 подают электрическое напряжение около 100 В. При давлении аргона 0,7 4,7 Па между катодами 1 и анодами 2 зажигают дуговой разряд. После этого или до зажигания разряда на газоразрядную камеру 3 от источника 14 подают напряжение плюсовой полярности 15 20 кВ, а на ускоряющий электрод 5 от источника питания 16 подают напряжение минусовой полярности. В области щелей эмиссии границе плазмы под действием вытягивающего ионы электрического поля придают форму мениска, вогнутого в сторону ускоряющего электрода 5. Из щелей эмиссии вытягиваются, фокусируются и ускоряются элементарные ленточные пучки ионов 11. При оптимальных условиях генерации и вытягивании ионов получают ламинарные пучки с небольшими углами расхождения перпендикулярно щели θ_⊥= 1-2^° и вдоль щели Оптимальное значение первеанса пучка равно (1,2 1,4)• 10^-7 A•B^-3/2)•см^-2. Распределение плотности тока ионов аргона или азота перед началом ионной очистки или ионной очистки и имплантации одновременно измеряют по длине и азимуту суммарного сходящегося к оси ионного источника пучка ионов при помощи системы электрических зондов. Результаты этих измерений фиксируются в памяти компьютера. Зонды раздвигаются на длину обрабатываемого участка и во время обработки детали 12 с двух сторон регистрируют распределение плотности тока по окружности в начале и конце обрабатываемого участка.

Очистку поверхности детали от загрязнений контролируют и регистрируют при помощи масс-спектрометра или прибором, измеряющим энергетические спектры отраженных электронов с энергией 1 20 кэВ. При снижении токовых сигналов, характеризующих уровень загрязняющих атомов и молекул, до заданной величины, отключают подачу аргона в ионный источник через вводы 7 и включают клапан для ввода в него азота. Начинают процесс имплантации ионов в материал детали до образования нитридов железа или хрома, обладающих повышенной стойкостью к износу. Затем включают испарители 8 и наносят защитное покрытие при одновременной бомбардировке его ионами азота до образования нитрида материала покрытия, обладающего повышенной стойкостью к износу и коррозионной стойкостью. После выполнения вышеуказанных операций ионной обработки деталь выводится из зоны обработки и на ее место устанавливается новая деталь. Все операции ионной обработки повторяются.

Ионнообработанные детали направляют на послеимплантационный отжиг и после охлаждения до 50 70^oC направляют в накопитель готовых деталей или через шлюзовую камеру выводят из вакуумной камеры на атмосферу.

Распределение плотности тока J₊(х) ионов азота ли смеси газов с энергией 15 25 кэВ перпендикулярно щели эмиссии записывают в виде гауссовской формулы:
J₊(х) J₊₀exp(-x²/a²) (4)
где J₊₀ плотность тока ионов в максимуме распределения, равная 1 100 мА/см ², x расстояние от центра щели, a полуширина распределения плотности тока на высоте максимума 1/е, равная 1 4 см. Рассмотрим распределение плотности тока по окружности детали, равной 78,5 мм, при использовании четырех ленточных пучков с J₊₀ 1 мА/см² и a 2 см, сходящихся к оси детали в плоскостях, расположенных через 90^o по азимуту.

Результаты расчетов по формуле (4) приведены в табл.2.

На фиг. 3 приведены распределения плотности тока ионов для четырех ленточных пучков 11 и суммарное распределение 18 на поверхности детали 12 диаметром 25 мм. Из фиг. 3 видно, что для данных условий неоднородность плотности тока ионов по окружности детали составляет ±1,2% от среднего значения плотности тока ионов 1,76 мА/см².

При использовании трех ленточных пучков ионов, облучающих деталь 12 при тех же условиях, что указано выше, но пучки падают на поверхность в плоскостях, расположенных через 120^o по азимуту, как видно из фиг. 4, азимутальная неоднородность распределения плотности тока 18 от сложения трех распределений пучков 11 составляет ± 3,7% а среднее значение равно 1,35 мА/см². Этот вариант цилиндрического источника ионов несколько хуже первого, но вполне пригоден для применения.

В приведенных примерах широкие ленточные пучки получают из элементарных ленточных пучков с шириной щели в эмиссионном электроде 2 мм и шаге между соседними щелями 4 мм. В этих условиях требуются высоковакуумные насосы с большой быстротой откачки. Для уменьшения ее необходимо уменьшить поток газа из газоразрядной камеры 3 путем уменьшения ширины щелей в эмиссионном электроде 4.

На фиг. 5 показан пример облучения детали диаметром 50 мм 36-ю ленточными пучками с шириной щели эмиссии 1 мм при θ_⊥=1^° при радиусе эмиссионного электрода 4, равном 225 мм. Видно, что неоднородность распределения плотности тока ионов на поверхности детали 12 по азимуту равна ± 43% Такая большая неоднородность облучения поверхности детали иногда необходима.

При облучении элементарными ленточными пучками, когда ширина щели эмиссии равна 0,4 мм, а угол расхождения θ_⊥=2^q на поверхности детали диаметром 25 мм азимутальная неоднородность распределения плотности тока, как видно из фиг. 6, равна 51,5% Если использовать те же 36-ть элементарных пучка, но увеличить угол θ_⊥ до 4 ^o,то неоднородность распределения уменьшится до 27% Увеличив количество элементарных пучков до 72, как видно из фиг.7, получают значение неоднородности распределения плотности тока суммарного пучка по азимуту ± 7,5%
Приведенные примеры показывают широкие возможности использования элементарных ленточных пучков для изменения азимутального распределения плотности тока ионов по обрабатываемой поверхности детали цилиндрической формы.

Расстояние d₁ между поверхностью обрабатываемой детали и заземленным электродом выбирают из условия обеспечения достаточной проводимостью трубопровода до фланца высоковакуумного насоса. Поток газа Q Па • м³/с, подаваемый в ионной источник для получения пучка ионов с током I А, определяют по формуле:
Q= 0,023 I/η_г (5)
где η_г газовый коэффициент полезного действия ионного источника, равный 30-50% для дуговых источников.

Если ток ионов изменяется в пределах 0,2-25 А, а η_г= 0,5 то Q 0,0092-1,15 Па • м³/с. Для η_г=0,3 в указанном диапазоне токов ионов Q 0,0154-1,925 Па • м³/с.

Проводимость G короткого трубопровода определяют по формуле Клаузинга
G 116 К • Ф (6)
где К коэффициент Клаузинга, Ф площадь входного сечения трубопровода.

Для отношения длины трубопровода к его диаметру 400:100=4 значение К= 0,23, а Ф=0,0785 м² G_n=0,21 м³/с. При постоянстве потока газа для получения тока ионов азота 0,2 А Q=0,0092 Па • м³/с, для быстроты откачки S_н диффузионного паромасляного насоса 4,9 м³/с быстроту откачки источника ионов S₀ определяют из формулы:
S₀ S_нG/(S_н + G), (7)
которая дает значение 1,5 м³/с.

Давление газа в области размещения обрабатываемой детали будет равно p_д Q/S_о= 9,2 • 10^-3/1,5=6,1 • 10^-3 Па. Предельное остаточное давление, создаваемое, к примеру, насосом марки Н-400/7000, имеет значение 6,5 • 10^-3 Па. Этот вакуумный насос обеспечит работу рассмотренного примера цилиндрического ионного источника.

Чтобы газовый разряд с накаленными катодами горел устойчиво, а плазма была однородной и обеспечивала расчетную плотность тока эмиссии ионов, плотностью тока электронов в разряде должна соответствовать критерию Ленгмюра: последняя должна превышать первую в отношении M1/2+

/M1/2e. Для ионов это отношение равно 180, а для иона аргона 272. Аналогичные требования предъявляют к отношению тока разряда к току эмиссии ионов [3]
Для получения однородного разряда с небольшим напряжением горения порядка 30-55 В, необходимо, чтобы поверхность эмиссии катода составляла 4-7% от площади поверхности газоразрядной камеры. Например, для получения пучков ионов водорода с током 35, 75 и 110 А оптимальные значения тока разряда соответственно равны 1300, 3500 и 3000 А. Отношение тока разряда к току эмиссии ионов находится в пределах 27-47, а по критерию Ленгмюра для чисто проточного пучка оно должно быть равным 43. Оптимальная плотность тока ионов равна 0,35-0,5 А/см при плотности тока эмиссии термоэлектронов 30 А/см² вольфрамовых катодов, нагретых до температуры 3150 К. Отношение плотности токов электронов и ионов водорода в разряде находится в пределах 60-86. В газоразрядной камере и в пучке имеется значительное количество ионов водорода с массой М= 2 и М=3. В случаях преобладающего содержания этих компонентов значение критерия Ленгмюра для них соответственно равно 61 и 75. В связи со сказанным для получения пучков ионов азота с плотностью тока эмиссии 1 и 100 мА/см² требуемые значения плотности тока эмиссии электронов равны соответственно 0,18 и 18 А/см². При получении пучков ионов аргона с такой же плотностью тока, ионов, плотностью тока эмиссии электронов повышают соответственно до 0,27 и 27 А/см². Помимо вольфрама такие большие плотности тока термоэлектронов может обеспечить гексаборид лантана, причем при температуре всего 1500 и 2000 К.

При вытягивании и электростатической фокусировке ламинарных слабо расходящихся пучков ионов водорода с токами на десятки ампер, предназначенных для нагрева плазмы до термоядерных температур (100 млн.К), на основании теоретических расчетов траектории ионов и экспериментов найдены оптимальные геометрические формы и размеры элементарных ячеек со щелями в электродах: эмиссионном, ускоряющем и заземленном и расстоянии между ними. Ширину щели в эмиссионном электроде выбирают из условия: Δ_щ=0,5 d а в ускоряющем электроде Δ_у= 0,6d где d=1,43 (t₁ + d₃), где t₁ толщина эмиссионного электрода в области щелей эмиссии. Ширину щели в заземленном электроде определяют из соотношения Δ_зэ=1,5d. Расстояние d₂ между заземленным и ускоряющем электродами выбирают из условия придания необходимой геометрии границы вторичной плазмы пучка ионов: d₂ (0,29-0,8) d₃, а расстоянием d₃ между ускоряющим и эмиссионным электродами выбирают из условия электрической прочности ускоряющего зазора: U=80 d0,83

, где U ускоряющая разность потенциалов, равная 10-40 кВ, выбранная из оптимальных условий ионной имплантации. Толщину электродов t₁ 1-2 мм выбирают из условия механической жесткости конструкции электродов.

Длину щелей в электродах выбирают в зависимости от длины рабочего участка обрабатываемой детали L_щ (1,1-1,2) l_уд. Число щелей N_щ рассчитывают из соотношений: L_щ=πD/b_пд, b_пд=Δ_щ+2d_сtgθ_⊥, где D диаметр детали,b_пд ширина пучка на поверхности детали, Δ_щ ширина щели эмиссии, θ_⊥ угол расположения пучка перпендикулярно щели, d_c d₁ + d₂ + d₃, где d₁ расстояние между поверхностью детали и заземленным электродом.

Точное количество щелей эмиссии, их ширину определяют в зависимости от требуемой неоднородности распределения плотности тока ионов по азимуту цилиндрической детали,ее диаметра, используют при этом графо-аналитический метод, представленный на фиг. 3-7. Для получения необходимой однородности распределения плотности тока ионов можно использовать элементарные ленточные пучки с углами расходимости θ_⊥=4-20^q. Такие углы расходимости получают скруглением кромок щелей эмиссии в эмиссионном электроде. Для этого можно использовать трубки из пластичного молибден-ванадиевого сплава марки 4604 диаметром 3-4 мм с толщиной стенки 0,3-0,5 мм.

Значение ускоряющего напряжения, подаваемого на ионный источник от источника питания 15, выбирают из оптимальных условий проведения процессов: ионной очистки поверхности от загрязнений, стимулирования нанесения защитных покрытий ионной бомбардировкой, имплантации ионов, с образованием нитридов, карбидов, боридов, оксидов, ионной литографии; необходимой производительностью этих процессов; а также нужным энергетическим КПД установки ионно-пучковой обработки деталей машин, инструментов, эндопротезов, семян зерновых и овощных сельскохозяйственных культур.

Например, скорость ионной очистки поверхности определяют по формуле:
v_p= 10^-5j₊S_плM_м/ρ_пл, (8)
где U_p скорость распределения, см/с, J₊ плотность тока бомбардирующих ионов, A/см², S_пл коэффициент распыления загрязняющей пленки, M_м молекулярная масса материала пленки, ρ_пл - плотность пленки, г/см³. Коэффициент распыления большинства материалов ионами аргона быстро растет с увеличением энергии ионов и при энергии 10-20 кэВ достигает значений 2-3 ат/ион. Поэтому для процесса ионной очистки поверхностей от загрязнений названный диапазон энергии ионов является оптимальным с точки зрения необходимой скорости распыления. Следует учитывать, что при углах падения ионов на поверхность 50 85^o значение коэффициента распыления увеличивается в 2 -4 раза, а для легких ионов до 10 раз.

Имплантацию ионов азота в различные конструкционные и инструментальные металлические материалы на опытно-промышленных имплантерах производят при максимальных значениях тока ионов в пучке 20 30 мА, плотности тока 5 10 мкА/см² при энергии ионов 40 100 кэВ, иногда 2 3 МэВ, но при токах ионов порядка 1 мА. В опытах со смешанными пучками ионов углерода и водорода с энергией 200 300 кэВ при плотности тока ионов 100 200 А/см² и длительности импульса 50 100 нс установлена оптимальная плотность энергии в одном импульсе 3 Дж/см².

В наших опытах с применением пучков ионов азота, смешанных пучков ионов азота и водорода, азота и гелия с током ионов 5 7 А, при плотности тока ионов 1 80 мА/см², энергии ионов 15 25 кэВ, длительности импульсов 1 20 мс и плотностью энергии в одном импульсе 3 1200 Дж/см² оптимальная доза энергии ионной обработки найдена равной 300 400 Дж/см². Показана возможность повышения в 2 3 раза износостойкости ряда конструкционных и инструментальных сталей: ст. 3, 65Г, ШХ15, 40Х, ХРГ, быстрорежущих сталей Р6М5, Р18, твердых сплавов Т15К6, Т5К10, а также коррозионной стойкости в 3 6 раз нержавеющей стали Х18Н10Т и титанового сплава ВТ1 в растворах серной кислоты, и алюминиевого сплава Д16 в 3 раза в стандартном испытательном растворе.

Обработка ст. 3 ионами азота дозой 1•10¹⁷см^-2 привела к уменьшению коэффициента трения на 19% увеличению микротвердости на 20% и повышению износостойкости в 2,5 раза. Элементы рабочих органов почвообрабатывающих орудий из стали 65Г, имплантированные ионами азота, при испытаниях на абразивный износ со скоростью 2 м/с на длине рыхления 96 км грунта, состоящего из песка (67% ) и глины (33%),показали уменьшение линейного износа лезвия в 1,9 раза по сравнению с неимплантированными образцами. Плавающие режущие капрон ножи чулочных автоматов "Ева" и "Ева-Р", изготовленные из стали 65Г, прошедшие обработку ионами азота, в производственных условиях чулочной фабрики проработали 10-ть недель, тогда как необлученные заменяют через 2 недели работы.

Производительность процессов ионной обработки приповерхностных слоев всевозможных материалов определяется значениями тока и плотности тока ионов на деталь, а также режимом работы ионного источника. В прототипе ток ионов азота достигал 3 мА, а плотность тока 0,091 мА/см². В предлагаемом способе и устройстве ток ионов на деталь (шток амортизационной стойки легкового автомобиля диаметром 24 мм, общей длиной 388 мм, длиной упрочняемого участка 258 мм) при оптимальных значениях энергии ионы 15 20 кэВ в непрерывном режиме работы составит 95 126 мА, а плотность тока ионов азота 0,49 0,69 мА/см². Производительность ионной обработки увеличится в 16 22 раза.

Если использовать для имплантации ионов азота дозой 2 • 10¹⁷ см^-2 имплантер Z 100 с источником ионов Фримана с одним ленточным пучком ионов азота сечением 2 х 20 см² с током 7 мА и энергией 100 кэВ, при плотности тока ионов 0,175 мА/см², то для равномерного облучения рабочей поверхности детали потребуется облучать ее по крайней мере в 8 позициях через 45^o по окружности, в каждой из которых необходимо перемещать деталь на полную длину упрочняемого участка. Производительность имплантации предлагаемого источника ионов по сравнению с источником Фримана выше в 29 41 раз.

Коэффициент ионного распыления ионами аргона в 2 3 раза больше, чем ионами азота, поэтому скорость ионной очистки от загрязнений ионами аргона будет в 2 3 раза большей, чем ионами азота.

При использовании пучков ионов азота, имеющих плотность тока 1 мА/см² и выше, глубина упрочненного слоя составляет несколько микрон, примерно в 300 раз превышает пробег ионов азота с энергией 15 20 кэВ. При использовании импульсных пучков ионов азота с плотностью тока свыше 10 мА/см² толщина слоя стали ШХ15 с микротвердостью 900 кгс/мм² достигает 50 мкм и на глубине 125 мкм уменьшается до 700 кгс/мм² закаленной стали. Если использовать пучок, состоящий из ионов азота и ионов водорода, то микротвердость приповерхностного слоя несколько снижается (до 860 кгс/мм²), тогда как толщина упрочненного слоя увеличивается до 80 мкм и снижается до микротвердости закаленной стали на глубине 150 мкм. Подобные результаты получают при имплантации смешанного пучка ионов азота с ионами гелия в инструментальную сталь Х12М. Последующий термический отжиг увеличивает глубину упрочненного слоя этой стали до 200 250 мкм, которая в десять тысяч раз превышает пробег иона.

Неоднородность распределения плотности тока ионов на поверхности обрабатываемой детали в упомянутом промышленном и других имплантерах составляет 50 60% от среднего значения. В предлагаемых вариантах источников ионов со сходящимися к оси элементарными ленточными пучками эта неоднородность может быть равной 1,2 7,5%
Давление рабочего газа и загрязняющих газов в прототипе равно 1 • 10^-1 Па, а в предлагаемом источнике они могут быть 6,1 • 10^-3 Па.

Адгезия защитного покрытия к поверхности обрабатываемой детали возрастает в 2 3 раза за счет очистки поверхности от загрязнений, образований центров конденсации и энергетической активации процессов конденсации и образования химических соединений.

Понижение ускоряющего напряжения со 100 300 до 15 20 кэВ уменьшает длину волны рентгеновского излучения в 5 20 раз, которое создается ионами и вторичными электронами пучка. Рентгеновское излучение становится "мягким" и практически полностью поглощается стенками вакуумной камеры.

Уменьшение ускоряющего напряжения в 5 20 раз примерно во столько же раз повышает энергетический КПД имплантера.

Изобретение относится к способам и устройствам для ионной обработки деталей машин и инструментов пучками ионов. Сущность изобретения: поверхность изделия подвергают ионной очистке интенсивным пучком ионов аргона, получаемым из плазмы газового разряда с высокой концентрацией ионов (10¹⁰-10¹³см^-3) в газоразрядной камере при давлении аргона 0,7-4,7 Па, а на поверхности обрабатываемой детали давление рабочего газа р_рг и парциальное давление загрязняющих поверхность газов P_зг поддерживают из условий: р_рг= 10^-2-10^-3 Па, p_зг≪ (2,2•10^-2•j₊•S_пл•M_зг 1/2/f , где J₊ - плотность тока ионов аргона, А/см², S_пл - коэффициент распыления загрязняющей пленки, ат/ион, M_зг - молекулярная масса загрязняющего газа, T - температура этого газа, K, f - коэффициент прилипания молекул или атомов загрязняющего газа к поверхности детали. После очистки на рабочую поверхность наносят защитный слой и проводят имплантацию ионов азота до образования нитрида металла на поверхность детали. Устройство содержит цилиндрическую газоразрядную камеру (ГК) и расположенные в ней по окружности и по высоте наружной стенки катоды прямого накала, ионно-оптическую систему в виде установленных в ГК трех коаксиальных электродов со щелями для фокусировки и ускорения в радиальных плоскостях, направленных к оси устройства пучков аргона или азота или смешанных пучков, испаритель, анод в виде двух колец, систему электрического питания и систему вакуумной откачки. Внешний электрод является внутренней стенкой ГК. Анод и испаритель размещения в ГК. Устройство может иметь расположенные на наружной поверхности ГК постоянные магниты. Катоды прямого накала выполнены из вольфрама или его сплавов, или гексаборида лантана в виде проволочек или бифилярной намотки. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

1. Способ ионной обработки деталей машин и инструментов, включающий ионную очистку поверхности от загрязнений, нанесение защитного слоя на рабочую поверхность и имплантацию ионов азота до образования нитрида металла на поверхности детали, отличающийся тем, что очистку поверхности производят интенсивным пучком ионов аргона, получаемым из плазмы газового разряда с высокой концентрацией ионов (10¹⁰ 10¹³см^-3) в газоразрядной камере при давлении аргона 0,7 4,7 Па, а на поверхности обрабатываемой детали давление рабочего газа P_р.г и парциальное давление загрязняющих поверхность газов P_з.г поддерживают из условий P_р.г 10^-2 10^-3 Па, P_з.г << (2,2•10^-2 • j₊ • S_пл • M_з.г ^1/2/f), где j₊ плотность тока ионов аргона, А/см², S_пл коэффициент распыления загрязняющей пленки, ат/ион, М_з.г молекулярная масса загрязняющего газа, Т температура этого газа, К, f коэффициент прилипания молекул или атомов загрязняющего газа к поверхности детали. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нитрида металла на поверхности формируют Сr₂N или Fe₄N. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имплантацию проводят пучками ионов азота, дополнительно содержащими ионы водорода, или гелия, или меди. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на плазму воздействуют магнитным полем остроугольной геометрии напряженностью 500 2000 Э. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионную обработку ведут в импульсном или частотно-импульсном режиме электрического питания источника ионов. 6. Устройство для ионной обработки деталей машин и инструментов, содержащее испаритель, деталь, катоды прямого накала, анод, систему электрического питания и систему вакуумной откачки, отличающееся тем, что оно снабжено цилиндрической газоразрядной камерой и ионно-оптической системой, выполненной в виде трех коаксиально расположенных электродов с щелями для фокусировки и ускорения в радиальных плоскостях, направленных к оси устройства пучков ионов аргона или азота или смешанных пучков ионов, внешний из которых эмиссионный и является внутренней стенкой газоразрядной камеры, а последующие электроды ускоряющий и заземленный, анод и испаритель установлены в газоразрядной камере, а катоды прямого накала расположены в газоразрядной камере равномерно по окружности и по высоте наружной стенки, при этом анод выполнен в виде двух колец. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено постоянными магнитами, расположенными на наружной поверхности газоразрядной камеры. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что площадь излучения электронов с поверхности катодов составляет 4,0 6,5% от площади внутренних стенок газоразрядной камеры, расстояние между заземленным и ускоряющим электродами равно 0,3 0,8 расстояния d₃ между ускоряющим и эмиссионным электродами, которое выбирают из условия электрической прочности U = 80 d0,83

, длина щели излучения равна 1,1 1,2 длины обрабатываемого участка детали, число щелей определяется из соотношения N_щ= πD/b_пд, и b_п.д= Δ_щ+2d₁tgθ где N_щ число щелей, b_п.д ширина пучка излучения на детали, D диаметр детали, Δ_щ - ширина щели, θ угол расхождения пучка перпендикулярно щели, d₁ - расстояние между поверхностью детали и заземленным электродом, U ускоряющая разность потенциалов, равная 10 40 кВ для оптимальных условий имплантации. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что система электрического питания выполнена в виде источников электрического питания катода, ускоряющего электрода, дугового разряда и высоковольтного источника электрического питания ионного источника, соединенного положительной клеммой с корпусом газоразрядной камеры, а отрицательный с ускоряющим электродом, который соединен с отрицательной клеммой источника электрического питания ускоряющего электрода, катоды прямого накала выполнены из вольфрама или его сплавов или гексаборида лантана в виде прямолинейных проволочек или бифилярной намотки.