Способ обработки изделия в вакууме и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЯ В ВАКУУМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное учреждение высшего профессионального образования БелорусскоРоссийский университет(72) Авторы Логвин Владимир Александрович Логвина Екатерина Владимировна(73) Патентообладатель Государственное учреждение высшего профессионального образования Белорусско-Российский университет(56) ХОДЫРЕВ В.И. и др. Вестник Могилевского государственного технического университета. - 2002. -2 (3). С. 159-163.2161662 2, 2001.2009100667 А, 2010.2170283 2, 2001.1449273 А 1, 1989.1044961 , 1983.2001/073112 .(57) 1. Способ обработки изделия в вакууме, включающий обработку поверхности изделия в вакууме в тлеющем разряде, отличающийся тем, что изделие располагают в вакуумной камере между анодом и катодом в области катодного темного пространства обрабатываемой поверхностью к аноду и подключают к источнику высокочастотного пульсирующего тока, осуществляют откачку воздуха из вакуумной камеры до разрежения 1,3-13,3 Па, создают между катодом и анодом, подключенными к источнику напряжения и расположенными на расстоянии 300-800 мм, напряжение 0,5 кВ и плотность тока 0,05-3 А/м 2,постепенно повышают напряжение между катодом и анодом до возбуждения самостоятельного тлеющего разряда с образованием шаровидного светящегося облака на торце анода, в процессе обработки через изделие пропускают высокочастотный пульсирующий ток с частотой 1-50 кГц в течение 5-60 минут, затем разрежение в вакуумной камере постепенно 16337 1 2012.10.30 понижают до 10-8-1,3 Па, а для ионизации пространства между катодом и анодом и поддержания горения тлеющего разряда в камере зажигают дугу между двумя электродами,расположенными в вакуумной камере и подключенными к инверторному источнику высокочастотного импульсного тока, изделие выдерживают в течение 5-60 минут, после извлечения изделия из вакуумной камеры его поверхность подвергают химическому или электрохимическому полированию. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изделие располагают на основании из диэлектрического материала, изолирующем его от катода, а материал электродов подбирают в зависимости от того, ионами какого материала необходимо имплантировать поверхность изделия. 3. Способ по п. 1 отличающийся тем, что во время обработки в вакуумную камеру осуществляют напуск технологических газов, например аргона и/или азота, и/или кислорода, и/или углекислого газа. 4. Устройство для обработки изделия в вакууме, содержащее откачной пост, форвакуумный агрегат, диффузионный насос, вакуумную камеру с катодом и анодом, подключенными к источнику напряжения, отличающееся тем, что содержит источник высокочастотного пульсирующего тока, подключенный к изделию и содержащий регулятор частоты и регулятор тока инверторный источник высокочастотного импульсного тока, подключенный к двум расположенным в вакуумной камере электродам и содержащий регулятор частоты и регулятор тока и систему напуска технологических газов с устройством контроля объема напуска газа. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из титана, а второй - из вольфрама. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из циркония, а второй - из вольфрама. 7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из тантала, а второй - из вольфрама. 8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из ниобия, а второй - из вольфрама. 9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из алюминия,а второй - из вольфрама. 10. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один электрод выполнен из хрома, а второй - из вольфрама. Изобретение относится к нанесению покрытий диодным распылением материала с помощью разряда и ионным внедрением и может использоваться в авиационной, приборостроительной, машиностроительной промышленности. Известны способы улучшения, заключающиеся в том, что под воздействием высокочастотной ультразвуковой энергии происходит возрастание энергетического уровня материала упрочняемого изделия 1-3. Данные способы имеют низкую производительность и значительные энергозатраты при осуществлении, так как необходимо подвергать высокочастотной ультразвуковой обработке изделие. Известна установка, состоящая из входного выпрямителя, инвертора, высокочастотного понижающего трансформатора, диодного выпрямителя, сглаживающего дросселя 4. Данная установка не позволяет распылять равномерно материал анода и равномерно ионизировать межкатодное пространство. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ, заключающийся в том, что улучшение осуществляется посредством изменения свойств поверхностного слоя вследствие торможения в нем бомбардирующих ионов в вакууме, в тлеющем разряде 5. 2 16337 1 2012.10.30 Данный способ, принятый за прототип, для осуществления процесса предполагает наличие более высокого потенциала между катодом и анодом и большего времени выдержки изделий под действием потенциала. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является устройство для улучшения поверхности изделий в тлеющем разряде, содержащее откачной пост, форвакуумный агрегат, диффузионный насос, вакуумную камеру с катодом и анодом, подключенными к источнику напряжения 5. Данное устройство, принятое за прототип, имеет низкий КПД вследствие того, что позволяет осуществлять только бомбардировку поверхности изделия положительно заряженными ионами в тлеющем разряде и не позволяет менять частоту импульсов электронного и ионного токов во время обработки, а также не позволяет осуществлять имплантацию поверхности изделий ионами других материалов. Задачей данного изобретения является снижение энергозатрат, сокращение количества микротрещин на поверхности изделий и времени обработки при одновременном повышении износостойкости изделий в процессе эксплуатации. Указанная задача решается благодаря тому, что в способе обработки изделия в вакууме, включающем обработку поверхности изделия в вакууме в тлеющем разряде, согласно изобретению, изделие располагают в вакуумной камере между анодом и катодом в области катодного темного пространства обрабатываемой поверхностью к аноду и подключают к источнику высокочастотного пульсирующего тока, осуществляют откачку воздуха из вакуумной камеры до разрежения 1,3-13,3 Па, создают между катодом и анодом, подключенными к источнику напряжения и расположенными на расстоянии 300-800 мм, напряжение 0,5 кВ и плотность тока 0,05-3 А/м 2, постепенно повышают напряжение между катодом и анодом до возбуждения самостоятельного тлеющего разряда с образованием шаровидного светящегося облака на торце анода, в процессе обработки через изделие пропускают высокочастотный пульсирующий ток с частотой 1-50 кГц в течение 5-60 минут, затем разрежение в вакуумной камере постепенно понижают до 10-8-1,3 Па, а для ионизации пространства между катодом и анодом и поддержания горения тлеющего разряда в камере зажигают дугу между двумя электродами, расположенными в вакуумной камере и подключенными к инверторному источнику высокочастотного импульсного тока, изделие выдерживают в течение 5-60 минут, после извлечения изделия из вакуумной камеры его поверхность подвергают химическому или электрохимическому полированию. Изделие располагают на основании из диэлектрического материала, изолирующего его от катода, а материал электродов подбирают в зависимости от того, ионами какого материала необходимо имплантировать поверхность изделия. Во время обработки в вакуумную камеру осуществляют напуск технологических газов, например аргона, азота, кислорода,углекислого газа. Устройство для обработки изделия в вакууме, содержащее откачной пост, форвакуумный агрегат, диффузионный насос, вакуумную камеру с катодом и анодом, подключенными к источнику напряжения, согласно изобретению, содержит источник высокочастотного пульсирующего тока, подключенный к изделию и содержащий регулятор частоты и регулятор тока инверторный источник высокочастотного импульсного тока,подключенный к двум расположенным в вакуумной камере электродам и содержащий регулятор частоты и регулятор тока и систему напуска технологических газов с устройством контроля объема напуска газа. Один электрод выполнен из титана, а второй - из вольфрама. Один электрод выполнен из циркония, а второй - из вольфрама. Один электрод выполнен из тантала, а второй - из вольфрама. Один электрод выполнен из ниобия, а второй - из вольфрама. Один электрод выполнен из алюминия, а второй - из вольфрама. Один электрод выполнен из хрома, а второй - из вольфрама. Известно, что при высокочастотном изменении подаваемого пульсирующего тока происходит возрастание энергетического уровня материала. Кроме того, в тлеющем раз 3 16337 1 2012.10.30 ряде поток ионов носит немоноэнергетический характер, не все ионы, исходящие из анода(электрода-излучателя), имеют энергию, достаточную для осуществления структурных изменений в поверхностном слое материала обрабатываемого изделия. Под действием катодного падения потенциала энергия ионов, исходящих из анода и образованных в межкатодном пространстве, увеличивается. Подвергая изделие воздействию высокочастотного пульсирующего тока, в процессе обработки можно значительно повысить энергетический потенциал атомов кристаллической решетки материала обрабатываемого изделия, тем самым создать условия для проведения структурных изменений в приповерхностных слоях материала изделия ионами с меньшей потенциальной энергией, повысить производительность, снизить энергозатраты и время на обработку. Известно также, что доводка любой поверхности, связанная со снижением шероховатости, продлевает срок службы деталей,повышает режущие способности инструментов, поэтому для уменьшения глубины и сглаживания микротрещин, а также для снятия внутренних напряжений в поверхностном слое проводится полирование поверхности. Химическое или электрохимическое полирование осуществляется при помощи химических реакций, ускоряемых действием электрического тока, в растворах, взаимодействующих с материалом изделий, и они являются достаточно эффективными способами для заживления трещин, снятия остаточных напряжений и уменьшения шероховатости. Сущность изобретения поясняется фигурой, где представлена схема установки для осуществления способа. Анод 1 установлен в диэлектрическом стакане 2, закрепленном вверху вакуумной камеры 3 на корпусе 4. На противоположной стороне внизу вакуумной камеры 3 расположен катод 5 на диэлектрической прокладке 6. На катоде 5 на основании 13 из диэлектрического материала выкладываются изделия 9 и подключаются к проводам независимого источника 12 высокочастотного пульсирующего тока, снабженного регулятором частоты 14 и регулятором силы тока 15. Электроды 16 и 17 подключены к инверторному источнику высокочастотного импульсного тока 18, снабженному регулятором частоты 19 и регулятором силы тока 20. Высоковольтные провода 7 от катода 5 и анода 1 подключены к источнику напряжения 8. Для напуска технологических газов служит система 22 с устройством 23 контроля объема напуска газов. Откачной пост 10, агрегат форвакуумный 11 и диффузионный насос 21 служат для откачки воздуха из вакуумной камеры 3. Пример реализации способа. Обработку по предлагаемому способу осуществляют следующим образом. Изделия 9 помещают в вакуумную камеру 3 и располагают на основании 13 из диэлектрического материала, на катоде 5, установленном на диэлектрической прокладке 6 таким образом, чтобы поверхность, которую необходимо обрабатывать, была обращена к аноду 1, и подключают к проводам от независимого источника 12 высокочастотного пульсирующего тока, снабженного регулятором частоты 14 и регулятором силы тока 15. Закрывают вакуумную камеру 3. Включают откачной пост 10 для откачки воздуха из вакуумной камеры 3. После создания достаточного разрежения в вакуумной камере 3 включают агрегат форвакуумный 11 для создания разрежения 1,3-13,3 Па, создают между катодом 5 и анодом 1,расположенными на расстоянии 300-800 мм, напряжение 0,5 кВ и плотность тока 0,0050,3 мА/см 2, постепенно повышают напряжение между катодом 5 и анодом 1 до возбуждения самостоятельного тлеющего разряда с образованием шаровидного светящегося облака на торце анода, тем самым зажигают тлеющий разряд. Благодаря вышеописанным действиям обеспечивается возникновение и устойчивое горение тлеющего разряда с формированием характерных для него структур при меньшем разрежении в вакуумной камере 3 и меньшем катодном падении потенциала, что, в свою очередь, снижает энергопотребление при работе установки. В процессе обработки через изделие пропускают высокочастотный постоянный ток с частотой 1-50 кГц в течение 5-60 минут. При помощи регулятора 14 частоты и регулятора силы тока 15 изменяют частоту и силу тока пропуска 4 16337 1 2012.10.30 емого через изделия 9 тока в процессе обработки, например в начале обработки устанавливают максимальную частоту и силу тока, в ходе процесса их постепенно уменьшают или в начале устанавливают минимальные частоту и силу пропускаемого через изделия 9 тока, к середине процесса их доводят до максимума и к завершению процесса уменьшают до минимума или наоборот. Затем разрежение в вакуумной камере постепенно понижают до 10-8-1,3 Па при помощи диффузионного насоса 21. Для ионизации пространства между катодом и анодом и поддержания горения тлеющего разряда в камере зажигают дугу между двумя электродами 16 и 17, изделия 9 выдерживают в течение 5-60 минут. Электроды 16 и 17 подключены к независимому инверторному источнику высокочастотного импульсного тока 18, снабженному регулятором частоты 19 и регулятором силы тока 20. Изменяя частоту и силу тока при помощи регуляторов частоты 19 и регулятора силы тока 20,управляют горением дуги между электродами 16 и 17. Материал электродов подбирают в зависимости от того, ионами какого материала необходимо имплантировать поверхность изделий, например титана и вольфрама, тантала и вольфрама, хрома и вольфрама, циркония и вольфрама, алюминия и вольфрама, ниобия и вольфрама. Дополнительно во время обработки в межкатодное пространство возможно осуществлять напуск технологических газов, например аргона, азота, кислорода, углекислого газа,при помощи системы 22 напуска технологических газов с устройством 23 контроля объема напуска газов, что способствует образованию на поверхности и в приповерхностных слоях материалов изделий сложных соединений, отличающихся высокой твердостью и износостойкостью. После выдержки изделий 9 под действием тлеющего разряда снимают напряжение с анода 5 и катода 1. В результате воздействия катодного падения потенциала тлеющего разряда на изделия 9 до двух раз сокращается время выдержки изделий 9 для перераспределения внутренних напряжений, заживления микротрещин и уменьшения шероховатости на поверхности при проведении обработки. Одновременно с перераспределением внутренних напряжений происходит насыщение поверхностного слоя изделий 9 ионами материала электродов 16 и 17. После обработки подают воздух в вакуумную камеру 3 и извлекают изделия 9. Затем для доводки поверхности изделий их подвергают химическому или электрохимическому полированию, помещая их в ванну с химически активным раствором, к материалу изделий или дополнительно изделия 9, помещенные в химически активный раствор, подключают к одному их электродов для проведения электрохимического полирования. Применение предлагаемого способа позволяет сократить энергозатраты при проведении обработки изделий до 50 с одновременным повышением износостойкости изделий из различных материалов до двух раз. Источники информации 1. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. - М. Машиностроение, 1980. - С. 41. 2. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. - М. Сов. энциклопедия, 1983. - С. 560. 3. Арзамасов Б.Н., Брострем В.А., Буше Н.А. и др. Конструкционные материалы Справочник. - М. Машиностроение, 1990. - С. 152-154. 4. Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки. Мн. Экоперспектива, 2003. - С. 340-341, рис. 8.6. 5. Ходырев В.И., Короткевич А.Ф., Шеменков В.М. Прогрессивные электрофизические методы упрочнения твердосплавного инструмента // Вестник Могилевского государственного технического университета. - 2002. -2 (3). - С. 159-163 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5