СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ В ВАКУУМЕ Российский патент 2014 года по МПК C23C14/02 C23F4/00 B08B3/10 

Заявляемое изобретение относится к технике обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме с целью удаления поверхностных загрязнений.

В настоящее время для очистки изделий широко применяются различные механические, химические и электрохимические способы. В зависимости от характера, типа и степени загрязнения в первую очередь применяются водные растворы моющих средств и растворители, представляющие собой органические жидкости различной полярности (бензол, керосин, ацетон, дихлорэтан и др.). Используемые с этой целью производственные линии очистки, требуют значительных площадей. Выделяющиеся при травлении испарения не только вредны для обслуживающего персонала, но и разрушительно действуют как на производственное оборудование, так и на цеховые конструкции. Кроме того, использование кислот и щелочей требует их утилизации с учетом мер, предотвращающих загрязнение окружающей среды.

Для очистки поверхности материалов от остатков технологических смазок, окалины, оксидных пленок и других типов загрязнений широко применяют дуговой разряд в вакууме. По сравнению с другими методами, данный метод весьма привлекателен из-за его абсолютной экологической безопасности и из-за ряда преимуществ, возникающих при воздействии разряда на обрабатываемую поверхность.

Электрическая дуга - это установившаяся форма электрического тока, проходящая через разрядный промежуток и граничащие с ним электроды, отличающаяся малым катодным падением напряжения (порядка потенциала возбуждения или ионизации атомов плазмообразующей среды) и большими разрядными токами.

Дуговые разряды различаются по характеру физических процессов протекающих на катоде, состоянию плазмы положительного столба, а также по роду и давлению плазмообразующей среды, через которую протекает ток.

Для всех разновидностей дугового разряда независимо от давления плазмообразующей среды ширина области катодного падения напряжения d_к значительно меньше длины свободного пробега электронов λ_e, ввиду чего последние пересекают его в бесстолкновительном режиме.

В работе [Лисенков А.А. Катодные пятна вакуумно-дугового разряда // Вакуумная техника и технология, 2004. Т.14. №4. С.221-226] показано, что при возникновении вакуумно-дугового разряда, в первоначальный момент времени на неочищенной поверхности катода возникает неуправляемый, хаотично перемещающийся и очень быстро охватывающий всю поверхность разряд.

Наличие поверхностных примесей и дефектов даже при малой их концентрации оказывает значительное влияние на термоэмиссионные свойства металлов и приводит к заметному разбросу значений работы выхода (более 0.1 эВ). Данные условия существенно облегчают поддержание развивающегося разряда, способного существовать при более низком значении разрядного тока, чем основной разряд с материала катода.

Разрядный ток определяет количество пятен одновременно существующих на рабочей поверхности катода. Так на тонкопленочных покрытиях загрязнений, ток, замыкающийся на каждое катодное пятно, может поддерживаться током всего лишь в несколько ампер, отчего с увеличением тока разряда наблюдается увеличение одновременно существующих пятен.

При высокой плотности энергии, выделяющейся в катодных пятнах, происходит локальный нагрев поверхности, взрывообразное испарение слоя загрязнений и формирование генерируемых с обрабатываемой поверхности плазменных потоков.

Известен ряд способов обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме:

- воздействие дугового разряда на обрабатываемую поверхность в вакууме при давлении 10^-5…10^-3 мм рт.ст [АС РФ №476041. B08B 1/00. Эстерлис М.Х. и др. Способ удаления окисной пленки и загрязнений с дета лей; заявка №1695276, 30.08.1971. Опубл. 05.07.1975, бюл. №25];

- воздействие дугового разряда на обрабатываемую поверхность в защитной газовой среде [АС РФ №171056. H05B. Фринлянд Л.А, Лещев Э.Н. Способ очистки электродуговой проволоки при дуговой сварке; заявка №818848/25-27, 19.11.1963. Опубл. 11.05.1965].

При горении дугового разряда наблюдаемые физические процессы определяются исключительно поведением катодных пятен, которые являются принципиально неустойчивыми плазменными образованиями и характеризуются некоторым среднестатистическим временем жизни. Основной задачей при удалении поверхностных загрязнений является создание устройств с управляемым характером перемещением катодных пятен по рабочей поверхности.

В [Патент РФ 2180472. H05H 1/50, C23C 14/35. Лисенков А.А. и др. Вакуумно-дуговой источник плазмы; заявка №20001103758/06, 07.02.2000. Опубл. 10.03.2002] показано, что при срабатывании поджигающего устройства на поверхности катода возникают скоростные катодные пятна, которые, не взирая на наличие внешнего магнитного поля, осуществляют хаотические перемещения по всей поверхности катода с целью его очистки, в том числе и на его нерабочей части, где и возникают оптимальные условия для поддержания разряда между катодом и анодом.

В [А.С.РФ №1695704. C23C 14/02. Эстерлис М.Х. и др. Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме; заявка №4339958, 21.12.1987. Опубл. 23.12.1992] для удаления с поверхности деталей окисных пленок и загрязнений, упрочнения или отпуска приповерхностного слоя обрабатываемой детали, удаления заусенец, перемещение катодных пятен по очищаемой поверхности, осуществляется посредством перемещения экрана с отверстием, расположенного между катодом и анодом.

Использование экрана с диафрагмой, требует существенного повышения мощности, вкладываемой в разряд. Интенсивность потоков плазмы из диафрагмы превышает интенсивность катодной и анодной струй, что смещает область их взаимодействия к электродам и способствует формированию диффузной привязки дуги к электродам. Экран в процессе работы интенсивно нагревается, что требует его охлаждения, которое сложно организовать в вакууме. Перемещение экрана над обрабатываемой поверхностью весьма сложно в эксплуатации и требует создания сложных систем электрической изоляции.

В способе катодной обработки деталей устойчивым дуговым разрядом [А.С. РФ №719710. B08B 3/10, H05B 7/00. Эстерлис М.Х. и др. заявка 2569061, 01.12.1977. Опубл. 05.03.1980] - разряд горит между анодом и катодом (обрабатываемая деталь) в режиме падающего участка вольт-амперной характеристики. Для повышения скорости и качества очистки в процессе обработки поверхности изменяется потенциал вдоль обрабатываемой поверхности. За счет чего обеспечивается направленное перемещение катодного пятна. Недостатком этого способа является невысокое качество очистки поверхности изделия и низкая производительность, обусловленные возможностью существования двух типов устойчивого дугового разряда в вакууме в зависимости от характера физических процессов, протекающих в области катодных и анодных пятен.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, представленный в [Патент РФ №2144096. C23C 14/02, C23F 4/04. Антибов Б.Ф. и. др. Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме; заявка №981100036/02, 18.05.1998. Опубл. 10.01.2000].

Локализация катодных пятен дугового разряда на обрабатываемой поверхности в вакууме достигается за счет наложения постоянного магнитного поля. Дуговой разряд возбуждают в режиме возрастающего участка вольт-амперной характеристики, в котором различают катодную и анодную области и расположенный между ними положительный столб.

Для управления перемещением катодных пятен на электрическую дугу накладывается внешнее магнитное поле, при этом, за счет изменения величины и направления вектора магнитной индукции.

Перемещение катодных пятен по обрабатываемой поверхности требует создания сложных механических систем и систем управления по перемещению магнитных систем. Кроме этого данные условия существенно ограничивают области практического применение способа по обработке деталей сложной формы.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме с надежной фиксацией и управляемым характером перемещения катодных пятен по очищаемой поверхности, который был бы прост в эксплуатации и универсален в применении для обработки поверхностей любых геометрических форм.

Решение поставленной задачи позволит достичь следующих технических результатов:

- упростить стабилизацию катодных пятен на обрабатываемой поверхности;

- сократить время протекания технологического процесса очистки;

- повысить качество очищаемой поверхности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, включающего инициирование на обрабатываемой поверхности катодных пятен дугового разряда, который возбуждают в режиме возрастающего участка вольт-амперной характеристики между анодом и катодом, который является обрабатываемой поверхностью, для осуществления локализации области существования катодных пятен на обрабатываемой поверхности и ее смещения путем перемещения анода, при этом используют анод с площадью токоприемной поверхности, меньшей площади катода, и устанавливают его на расстоянии от катода, обеспечивающем положительное анодное падение напряжения.

Реализация стабилизации разряда на обрабатываемой поверхности с использованием выбранных условий горения разряда весьма проста и не требует применения сложных дополнительных конструктивных решений, и позволит обрабатывать изделия любой геометрической формы, включая выборочные участки сложно доступных поверхностей.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. - Вакуумно-дуговое устройство для обработки поверхности изделий катодными пятнами дугового разряда в вакууме и распределение напряжения между электродами.

Фиг.2. - Фотография обработанной поверхности.

Конструкция устройства, реализующего способ обработки поверхности изделий катодными пятнами дугового разряда в вакууме, представлена на (Фиг.1, а).

В рабочем объеме вакуумной камеры располагается катод 1, являющийся обрабатываемой поверхностью произвольных размеров (S_кат) и формы, и находящийся под потенциалом земли. На расстоянии L_к.а от катода 1 располагается анод 2, подключенный к положительному потенциалу источника питания дугового разряда. Площадь приемной поверхности анода - S_a, при этом S_a<<S_к.

Расширение плазменного потока в область анода 2 осуществляется в направлении, прежде всего перпендикулярном поверхности катода 1, на которой сформировано катодное пятно 3, при этом, чем больше расстояние от катода 1 до анода 2, тем большей приемной поверхностью должен обладать анод 2.

Для инициирования катодных пятен дугового разряда используется импульсная схема с поджигающим электродом 4, на который с заданной частотой и амплитудой, подаются импульсы U_под. В зависимости от реализуемой конструкции возможно как перемещение анода 2 относительно обрабатываемой поверхности 1, так и перемещение катода 1 относительно анода 2.

Минимальное расстояние между электродами (L_к.a) определяется областью локализации дугового разряда и условиями эффективного замыкания электронного тока с катода 1 на анод 2 (в процессе работы, при условии перемещения электродов относительно друг друга, расстояние L_к.a остается неизменным). Распределение напряженности электрического поля в подобной системе определяется напряжением на электродах, удельной проводимостью плазмы и пространственным распределением объемного заряда в приэлектродных областях. Наличие нескомпенсированного заряда определяет существование прикатодного (U_к) и прианодного (U_a) падения потенциала (Фиг.1, в).

Общее падение напряжения на дуге (L_дуг) складывается из напряжений на дуговом столбе (U_ст), катодного (U_к) и анодного (U_а - разность потенциалов между краем области невозмущенной анодными явлениями положительного столба и анодом): U_дуг=U_к+U_a+U_ст.

При условии однородности дугового столба, U_ст определяется как произведение напряженности электрического поля E на длину канала дуги l: U_ст=El. В вакуумно-дуговых источниках плазмы, применяемых для формирования покрытий, расстояние между катодом и анодом (L_к.a) достигает 0.5 м. Для эффективной же очистки поверхности катодными пятнами и стабильного горения разряда, расстояние между электродами не превышает нескольких сантиметров.

Между невозмущенной плазмой и анодом 2, формируется приэлектродный слой объемного заряда (Фиг.1, в) - прианодное падение напряжения (U_a), регулирующее поступление заряженных частиц на анод:

$$U_a=-\frac{kTe}{e}\ln \frac{j_e}{j_a}$$ ,

где k - постоянная Больцмана; T_e - электронная температура; 1/2 j_e=0,25en(8kT_e/πm_e)^1/2 - плотность хаотического тока электронов из плазмы; j_a=I_разр/S_a - плотность разрядного тока на анод; S_a - приемная поверхность анода; I_раз - ток разряда.

Как видно, знак прианодного падения напряжения (U_a) зависит от соотношения токов j_e/j_a и может принимать как положительное, так и отрицательное значение.

Если бы полный ток, получающийся интегрированием плотности тока хаотически движущихся электронов плазмы по всей поверхности анода, равнялся требуемому току (j_e=j_a), то в этом идеальном случае U_a=0.

Отрицательное падение реализуется при условии j_eS_a>I_раз (j_e>j_a) и обеспечивается при токе разряда I_раз (для всех рассматриваемых случаев считаем, что I_раз=const), и развитой поверхности анода (S_к<<S_a), к которой прилегает плотная, сильно ионизованная плазма. Данные условия реализуются в вакуумно-дуговых источниках плазмы, применяемых для нанесения покрытий. В этом случае отрицательное анодное падение невелико и составляет (-3…-1) В.

С уменьшением площади анода (S_к≥S_a), при /_раз и соответствующем изменении плотностей токов j_e и j_a, эта оболочка вначале исчезает (при этом I_a=j_eS_a, a U_a=0), а затем заменяется на электронную.

Изменение знака анодного падения потенциала происходит в том случае, если J_eS_a<I_раз: приемная поверхность анода S_a уменьшается (S_к>>S_a), а плотность тока j_a становится равной или больше j_e. В реализуемом способе площадь анода выбирается из следующих условий:

$$S_a<\frac{4I_{раз}}{e{n}_e\sqrt{8k{T}_e/\pi m_e}}\exp (-\frac{e{U}_a}{k{T}_e})$$

Таким образом, анодное падение потенциала (U_a), его знак и величина являются регулятором, поддерживающим концентрацию заряженных частиц перед анодом на уровне, обеспечивающем подведение к нему разрядного тока.

Знак и величина анодного падения напряжения (U_a) зависят от формы и величины приемной поверхности анода 2, от расстояния между электродами (L_к.a), от степени разрежения в вакуумной камере, присутствия газовой среды, тока разряда (I_раз) и ряда других факторов.

В разряде с анодом небольшой площади у анода возникает сильное электрическое поле, оттягивающее от него ионы. При скорости образования ионов такой же, как в столбе, отрицательный объемный заряд не может быть скомпенсирован и устанавливается положительное анодное падение такой величины, что ускоренные на его протяжении электроны производят дополнительную ионизацию, поставляющую необходимое количество ионов.

Кроме электронов, попадающих на анод 2 с энергией соответствующей анодному падению потенциала (U_a), конденсируются и выделяют энергию нейтральные атомы металла, а также сообщается энергия излучения катода и плазменного потока. Вся поступающая энергия должна быть сбалансирована теплоотводом в глубь анода 2, обратным излучением в разряд и испарением анода или других материалов, конденсирующихся металлов.

Для расчета мощности, выделяющейся на аноде (P_a), используется выражение

$$P_a=I_{раз}(U_a+e\varphi +\frac{2k{T}_e}{e})$$

где I_раз - ток разряда, достигающий анода; eφ - работа выхода электрона из материала анода; 2kT_e/е - средняя кинетическая энергия электронов, поступающих в анодную область из плазмы; U_a - прианодное падение напряжения.

В режиме очистки на загрязненных участках рабочей поверхности катода существует самостоятельный, хаотично и быстро перемещающийся разряд. В момент времени t=0 (Фиг.1, а) на инициирующий электрод 4 подается импульс напряжения U_под, способствующий образованию на поверхности катода 7 источника первичных электронов - катодных пятен 3, являющихся основанием столба дугового разряда. Количество одновременно существующих катодных пятен определяется током разряда I_раз, степенью и типом загрязнений поверхности.

После возбуждения - катодное пятно 3, перемещаясь во внешнем электрическом $$\overrightarrow{E}$$ и собственном магнитном $$\overrightarrow{B}$$ полях, удерживается на той части поверхности катода 7, на которой существует минимальное напряжение горения разряда, т.е. в области с минимальным расстоянием анод-катод L_к.a, и обеспечиваются наиболее благоприятные условия для замыкания тока разряда на поверхность анода 2.

Таким образом, перемещение катодных пятен 3 по обрабатываемой поверхности (S_к) определяется исключительно местом взаиморасположения анода 2 относительно катода 7, а локализация катодных пятен ограничивается геометрическими размерами приемной поверхности анода S_a.

Перемещение катодных пятен 3 по обрабатываемой поверхности происходит хаотически и поэтому уменьшение приемной поверхности анода 2 ограничивает поверхность их локализации площадью эквивалентной ~ S_a. Сужение области существования повышает как скорость нарастания температуры на обрабатываемом участке катода 1, так и скорость удаления загрязнений с поверхности.

Время нахождения анода относительно обрабатываемой поверхности определяется плотностью теплового потока q, выделяющегося в катодных пятнах, и уровнем поверхностных загрязнений на данном участке. В результате этого катодные пятна 3 (температура в которых превышает температуру кипения, материала на котором они существуют) обеспечивают как испарение поверхностного слоя (слоя загрязнений), так и разогревают обрабатываемую поверхность до температур, при которых в областях близлежащих к их местоположению, наблюдается химическое разложение диэлектрических пленок и отслаивание окалины.

При рассмотрении тепловых задач, искомыми величинами являются распределение температуры в катоде 1, изменение глубины прогреваемого слоя и закон изменения во времени фазовых переходов. При рассмотрении воздействия перемещающегося катодного пятна 3 на обрабатываемую поверхность при наличии процессов плавления, кристаллизации и сублимации решение тепловой задачи сводится к задаче с подвижной границей (задача Стефана).

В момент времени t₁≠0 (Фиг.1, б), при условии перемещения анода 2 со скоростью V_a относительно катода 7, наблюдается и движение катодных пятен 3 по обрабатываемой поверхности в направлении соответствующем смещению анода. Скорость перемещения анода (V_a) относительно катода 1 определяется из условий существования разряда на катоде: ток разряда (I_раз), теплофизические свойства поверхностного слоя обрабатываемой поверхности и условия отвода тепла.

Форма анода 2 при осуществлении очистки определяется размерами и геометрией обрабатываемой поверхности 1 и в любой точке траектории перемещения расстояние между обрабатываемой поверхностью 1 и анодом 2 остается постоянным.

Падение напряжения на разрядном промежутке в процессе обработки поверхности при наличии загрязнений и существовании разряда с очищенного материала катода различны. Поэтому окончание технологического процесса очистки определяется выходом на стационарное состояние падения напряжения на разрядном промежутке.

Технология отрабатывалась на установке по очистке наружной поверхности стального цилиндра (диаметр 20 см, длина 50 см) от загрязнений. Заготовка жестко крепилась на конструкции, обеспечивающей ей поступательное движение относительно неподвижного анода, выполненного в виде водоохлаждаемого медного кольца (внутренний диаметр 22…25 см, длина 1,5…2,5 см) и охватывающего обрабатываемую поверхность.

Заготовка подключалась к отрицательной (заземленной) клемме источника питания. Анод подключен к положительной клемме источника питания. Обработка в вакуумной камере осуществляется при давлении 1…10 Па. Падение напряжения на разрядном промежутке для неочищенной поверхности составляло 17…20 В, а для очищенной более 20 В.

Созданная система позволяла изменять площадь приемной поверхности анода 2 и скорость перемещения электродов относительно друг друга, а также ток дугового разряда, что позволяло изучать связь между температурой дуги и температурой обрабатываемой поверхности.

Сканирование электродов позволяет достичь высокой равномерности при обработке поверхности. Воздействие катодного пятна дугового разряда на поверхность проявляется в частичном сглаживании поверхности и снижении микронеровностей. Использование предлагаемого способа стабилизации катодных пятен позволяет при фиксации анода относительно катода, сформировать на обрабатываемой поверхности достаточно четкую границу между необработанной (I) и обработанной (II) поверхностью (Фиг.2).

Технологии очистки металлических поверхностей востребованы при очистке крупногабаритных изделий, а также при реставрации различных емкостей и трубопроводов газообразных и жидких сред. Особую важность эта технология приобретает при работе с экологически опасными веществами, так как в плазменном потоке происходит их разложение на менее опасные составляющие.

Таким образом, предлагаемая технология обработки поверхностей с помощью дугового разряда в вакууме повышает качество, производительность и эффективность процесса, и самое главное она соответствует экологическим требованиям к современному производству.

Изобретение относится к способу обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме для удаления загрязнений. Технический результат изобретения состоит в обеспечении надежной фиксации и управляемого характера перемещения катодных пятен по очищаемой поверхности. Инициируют на обрабатываемой поверхности катодные пятна дугового разряда, который возбуждают в режиме возрастающего участка вольтамперной характеристики между анодом и катодом, который является обрабатываемой поверхностью. Осуществляют локализацию области существования катодных пятен на обрабатываемой поверхности и ее смещение путем перемещения анода. Используют анод с площадью токоприемной поверхности, меньшей площади катода, и устанавливают его на расстоянии от катода, обеспечивающем положительное анодное падение напряжения. Использование изобретения позволяет упростить стабилизацию катодных пятен на обрабатываемой поверхности, сократить время протекания технологического процесса очистки и повысить качество очищаемой поверхности. 2 ил.

Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, включающий инициирование на обрабатываемой поверхности катодных пятен дугового разряда, который возбуждают в режиме возрастающего участка вольтамперной характеристики между анодом и катодом, который является обрабатываемой поверхностью, отличающийся тем, что осуществляют локализацию области существования катодных пятен на обрабатываемой поверхности и ее смещение путем перемещения анода, при этом используют анод с площадью токоприемной поверхности, меньшей площади катода, и устанавливают его на расстоянии от катода, обеспечивающем положительное анодное падение напряжения.