Устройство для сильноточного низкоэнергетического ионного азотирования

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ(71) Заявитель Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для сильноточного низкоэнергетического ионного азотирования, состоящее из камеры анода, внутри которой расположен полый катод с экраном и подложка для обрабатываемой детали, отличающееся тем, что стенки полого катода выполнены из титана, а экран представляет собой сетку из вольфрамовой проволоки, причем площадь центральной ячейки превышает остальные не менее чем в 9 раз.(56) 1. Электронная плавка металлов / Г.Ф. Заборонок, Т.И. Зеленцов, А.С. Ронжин, Б.Г. Соколов. - М. Металлургия, 1972. - С. 121-124. 2. Барченко В.Т., Заграничный С.Н. // Тез. докл.конф. Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. - Свердловск, 1994. - Т. 1. - С. 40 (прототип). Полезная модель относится к обработке материалов заряженными частицами и может быть использована для поверхностного легирования деталей. Существует устройство для получения плазмы, используемое для генерации потока электронов. Устройство содержит полый перфорированный катод из нержавеющей стали, размещенный в вакуумной камере,служащей анодом. Заряженные частицы выходят через диск с отверстием. Для управления током пучка элек тронов внутри катода соосно с ним размещена управляющая сетка в виде цилиндра из молибденовой проволоки. В зависимости от величины подаваемого напряжения и количества рабочего газа может реализовываться режим высоковольтного разряда, при котором возможна генерация сфокусированного электронного пучка, или режим тлеющего разряда, при котором возможно получение значительного количества ионов. Недостатком устройства является невысокая плотность ионного потока, загрязнение обрабатываемой детали продуктами эрозии материала стенок катода 1. Наиболее близким является устройство генерации ионного потока, содержащее полый цилиндрический катод из нержавеющей стали, закрытый с одной стороны экраном в виде сетки и электрически соединенный с рабочей камерой, и анод 2. Недостатком этого устройства является невысокая плотность ионного тока на обрабатываемой детали, составляющая величину порядка 0,5 мА/см 2, при этом время обработки, необходимое для достижения эффекта упрочнения, составляет не менее 4 ч, и сильное распыление стенок полого катода, приводящее к неконтролируемому загрязнению ионного потока. Задачей полезной модели является повышение производительности и снижение степени загрязненности поверхности обрабатываемых деталей. Задача решается следующим образом. В устройстве для сильноточного низкоэнергетического ионного азотирования, состоящего из камеры - анода, внутри которого расположен полый катод с экраном и подложка для обрабатываемой детали, стенки полого катода выполнены из титана, а экран представляет собой сетку из вольфрамовой проволоки, причем площадь центральной ячейки превышает остальные не менее чем в 9 раз. На фигуре приведена функциональная схема устройства сильноточного низкоэнергетического ионного азотирования. В вакуумной камере 1, служащей анодом, размещен полый цилиндрический катод 2 из титана, один из торцов которого имеет отверстие для напуска азота, а второй торец закрыт сеткой 3, напротив него расположена подложка 4, электрически соединенная с полым катодом 2. Вакуумная камера 1 откачивается до давления 10-2 Па, затем к полому катоду 2 прикладывается рабочее напряжение. При давлении 10-2 Па катод 2 начинает работать в режиме электронной пушки. После этого в полый катод 2 подается азот и с ростом давления до величины 1-10 Па нем загорается сильноточный тлеющий разряд. Ионы из плазмы тлеющего разряда под действием потенциала подложки 4 бомбардируют стенки полого катода 2, образуя на них за время порядка 0,5 ч слой нитрида титана, обладающий повышенной стойкостью к распыляющему воздействию плазмы и препятствующий в дальнейшем загрязнению ионного потока продуктами эрозии. Такая операция создания защитного слоя проводится однократно, т.к. в дальнейшем поддержание слоя происходит автоматически во время работы устройства. После этого в рабочую камеру на подложку 4 помещается деталь. Поток ионов, проходя через отверстия сетки 3, бомбардирует деталь на подложке 4, разогревает ее до рабочих температур 350-500 С, обеспечивающих азотирование поверхностного слоя. Плотность ионного тока на детали составляет величину порядка 2 мА/см 2, что обеспечивает набор дозы легирования за время порядка 1 ч. В качестве обрабатываемых деталей использовались пластины из стали 40 Х с линейными размерами 100100 мм, толщиной 5 мм. Всего было обработано 20 шт. После обработки в течение 1 ч твердость поверхности возросла на 40-60 , толщина упрочненной зоны составила 30-40 мкм, продуктов эрозии стенок полого катода на поверхности деталей не обнаружено. При обработке аналогичной партии при помощи известного устройства такой же уровень физико-механических характеристик был достигнут за время обработки 4 ч, при этом на поверхности деталей методами рентгеноспектрального анализа обнаружены следы продуктов эрозии стенок полого катода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 2