Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности
Целью работы является исследование возможности применения плазменно-иммерсионной техноло гии для обработки внешних поверхностей трения габаритных трубчатых деталей и групповой упрочняющей обработки объемных деталей с развитой геометрией наружной поверхности. Рассматривается комплексная технология,...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна механіка |
|---|---|
| Datum: | 2019 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2019
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174065 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк // Технічна механіка.— 2019.— № 3.— С. 98-110.— Бібліогр.: 22 назв.— рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174065 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. 2020-12-30T19:01:13Z 2020-12-30T19:01:13Z 2019 Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк // Технічна механіка.— 2019.— № 3.— С. 98-110.— Бібліогр.: 22 назв.— рос. 1561-9184 DOI: doi.org/10.15407/itm2019.03.098 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174065 621.002.56 Целью работы является исследование возможности применения плазменно-иммерсионной техноло гии для обработки внешних поверхностей трения габаритных трубчатых деталей и групповой упрочняющей обработки объемных деталей с развитой геометрией наружной поверхности. Рассматривается комплексная технология, включающая высокоинтенсивную низкоэнергетичную имплантацию азота и нанесение наноструктурного функционального покрытия. Метою роботи є дослідження можливості застосування плазмово-імерсійної технології для локальної зміцнюючої обробки зовнішніх поверхонь тертя габаритних трубчастих деталей і групової зміцнюючої обробки об'ємних деталей з розвиненою геометрією зовнішньої поверхні. Розглядається комплексна технологія, що включає високоінтенсивну низькоенергетичну імплантацію азоту і нанесення функціонального наноструктурного покриття. The aim of this work is to study the possibility of using a plasma immersion technology in the local strengthening treatment of the outer friction surfaces of properly sized tubular parts and the group strengthening treatment of sculpture parts whose outer surface has a developed geometry. Consideration is given to a package technology that includes a high-intensity low-energy nitrogen implantation and the deposition of a nanostructure functional coating. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Технічна механіка Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности Застосування магнетронних пристроїв для комплексної плазмово-імерсійної технології обробки поверхні Use of magnetron devices in a package plasma immersion technology of surface treatment Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| spellingShingle |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. |
| title_short |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| title_full |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| title_fullStr |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| title_full_unstemmed |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| title_sort |
применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности |
| author |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. |
| author_facet |
Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна механіка |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| format |
Article |
| title_alt |
Застосування магнетронних пристроїв для комплексної плазмово-імерсійної технології обробки поверхні Use of magnetron devices in a package plasma immersion technology of surface treatment |
| description |
Целью работы является исследование возможности применения плазменно-иммерсионной техноло гии для обработки внешних поверхностей трения габаритных трубчатых деталей и групповой упрочняющей обработки объемных деталей с развитой геометрией наружной поверхности. Рассматривается комплексная технология, включающая высокоинтенсивную низкоэнергетичную имплантацию азота и нанесение наноструктурного функционального покрытия.
Метою роботи є дослідження можливості застосування плазмово-імерсійної технології для локальної зміцнюючої обробки зовнішніх поверхонь тертя габаритних трубчастих деталей і групової зміцнюючої обробки об'ємних деталей з розвиненою геометрією зовнішньої поверхні. Розглядається комплексна технологія, що включає високоінтенсивну низькоенергетичну імплантацію азоту і нанесення функціонального наноструктурного покриття.
The aim of this work is to study the possibility of using a plasma immersion technology in the local strengthening treatment of the outer friction surfaces of properly sized tubular parts and the group strengthening treatment of sculpture parts whose outer surface has a developed geometry. Consideration is given to a package technology that includes a high-intensity low-energy nitrogen implantation and the deposition of a nanostructure functional coating.
|
| issn |
1561-9184 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174065 |
| citation_txt |
Применение магнетронных устройств в комплексной плазменно-иммерсионной технологии обработки поверхности / А.Д. Гришкевич, С.И. Гринюк // Технічна механіка.— 2019.— № 3.— С. 98-110.— Бібліогр.: 22 назв.— рос. |
| work_keys_str_mv |
AT griškevičad primeneniemagnetronnyhustroistvvkompleksnoiplazmennoimmersionnoitehnologiiobrabotkipoverhnosti AT grinûksi primeneniemagnetronnyhustroistvvkompleksnoiplazmennoimmersionnoitehnologiiobrabotkipoverhnosti AT griškevičad zastosuvannâmagnetronnihpristroívdlâkompleksnoíplazmovoímersíinoítehnologííobrobkipoverhní AT grinûksi zastosuvannâmagnetronnihpristroívdlâkompleksnoíplazmovoímersíinoítehnologííobrobkipoverhní AT griškevičad useofmagnetrondevicesinapackageplasmaimmersiontechnologyofsurfacetreatment AT grinûksi useofmagnetrondevicesinapackageplasmaimmersiontechnologyofsurfacetreatment |
| first_indexed |
2025-11-25T22:45:14Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:45:14Z |
| _version_ |
1850570899863896064 |
| fulltext |
98
УДК 621.002.56 https://doi.org/10.15407/itm2019.03.098
А. Д. ГРИШКЕВИЧ, С. И. ГРИНЮК
ПРИМЕНЕНИЕ МАГНЕТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ
КОМПЛЕКСНОЙ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
Институт технической механики
Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины,
ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: Gryshkevych.O.D@nas.gov.ua
Метою роботи є дослідження можливості застосування плазмово-імерсійної технології для локальної
зміцнюючої обробки зовнішніх поверхонь тертя габаритних трубчастих деталей і групової зміцнюючої
обробки об'ємних деталей з розвиненою геометрією зовнішньої поверхні. Розглядається комплексна тех-
нологія, що включає високоінтенсивну низькоенергетичну імплантацію азоту і нанесення функціонально-
го наноструктурного покриття.
Досліджено особливості застосування джерела прискорених газових іонів для проведення комплекс-
ної технології поверхневої обробки робочої поверхні пари тертя. Комплексна технологія включає іонне
полірування для видалення наслідків абразивної обробки. Виявлені особливості попередньої підготовки
поверхні перед покриттям в умовах «масляної» відкачки при обробці деталей із титанових сплавів. Для
забезпечення імерсійного характеру обробки застосовано оригінальний спосіб підключення джерела жив-
лення розряду прискорювача іонів.
Експериментально доведено, що планарний магнетронний пристрій незбалансованого типу може
створювати потік пучкової плазми для проведення попередніх операцій нагріву, очищення та активації
поверхні оброблюваного об'єкта. З його допомогою забезпечується нанесення функціонального покриття,
а також створюється робоче плазмове середовище для проведення локальної та групової імерсійної техно-
логії високоінтенсивної низькоенергетичної імплантації азоту.
Обгрунтовано застосування плазмових пристроїв магнетронного типу, які повинні забезпечувати
проведення плазмово-імерсійної обробки в розрідженій плазмі несамостійного тліючого розряду. Розроб-
лено і випробувано магнетронний пристрій для нанесення покриття при зниженому робочому тиску (7 – 8)
× 10-4 Торр. Завдяки сильній незбалансованості магнітної системи магнетрона формується потік пучкової
плазми. Пучкова плазма використовується для локальної плазмово-імерсійної обробки і в газорозрядному
джерелі електронів для ініціювання несамостійного тліючого розряду. Розроблено інтегрований плазмо-
вий пристрій, що включає планарний незбалансований магнетрон і електродну систему плазмового широ-
коапертурного джерела електронів.
Отримано експериментальні зразки плазмово-імерсійної обробки. Отримано результати, що не супе-
речать очікуваним.
Ключові слова: плазмово-імерсійна технологія, іонно-плазмова технологія, іонно-променева техно-
логія, високоінтенсивна низькоенергетична іонна імплантація, несамостійний тліючий розряд, планарна
незбалансована магнетронна розпилювальна система, іонне джерело з замкнутим дрейфом електронів,
широкоапертурне джерело електронів, порожнистий катод.
Целью работы является исследование возможности применения плазменно-иммерсионной техноло-
гии для обработки внешних поверхностей трения габаритных трубчатых деталей и групповой упрочняю-
щей обработки объемных деталей с развитой геометрией наружной поверхности. Рассматривается ком-
плексная технология, включающая высокоинтенсивную низкоэнергетичную имплантацию азота и нанесе-
ние наноструктурного функционального покрытия.
Исследованы особенности использования источника ускоренных газовых ионов для проведения
комплексной технологии поверхностной обработки рабочей поверхности пары трения. Комплексная тех-
нология включает ионную полировку для устранения последствий абразивной обработки. Выявлены осо-
бенности предварительной обработки поверхности перед покрытием в условиях «масляной» откачки при
обработке деталей из титановых сплавов. Для обеспечения иммерсионного характера обработки использо-
ван оригинальный способ подключения источника питания разряда ускорителя ионов.
Экспериментально доказано, что планарное магнетронное устройство несбалансированного типа
может создавать поток пучковой плазмы для проведения предварительных операций нагрева, очищения и
активации поверхности обрабатываемого объекта. С его помощью обеспечивается нанесение функцио-
нального покрытия, а также создается рабочая плазменная среда для проведения локальной и групповой
иммерсионной технологии высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации азота.
Обосновано применение плазменных устройств магнетронного типа для обеспечения плазменно-
иммерсионной обработки в разреженной плазме несамостоятельного тлеющего разряда. Разработано и
испытано магнетронное устройство для нанесения покрытия при пониженном рабочем давлении
(7 – 8) × 10-4 Торр. Благодаря сильной несбалансированности магнитной системы магнетрона формирует-
ся поток пучковой плазмы. Пучковая плазма используется для локальной плазменно-иммерсионной обра-
ботки и в газоразрядном источнике электронов для инициирования несамостоятельного тлеющего разря-
да. Разработано интегрированное плазменное устройство, включающее планарный несбалансированный
А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк, 2019
Техн. механіка. – 2019. – № 3.
99
магнетрон и электродную систему плазменного широкоапертурного источника электронов.
Получены экспериментальные образцы плазменно-иммерсионной обработки. Полученные результа-
ты не противоречат ожидаемым.
Ключевые слова: плазменно-иммерсионная технология, ионно-плазменная технология, ионно-
лучевая технология, высокоинтенсивная низкоэнергетичная ионная имплантация, несамостоятельный
тлеющий разряд, планарная несбалансированная магнетронная распылительная система, ионный ис-
точник з замкнутым дрейфом электронов, широкоапертурный источник электронов, полый катод.
The aim of this work is to study the possibility of using a plasma immersion technology in the local
strengthening treatment of the outer friction surfaces of properly sized tubular parts and the group strengthening
treatment of sculpture parts whose outer surface has a developed geometry. Consideration is given to a package
technology that includes a high-intensity low-energy nitrogen implantation and the deposition of a nanostructure
functional coating.
The features of using an accelerated gas ion source in the package technology of friction pair working sur-
face treatment were studied. The package technology includes ion polishing, which eliminates the consequences
of abrasive treatment. For titanium alloy parts, the features of surface pretreatment prior to coating deposition in
the case of “oil” pumping were revealed. For the treatment to be of an immersion character, a novel method was
used for the connection of a power source for the ion accelerator discharge.
It was shown by experiment that an unbalanced planar magnetron device can generate a plasma beam for
the preparation operations of heating, cleaning, and activation of the surface of the part under treatment. With its
help, a functional coating is deposited, and a working plasma environment is produced for the local and group
immersion technology of high-intensity nitrogen implantation.
The use of magnetron-type plasma devices, which allow plasma immersion treatment in a rarefied non-self-
maintained glow discharge plasma, was substantiated. A magnetron device for coating deposition at a reduced
pressure of 7×10-4 to 8×10-4 Torr was developed and tested. Due to the magnetic system of the magnetron being
highly unbalanced, a plasma beam is formed, which is used in local plasma immersion treatment and in a gas-
discharge electron source for initializing a non-self-maintained glow discharge. An integrated plasma device,
which includes an unbalanced planar magnetron and an electrode system for a wide-aperture plasma electron
source, was developed.
Prototype samples treated by the plasma immersion technology were prepared. The results obtained are in
agreement with the expected ones.
Keywords: plasma immersion technology, ion plasma technology, ion beam technology, high-intensity
low-energy ion implantation, non-self-maintained glow discharge, unbalanced planar magnetron sputtering
system, ion source with closed electron drift, wide-aperture electron source, hollow cathode.
Состояние вопроса. Технологии обработки поверхности являются важ-
нейшим компонентом комплекса основных промышленных технологий в
машиностроении. Благодаря развитию высокотехнологичных отраслей про-
изводства в машиностроении получили распространение вакуумные элек-
тронно-лучевые, ионно-плазменные и ионно-лучевые технологии. В настоя-
щее время наряду с традиционными технологиям поверхностной обработки,
которые базируются на силовом воздействии на поверхность, успешно при-
меняются технологии поверхностной обработки, основанные на физическом
воздействии концентрированных потоков энергии на поверхность.
Развитие вакуумно-плазменных технологий стало возможным благодаря
разработке разнообразных плазменных технологических устройств. Техноло-
гические плазменные устройства обеспечивают создание плазменной техно-
логической среды, которая характеризуется различной плотностью плазмы,
элементным и зарядовым составом ее активных компонентов, различным
пространственным распределением её локальных энергетических характери-
стик. Конкурентные возможности плазмы обусловлены ее исключительными
свойствами, которые проявляются благодаря наличию в ней множества сте-
пеней свободы, что, в конечном счете, и определяет ее технологические воз-
можности и широкий спектр применения в технологии обработки поверхно-
сти конструкционного материала [1].
В 90-е годы прошлого века наблюдалось существенное повышение инте-
реса к семейству вакуумно-плазменных технологий, получивших название
плазменно-иммерсионных. По Андерсу [2], к плазменно-иммерсионным тех-
100
нологиям (ПИТ) относят способы обработки, осуществляемые при погруже-
нии обрабатываемого объекта в плазму и извлечении из плазмы на его по-
верхность активных энергетичных частиц. По этому признаку ранее извест-
ные способы обработки поверхности, такие как КИБ (конденсация с ионной
бомбардировкой) [3] и IBAD (ионное ассистирование) [4], также могут быть
отнесены к семейству плазменно-иммерсионных технологий.
Извлечение и ускорение частиц, бомбардирующих обрабатываемую по-
верхность, осуществляется наложением стационарного или импульсного
электрического поля на границу плазма – обрабатываемый объект. Заметим,
что к этому классу технологий можно отнести технологии, осуществляемые
как при полном погружении объекта обработки в плазменную среду, так и
при локальном взаимодействии плазмы с обрабатываемой поверхностью.
Характерные особенности плазменно-иммерсионной технологии.
Охарактеризуем некоторые ключевые свойства ионно-иммерсионной техно-
логии, обеспечивающие ее отличие и преимущества перед традиционными
вакуумно-плазменными способами обработки поверхности.
Обработка поверхности в вакууме очень чувствительна к чистоте техно-
логической среды относительно активных компонентов остаточной атмосфе-
ры технологического объема [5]. В практике применения технологии чистота
относительно углеводородных загрязнителей обеспечивается использовани-
ем «безмасляных» средств вакуумной откачки. Возможность загрязнения об-
ласти обработки активными газами может быть снижена проведением техно-
логического процесса при пониженном давлении. Загрязнения поверхности,
являющиеся результатом взаимодействия активных газовых компонентов с
поверхностью обработки в реальном масштабе времени, обычно удаляются
ионной бомбардировкой поверхности обработки энергетичными частицами.
Энергетичные частицы генерируются вспомогательными источниками плаз-
мы или извлекаются непосредственно из плазмы. Для этой цели, например
при азотировании, для удаления препятствующих проведению процесса им-
плантации пленок оксидов и нитридов используются смеси плазмообразую-
щих газов аргона и азота. В этом случае иммерсионная обработка имеет оче-
видные преимущества, так как не требует дополнительных технологических
устройств для генерации энергетичных газовых ионов [6].
Обработка погружением обрабатываемого объекта в разреженную плаз-
му несамостоятельного тлеющего разряда обеспечивает обработку объектов
со сложной конфигурацией поверхности [7]. При этом толщина слоя плазмы
у обрабатываемой поверхности не должна превышать параметр ее геометри-
ческой неоднородности. Проведение технологического процесса при давле-
нии (7,5×10-3 – 7,5×10-4) Торр позволяет понизить опасность загрязнения по-
верхности и интенсифицирует процесс азотирования высокоинтенсивной
низкоэнергетичной имплантацией по сравнению с обработкой в самостоя-
тельном тлеющем разряде при давлениях до 100 Торр.
Постановка задачи. Задачей настоящего исследования является иссле-
дование возможности создания оптимального аппаратурно-технического
обеспечения комплексной технологии упрочнения наружных поверхностей
пар трения. Рассматривались возможности построения комплексной техноло-
гии упрочнения пар трения деталей из титанового сплава двух различных ти-
пов. Это упрочнение наружной поверхности габаритной трубчатой детали
101
возвратно-поступательной пары трения и упрочняющая обработка малогаба-
ритных сложнопрофильных деталей с характерным габаритным размером
порядка (20 – 30) мм и с неоднородностями геометрии поверхности масштаба
1 мм.
Было принято, что комплексная технология плазменной обработки дета-
лей такого типа должна включать следующие технологические переходы:
ионная полировка рабочей поверхности с целью устранения технологической
наследственности предшествующей механической обработки; ионная очист-
ка и активация поверхности перед упрочнением; упрочнение высокоинтен-
сивной низкоэнергетичной имплантацией азота (ионным азотированием);
улучшение триботехнических характеристик поверхности нанесением нано-
структурного покрытия.
Ионно-лучевая технология локальной обработки габаритной детали.
Магнетронное нанесения функционального покрытия на предварительно
нагретую до 450˚С поверхность титановой детали сопровождается низко-
энергетичным слаботочным ассистированием ионной бомбардировкой [8].
При обработке детали из титанового сплава нами наблюдалось появление на
обрабатываемой поверхности характерной цветной пленки. Пленка имела
высокую твердость и механической полировкой не удалялась. Исследование
причин возникновения пленки привело к следующим выводам. Пленка может
появляться в результате полимеризации углеводородных загрязнений оста-
точной атмосферы вакуумной камеры (паров вакуумного масла) при активи-
рующем влиянии бомбардировки низкоэнергетичными заряженными части-
цами плазмы. Полимеризация может активироваться также геттерными свой-
ствами нагретой титановой поверхности. Это известные явления, описаны,
например, в [9]. Избежать возникновения этих явлений возможно примене-
нием «безмасляной» вакуумной откачки, улучшением операционного вакуу-
ма или применением так называемого «скафандра». Скафандром обычно
называют конструкцию для полугерметичного ограничения зоны плазменной
обработки, в которой создается небольшое избыточное давление по отноше-
нию к основной вакуумной камере.
В дальнейшей работе нами был учтен максимум рекомендаций по
предотвращению последствий применения «масляной» откачки, кроме тре-
бования отказа от самой «масляной» вакуумной откачки. Это объяснялось
тем, что наши технологические разработки ориентированы на использование
для модернизации промышленных вакуумных установок, оснащенных диф-
фузионными насосами, определяющими «масляный» характер откачки.
В традиционных вакуумных технологиях для проведения предварительной
обработки перед нанесением покрытий предпочтение отдается применению
пучков энергетичных ионов, генерируемых автономными ионными источни-
ками [10]. Для этих целей эффективны источники ионов с замкнутым дрейфом
электронов. Например, ускоритель ионов с анодным слоем – УАС [11].
В [12] для поверхностной модификации в плазме была продемонстриро-
вана перспективность метода низкоэнергетичной ионной имплантации.
Для нанесения наноструктурного функционального покрытия наиболее
часто применяются магнетронные распылительные системы, работающие в
стационарном или импульсно-периодическом сильноточном режиме – СИМР
[13]. Особенности функционирования этих типов плазменных устройств оха-
102
рактеризованы в значительном количестве публикаций [14], в том числе и в
наших [15].
Кратко остановимся на особенностях конструкции технологической
оснастки и технологических устройств, специально разработанных нами для
проведения ионно-лучевой технологии обработки наружной поверхности.
Упрочнение габаритных деталей удобно производить способом локаль-
ной обработки при сканировании обрабатываемой поверхности относительно
плазменных технологических устройств. Геометрические особенности дета-
лей трубчатого типа допускали возможность организации ее предварительно-
го нагрева резистивным нагревателем (ТЭН), который размещается во внут-
ренней полости трубы.
Перед нанесением покрытия на полированные поверхности предвари-
тельной ионной обработкой часто пренебрегают, заменяя ее ультразвуковой
внекамерной обработкой. В нашем случае предварительная обработка по-
верхности включала ионную полировку, что одновременно должно было
обеспечивать ее очистку и активацию перед нанесением покрытия.
Ионная полировка поверхности производилась ионным источником типа
УАС с разрядной ступенью диаметром 100 мм. Ширина межполюсного зазо-
ра магнитной системы ускорителя с ионным слоем (ширина разрядной каме-
ры УАС) равнялась 5 мм. Повышение плотности ионного тока в области ло-
кальной обработки, имеющей диаметр 50 мм, достигалось использованием
баллистической фокусировки ионного пучка. Фокусировка осуществлялась
двухуровневым расположением полюсов магнитной системы относительно
друг друга и использованием дополнительной магнитной фокусировки. На
рисунке рис 1, а) показана обработка экспериментального образца сфокуси-
рованным пучком ионов. Для проведения ионной полировки наружной ци-
линдрической поверхности детали сфокусированный пучок ионов ориенти-
ровался под углом относительно обрабатываемой поверхности, как это пока-
зано на рисунке 1, б).
а) б)
а) плазменно-иммерсионное азотирование имплантацией ионов азота;
б) ионно-лучевая полировка наружной поверхности пары трения.
Рис. 1 – Ионно-лучевое устройство обработки наружной поверхности
Отличительным признаком питания разряда ионного источника было то,
что ускоряющий ионы отрицательный потенциал подавался не на полюса
магнитной системы, как это обычно предусматривается, а непосредственно
на обрабатываемую деталь. В результате этого, в ускорителе происходила
только ионизация рабочего газа и формировался ускоряющий анодный слой.
103
Такой способ подключения разрядного источника позволил улучшить ста-
бильность анодного слоя в УАС-е и послужил основанием для квалификации
используемого процесса ионно-лучевой обработки как плазменно-
иммерсионного.
УАС устанавливался на расстоянии 130 мм от обрабатываемой поверх-
ности. Участок обрабатываемой поверхности бомбардировался сфокусиро-
ванным пучком газовых ионов, имеющих энергию не менее половины раз-
рядной разности потенциалов, приложенной между анодом УАС и объектом
обработки (~1500 эВ). Средняя плотность ионного тока на подложке состав-
ляла ~10 мА/см2. Поток ускоренных ионов обеспечивал ионную полировку,
ионную очистку и активацию поверхности перед нанесением покрытия.
Для модификации поверхностных свойств подложки ионно-лучевым азо-
тированием использовались энергетичные ионы чистого азота или смесь ар-
гона с азотом в различных пропорциях.
Нанесение наноструктурного покрытия после ионно-лучевой обработки
обеспечивалось модернизированным планарным несбалансированным магне-
троном с хромовым катодом диаметром 50 мм. Несбалансированность магнит-
ной системы модернизированной планарной магнетронной распылительной
системы ПлНбМРС50 обеспечивалась предельным увеличением магнитного
потока через наружный магнитопровод магнитной системы магнетрона. Пода-
ча аргона в разряд осуществлялась непосредственно в промежуток между ка-
тодом и анодом. Эта мера обеспечивала снижение рабочего давления в ваку-
умной камере до величины (7 – 8)×10-4 Торр.
Предварительный нагрев детали до 450˚С производился внутренним ре-
зистивным нагревателем мощностью 1 кВт. Нагрев детали массой 6,5 кг про-
исходил за 20 минут. Мощность разряда магнетрона в рабочем режиме со-
ставляла (2 – 2,5) кВт. Энергетическая эффективность распыления хрома
равнялась 0,03 мГ/А×мин. По некоторым показателям рабочего процесса
разработанный магнетрон превышал показатели аналогичного магнетрона
типа ONIX [16].
Ионно-плазменная система для комплексной локальной плазменно-
иммерсионной обработки наружной поверхности. Очевидным недостат-
ком интегрированного технологического устройства, включающего источник
плазмы УАС и магнетронную распыляющую систему ПлНбМРС50, является
его громоздкость. Применение в экспериментах предварительной ионной по-
лировки с помощью УАС не продемонстрировало явного улучшения каче-
ства упрочняющей обработки. Ожидаемое улучшение усталостной долговеч-
ности детали требует длительных испытаний натурной детали и не приводит
к быстрым выводам о целесообразности использования предварительной
ионной полировки. От применения УАС при обработке наружной поверхно-
сти в нашем случае было решено отказаться.
Был разработан технологический процесс проведения всех технологиче-
ских переходов локальной ионно-плазменной обработки наружной цилин-
дрической поверхности при использовании одного плазменного технологи-
ческого устройства – ПлНбМРС50.
В результате сильной несбалансированности магнитной системы магне-
трона в пространстве между его катодом и подложкой создавалась область с
продольным магнитным полем. При приложении к подложке отрицательного
смещения в этом объеме формировалась пучковая плазма. На рисунке 3 пока-
104
зана картина магнитного поля в этом объеме. На рисунке 4 видно, что
область пучковой плазмы занимает все пространство между магнетроном и
обрабатываемой поверхностью и имеет выраженные границы.
Интенсивность пучковой плазмы выбиралась достаточной для извлече-
ния из нее ионов с энергиями, необходимыми для проведения предваритель-
ной ионной обработки и для высокоинтенсивной низкоэнергетичной имплан-
тации. Энергетические характеристики извлекаемого из пучковой плазмы
потока газовых ионов определялись величиной потенциала смещения на об-
рабатываемой детали.
Следует оговориться, что разработанный способ упрочняющей обработ-
ки локальным плазменно-иммерсионным способом в пучковой плазме явля-
ется объектно-ориентированным. Процесс оптимален при обработке протя-
женных деталей трубчатого типа и ограниченно пригоден для обработки де-
талей другого типа. Более универсальным по применению является техноло-
гия плазменно-иммерсионной обработки, реализуемая при полном погруже-
нии обрабатываемого изделия в плазменную среду.
Интегрированная система для комплексной плазменно-иммер-
сионной групповой обработки малогабаритных деталей. Универсальность
обработки в объемном тлеющем разряде, заполняющем всю вакуумную ка-
меру, характеризуется тем, что она обеспечивает групповую обработку дета-
лей объемной конфигурации с развитым рельефом наружной поверхности.
Создание плазменной среды в большем технологическом объеме при
давлениях порядка (7 – 8)×10-4 Торр имеет свои особенности по сравнению с
обработкой в пучковой плазме.
При проведении плазменно-иммерсионной обработки с полным погру-
жением детали в плазму разряда обеспечивается непосредственный контакт с
плазмой всей обрабатываемой поверхности. Плазма тлеющего разряда явля-
ется источником заряженных частиц, выполняющих энергетическое воздей-
ствие на поверхность. Ионы извлекаются из плазмы отрицательным потенци-
алом смещения, приложенным к обрабатываемой детали относительно по-
тенциала плазмы. Трудности использования для поверхностной обработки
тлеющего разряда нормального типа заключаются в том, что устойчивая
форма разряда может существовать при повышенном давлении (порядка
Рис. 2 – Картина магнитного поля
Рис. 3 – Локальная обработка в
несбалансированном магнетроне
пучковой плазмой
105
100 Торр) или при приложении высокого разрядного напряжения. В этих
условиях, из-за малой длины пробега частиц в прикатодном слое, при повы-
шенном давлении, энергетика технологического процесса понижается, что
существенно влияет на производительность технологического процесса.
Примером тому может служить распространенный в современной технологи-
ческой практике процесс ионного азотирования [17]. Другим отрицательным
моментом при использовании самостоятельного разряда являются трудности
поддержания чистоты низкого вакуума.
Учитывая особенности нормального тлеющего разряда, при организации
поверхностной ионно-плазменной обработки предпочтение отдается несамо-
стоятельной форме тлеющего разряда. Это позволяет существенно улучшить
вакуум (до давлений от 7,5×10-3 Торр до 7,5×10-4 Торр) и приводит к соответ-
ствующему повышению энергетики ионной компоненты и производительно-
сти обработки.
Возбуждение тлеющего разряда при повышенном разрежении невоз-
можно без использования внешнего источника электронов.
Известны примеры использования несамостоятельного тлеющего разря-
да низкого давления в устройствах для формирования ионных или электрон-
ных пучков. Это создание плазмы в газоразрядной камере ионно-
плазменного сеточного источника ионов [18, 19] или в плазменном эмиттере
электронов для широкоапертурной электронной пушки [20, 21].
В качестве источника первичной плазмы, из которой извлекаются элек-
троны, в технологических установках с несамостоятельным тлеющим разря-
дом используется вакуумно-дуговой разряд [3] или термоэмиссионный ис-
точник электронов в сочетании с полым катодом [21].
Большинство разработанных конструкций интегрированных плазменных
источников электронов выполняется по аксиальной тандемной схеме («друг-
за-другом»), что увеличивает габариты конструкции. Примеры извлечения
электронов из плазмы разряда в радиальном направлении и использование
для этих целей планарных магнетронных устройств нам не известны.
Для осуществления групповой плазменно-иммерсионной обработки нами
были разработаны предложения по модернизации промышленной ионно-
плазменной установки типа «Булат». Установки этого типа имеют водоохла-
ждаемую рабочую камеру диаметром 500 мм и длиной 500 мм. Вакуумная
откачка рабочей камеры обеспечивается паромасляным высоковакуумным
насосом. Масляная откачка порождает проблемы чистоты технологической
среды, которые были упомянуты выше.
Была поставлена задача использования разработанного планарного маг-
нетронного устройства ПлНбМРС50 как для нанесения покрытия, так и для
предварительной генерации газовой плазмы в интегрированном широкоапер-
турном источнике электронов. Поток электронов должен извлекаться в ради-
альном направлении из полого катода, который предварительно заполняется
пучковой плазмой, генерируемой планарным магнетроном.
Конструктивная схема интегрированного плазменного устройства пред-
ставлена на рисунке 4. Для предотвращения загрязнения обрабатываемых
поверхностей компонентами остаточной атмосферы в вакуумной камере 1
установки «Булат» устанавливался полугерметичный технологический объем
2 – «скафандр». В полости «скафандра» располагался планетарный подлож-
кодержатель 3 и интегрированное плазменное технологическое устройство 4.
106
Для проведения плазменно-иммерсионной обработки во вспомогатель-
ном технологическом объеме возбуждался несамостоятельный тлеющий раз-
ряд. Возбуждение разряда происходило при инжекции электронов, извлекае-
мых из области пучковой плазмы.
Предварительная обработка производилась последовательным примене-
нием нагрева и активации поверхности обрабатываемых деталей электронной
или ионной бомбардировкой.
Энергетичные частицы вытягивались из области пучковой плазмы. Затем
производилась плазменно-иммерсионная высокоинтенсивная низкоэнерге-
тичная имплантации азота. Заключительной операцией обработки является
ионно-плазменное нанесение наноструктурного функционального покрытия.
В разработанной нами установке, как и в аналогичной по назначению
установке [22], для нанесения покрытия используется планарный магнетрон-
ный распылитель несбалансированного типа. Этот же магнетрон
ПлНбМРС50 используется для генерации электронного пучка, инициирую-
щего несамостоятельный тлеющий разряд. В [22] для возбуждения несамо-
стоятельного тлеющего разряда в большом объеме используется плазменный
генератор с термоэмиссионным эмиттером электронов и полым катодом. Ге-
нератор этого типа характеризуется высокой функциональной эффективно-
стью, но использование термоэмиссионного вольфрамового катода сильно
ухудшает его эксплуатационный ресурс.
В разработанной нами конструкции, представленной на рисунке 4, в кон-
струкции плазменного технологического блока 4 предусматривается исполь-
зование двух одинаковых симметрично расположенных технологических
1 – вакуумная камера установки «Булат»; 2 – полугерме-
тичный технологический объем – «скафандр»; 3 – плане-
тарный подложкодержатель; 4 – технологическое инте-
грированное плазменное устройство; 5 – трубчатое элек-
тродное устройство; 6 – порты вакуумной камеры; 7 –
магнетронное устройство ПлНбМРС50; 8 – антикатод
трубчатого электродного устройства; 9 – окно с сеточным
ускоряющим электродом.
Рис. 4 – Конструктивная схема интегрированного
плазменного устройства для групповой плазменно-
иммерсионной обработки мелких деталей
107
плазменных устройств 5. Вертикальная плоскость симметрии делит вакуум-
ную камеру установки на две равные части. Доступ в каждую часть возможен
через соответствующие порты вакуумной камеры 6. Каждое технологическое
устройство включает генератор пучковой плазмы – магнетрон 7 и состыко-
ванное с ним через изолятор трубчатое электродное устройство 5. Магнитные
полюса магнетронов имеют ориентацию, противоположную друг другу.
Электродное устройство смонтировано в короткой 100 мм нержавеющей
трубе. Блок магнетрон – электродное устройство устанавливается с возмож-
ностью поворота вокруг вертикальной оси. Открытые концы обеих трубча-
тых электродных устройств при установке в положении «А» ориентируются
напротив неподвижного графитового антикатода 9. С целью снижения гене-
рации распыленных частиц, катод магнетрона и антикатод изготавливаются
из графита, имеющего низкий коэффициент ионного распыления. Аналогич-
ная цель достигалась также использованием в качестве плазмообразующего
газа легкого гелия.
В боковой поверхности трубы имеется окно 9 размером 80 мм на 30 мм.
Окно закрыто сетчатым, изолированным от трубы ускоряющим электродом.
В положении «А» через обращенный в сторону подложкодержателя сетчатый
электрод извлекаются и ускоряются к подложке энергетичные частицы.
При повороте электродного устройства на некоторый угол в положение
«Б» катод магнетрона ориентируется на планетарный подложкодержатель в
положение нанесения покрытия.
Графитовый антикатод находится под отрицательным потенциалом от-
носительно анода магнетрона. На сетчатый электрод подается ускоряющий
потенциал относительно пучковой плазмы.
В полости трубы электродного устройства создается пучковая плазма.
Между сетчатым электродом и границей пучковой плазмы формируется
двойной электрический слой. Через отверстия сетки, в зависимости от знака
ее потенциала, из пучковой плазмы могут извлекаться электроны или ионы.
Поток заряженных частиц используется для нагрева, очистки деталей и для
инициирования несамостоятельного тлеющего разряда в «скафандре».
В полости «скафандра» создается несамостоятельный тлеющий разряд. В
разреженную плазму тлеющего разряда погружен подложкодержатель с об-
рабатываемыми деталями. На подложкодержатель в стационарном или им-
пульсном режиме подается отрицательный относительно плазмы разряда
ускоряющий потенциал.
Для интенсификации процесса нанесения покрытия может использовать-
ся схема дуального магнетрона [4]. В этом случае в области обработки, бла-
годаря противоположно ориентированным магнитным полюсам магнетронов,
создается общее магнитное поле. Это позволяет повысить плотность плазмы
в области нанесения покрытия. Кроме того, использование в магнетронах
различных распыляемых катодных материалов открывает возможность нане-
сения композитных двухкомпонентных покрытий.
Результаты экспериментов. Производилось сравнение характеристик
обработки ионно-лучевым способом и плазменно-иммерсионным. Ионно-
лучевая обработка производилась с помощью источника плазмы УАС. Плаз-
менно-иммерсионный способ локальной высокоинтенсивной низкоэнерге-
тичной имплантации был реализован с помощью пучковой плазмы, генери-
108
руемой магнетроном ПлНбМРС50. При обработке материал катода
ПлНбМРС50 соответствовал материалу обрабатываемого образца.
Экспериментальные образцы размером 40 мм на 40 мм вырезали из листа
полированной нержавеющей стали АISI321 (12Х18Н10Т) толщиной 2 мм.
Исходная твердость поверхности образца равнялась 170 МПа. Нагрев образцов
до рабочей температуры производился ионной бомбардировкой. При бомбар-
дировке потоком ионов с плотностью мощности (15 ÷ 17) Вт/см2, образец
нагревался до 480˚С за 5 минут. Температура контролировалась термопарой.
В [23] было показано, что для достижения структурных превращений в
обрабатываемой подложке, для преобразования межкристаллитных границ и
образования вторичных фаз в поверхности металла, энергия бомбардирую-
щих поверхность энергетичных ионов должна быть не менее 1 кэВ при дозе
ионного облучения от 1020 см-2 до 1021 см-2. При этом величина плотности
мощности потока ионов должна находиться в диапазоне от 3 Вт/см2 до
12 Вт/см2.
При обработке образца 12Х18Н10Т ускоренными в УАС ионами азота
режим УАС (ускоряющее напряжение – 2,8 кВ, ионный ток на подложку –
60 мА) поддерживался 1 час. При этом флюенс (доза облучения) был поряд-
ка 5×1020 см- 2. Величина микротвердости азотированной поверхности дости-
гала 1250 кг/мм2. Шероховатость поверхности полированного образца после
обработки визуально ухудшилась. О толщине слоя азотирования судили по
величине диагонали отпечатка индентора прибора ПМТ3. Эта величина
должна составлять не более 0,1 от толщины измеряемого упрочненного слоя.
Режим обработки образца пучковой плазмой выдерживался примерно на
том же уровне, что и при обработке УАС. При режиме магнетрона 500 В,
500 мА, образец подвергался бомбардировке ионами азота при смещении
1900 В, при плотности ионного тока 4 мА/см2. В этом режиме за 20 минут
достигался флюенс 3×1019 см-2, за 30 минут – 4,5×1019 см-2, за час – примерно
1020 см-2. При облучении за время 30 минут микротвердость поверхности об-
разца возрастала от исходной твердости до примерно HV100 = 1250 кг/мм2 .
При уменьшении времени ионного облучения микротвердость пропорцио-
нально уменьшалась. При флюенсе 5×1019 HV100 = 650 кг/мм2. Особенностью
обработки является распыление поверхностного слоя образца за счет бом-
бардировки энергетичными газовыми ионами. При этом параметр шерохова-
тости образца ухудшался. Распыление поверхности образца не компенсиру-
ется конденсацией материала аналогичного состава с катода магнетрона.
Результаты локальной обработки ионно-лучевым способом с помощью
ионного источника УАС и локальная обработка с использованием пучковой
плазмы оказались практически идентичными.
Отработка конструкции для создания несамостоятельного тлеющего раз-
ряда производилась в вакуумной камере установки ВУП- 5М объемом 20 л.
Экспериментальные условия малой вакуумной камеры не позволили прове-
дение длительного технологического процесса плазменно-иммерсионной об-
работки из-за недопустимого нагрева неохлаждаемой вакуумной камеры. До-
стижение параметров плазмы, необходимых для плазменно-иммерсионной
обработки в этих экспериментальных условиях, оказалось невозможным.
Заключение. В работе были рассмотрены причины «отравления» по-
верхности титановых деталей при плазменной обработке с низкоэнергетич-
ным слаботочным ионным ассистированием. Установлено, что основными
109
причинами является наличие паров вакуумного масла в остаточной атмосфе-
ре вакуумной камеры. Геттерные свойства титана, проявляющиеся при тем-
пературе 450˚С, и взаимодействие углеводородных компонентов остаточной
атмосферы вакуумной камеры с разреженной низкоэнергетичной плазмой
способствовали возникновению полимеризованных пленок, которые загряз-
няли обрабатываемую поверхность.
Для устранения обнаруженных особенностей использовалась обработка
локальным взаимодействием интенсивной пучковой плазмы с обрабатывае-
мой поверхностью. Подобные режимы были реализованы и в объемной
плазме несамостоятельного тлеющего разряда.
Основной задачей настоящей работы являлась демонстрация возможно-
сти использования магнетронного генератора плазмы для упрочняющей об-
работки двух типов деталей. Комплексная технология упрочняющей обра-
ботки включала предварительную ионную обработку поверхности, вакуумно-
иммерсионную модификацию поверхности интенсивной ионной низкоэнер-
гетичной имплантацией и ионно-плазменное нанесение наноструктурного
функционального покрытия. Для осуществления комплексной технологии
упрочнения двух типов деталей разработаны два различных типа плазменных
технологических устройств.
Первый тип устройства предназначался для локальной комплексной тех-
нологии обработки наружной поверхности габаритной трубчатой детали.
Этот тип устройства на основе ПлНбМРС50 был ориентирован только на
плазменно-иммерсионную обработку габаритных деталей трубчатого типа.
Второй тип устройства отличался универсальностью применения и пред-
назначался для групповой комплексной технологии упрочнения рабочих по-
верхностей малогабаритных деталей с развитой наружной поверхностью.
Плазменное технологичное устройство второго типа включало, кроме
ПлНбМРС50, широкоапертурный источник электронов. Это технологическое
устройство обеспечивало выполнение всех переходов плазменно-
иммерсионной обработки.
Оба типа плазменных технологических устройств продемонстрировали
функциональную работоспособность при выполнении соответствующих тех-
нологических операций. В перспективе планируется проведение оптимиза-
ции параметров технологических процессов. С этой целью будут выполнены
исследования локальных характеристик технологических устройств и изуче-
но их влияние на эффективность технологии комплексной упрочняющей об-
работки.
1, Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит. 2006. 576 с.
2. Anders Andre. From Plasma Immersion Ion Implantation To Deposition: A Historical Perspepective on Princi-
ples and Trends. URL:https://www.semanticscholar.org/paper/
3. Аксенов И. И., Андреев А. А., Белоус А. и др. Вакумная дуга. Источники плазмы, осаждение покрытий,
поверхностное модифицирование. Киев: Наукова думка, 2012. 727 с.
4. Свадковский И. В. Направления развития магнетронных распылительных систем. Доклады БГУИР.
2007. № 2(18). С. 112–121.
5. Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986.
232 с.
6. Карпов Д. А., Литуновский В. Н. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация (ПИИИ): физические
основы, использование в технологиях. СПб.: ФГУП “НИИЭФА им. Д.В. Ефремова”, 2009. 62 с.
7. Levchuk D. Plasma assisted techniques for deposition of superhard nanocomposite coatings. 2007. Vol 201.
P. 6071–6077. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.113
8. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки матери-
алов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 263 с.
110
9. Габович М. Д., Плешивцев Н. П., Семашко Н. Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного
синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. 248 с.
10. Маишев Ю. П., Виноградов М. И. Вакуумные процессы и оборудование ионно- и электронно-лучевой
технологи. М.: Машиностроение, 1989. 56 с.
11. Белый А. В., Кукареко В. А., Лободаева О. В. и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и кера-
мических материалов. Минск: ФТИ, 1998. 218 с.
12. Method and apparatus for magnetically enhanced sputtering: Patent US 6296.742: МПК
C23C14/35; H01J37/34; H03K3/57 / Kouznetsov Vladimir. US19990393294; 19990910; 02.10.2001.
13. Кузьмичев А. И. Импульсные магнетронные распылительные системы. Сб. трудов Харьковской науч-
ной ассамблеи ISTFE-14. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2014. С. 221–244.
14. Гришкевич А. Д., Гринюк С. И., Кучугурный Ю. П. Технологческие плазменные устройства на основе
разряда с замкнутым дрейфом электронов. Техническая механика. 2013. №4. С. 43–57.
15. Рогов А. В., Капустин Ю. В., Мартыненко Ю. В. Факторы, определяющие эффективность магнетрон-
ного распыления. Критерии оптимизации. ЖТФ. 2015. Т. 85. Вып. 2. С. 126–134.
https://doi.org/10.1134/S1063784215020206
16. Арзамасов Б. Н. Братухин Б. Н., Елисеев Ю. С. и др. Ионная химико-термическая обработка сплавов.
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 400 с.
17. Штулингер Э. Ионные двигатели для космических полетов. М: Воениздат, 1966. 343 с.
18. Гончаров Л. А., Григорьян В. Г. Источники ионов для операций ионно-лучевой технологи. Прикладная
физика. 2007. № 5. С. 67–70.
19. Окс Е. М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск: Изд-во
НТЛ, 2005. 216 с. https://doi.org/10.1002/3527609415
20. Гаврилов Н. В., Меньшаков А. И. Влияние параметров электронного пучка и ионного потока на ско-
рость плазменного азотирования аустенитной нержавеющей стали. Журнал технической физики. 2012.
Т. 82. Вып. 3. С. 88–93. https://doi.org/10.1134/S1063784212030073
21. Борисов Д. П., Детистов К. Н., Ежов В. В. и др. Вакуумный технологический комплекс «Спрут» для
формирования высококачественных упрочняющих поверхностных структур изделий плазменными
магнетронно-дуговыми методами. 8-я международная конференция «Взаимодействие излучений с
твердым телом», 23–25 сентября 2009 г., Минск, Беларусь. С. 299–301.
22. Способ упрочнения изделий из металлов: патент РФ № 2070607: МПК C23C8/36 / Атаманов М. В.,
Веселовзоров А. Н., Гордеева Г. В., Гусева М. И., Дергачев В. А., Неумоин В. Е., Погорелов А. А.
92014611/02; заявл. 25.12.1992; опубл. 20.12.1996.
Получено 13.05.2019,
в окончательном варианте 20.09.2019
|