Материал: 1381

91

3.6.6Технология формирования упрочняющих покрытий методом

электродугового напыления 3.6.6.1 Катодные пятна

Для работы электродуговых источников паров металлов важен материал, генерируемый с катодного пятна. При относительно небольшом токе дуги (единицы ампер) на катоде формируется катодное пятно первого рода. Для такого пятна свойственно движение по катоду под действием силы Лоренца и генерация легких углеводородных фракций с массопереносом 10-7 г/кулон. Скорость плазмы составляет 107см/с. С ростом тока дуги до нескольких десятков ампер формируются катодные пятна второго рода, для которых свойственен брызговой вынос материала электродов с массопереносом около 10-4 г/кул. Скорость такой плазмы составляет 103- 104 см/с. Такой режим работы дуги наиболее характерен для электродуговых источников частиц. При разогреве катода до температуры, близкой к температуре плавления, возрастает термоэмиссия с катода. В этом случае формируется катодное пятно третьего рода с диффузным испарением материала. Этот режим работы источников пока слабо изучен и на практике почти не применяется.

Типичным представителем электродугового формирования покрытий являются установки УРМ (БУЛАТ) (см. рис. 3.32 б).

Источник состоит из катода (чаще титанового), анода (корпус камеры), электродов для инициирования дуги (поджигающий электрод), и электрода для очистки деталей в тлеющем разряде.

При обеспечении давления на уровне 0,1 Па на деталь подается отрицательный потенциал 1 кВ и в камере зажигается тлеющий разряд. Ионы из плазмы разряда устремляются на деталь и производят ее очистку.

При обеспечении в камере давления азота на уровне 10-2 Па, между катодом и анодом от дугового трансформатора подается напряжение около 25-40 В. Затем между катодом и поджигающим электродом подаются импульсы напряжения ~ 1 кВ для организации искрового пробоя и зажигания дугового разряда.

После зажигания дуги током 100-200 А на деталь подается отрицательный потенциал (-180 В), а в камеру подается рабочий газ – азот и производится формирование покрытия – нитрида титана.

Особенностью работы установок напыления упрочняющих покрытий типа «Булат» является эрозия катода и унос материала с катода. Унос массы «M» при эрозии электродов определяется соотношением:

где g – удельная эрозия материала, кг; I – ток , А; t – время, с.

Унос массы пропорционален объему эрозии W и плотности материала:

92

Особенность работы установок Булат состоят в необходимости поддержания соотношения давления, температуры и концентрации.

3.6.6.2 Упрочнение методом напыления с последующей имплантацией

Работа установок подобного типа подобна работе установок типа Булат. Отличие состоит в том, что для улучшения адгезии и сегрегатного состава покрытий катоды могут выполняться составными: из нескольких металлов, а извлекающее напряжение для ионов увеличено до 100-150 кВ. Установки характеризуются набором дозы 1017 1/см2 за времена порядка 20 минут. Глубина модифицированного слоя составляет 5-7 мкм. В последнее время установки находят применение для формирования карбонитридных покрытий, покрытий из нитрида циркония и др. В числе особенностей работы следует отметить необходимость согласования производительности откачного оборудования с десорбционными газовыделениями, возникающими при подаче импульсов напряжения.

3.6.6.3 Упрочнение материалов сильноточными ионно-электронными пучками на основе вакуумно-дугового разряда

Для получения плазмы в этих источниках используется вспомогательный разряд по поверхности диэлектрика.

На рис. 3.33 представлена схема сильноточного вакуумно-дугового ионно-электронного источника.

Рисунок 3.33 – Схема сильноточного ионного источника. 1 – катод; 2 – анод; 3 – изолятор; 4 – поток плазмы; 5 – магнитное поле; 6 – извлекающий электрод; 7 – деталь.

Генератор плазмы образован катодом 1 и анодом 2, которые разделены изолятором 3. При подаче напряжения (несколько киловольт) от емкости СД в полости анода зажигается вакуумный дуговой разряд, инициируемый пробоем по поверхности изолятора. Плазма разряда заполняет полость анода и поступает в ускоряющий промежуток,

93

образованный анодом 2 и извлекающим сетчатым электродом 6. При подаче ускоряющего напряжения (+100 кВ) от емкости Су с поверхности потока плазмы 4 происходит отбор ионов в направлении коллектора 7. Электроны могут накапливаться на силовых линиях поперечного магнитного поля 5, создаваемого протеканием тока по проводникам от разряда емкости. При подаче отрицательного потенциала от емкости Су происходит отбор электронов.

Поток частиц (электронов или ионов), достигая детали, создает термоудар (106K/с) на ее поверхности. Поверхность частично расплавляется. Создается ударноволновое воздействие на поверхность. При электронном воздействии создается термическая закалка и радиационно-стимулированная диффузия легко диффундирующих компонент к поверхности, в частности хрома. С поверхности частично улетучиваются окисные и углеродные пленки. С повышением числа импульсов (более 10) на поверхности формируется бугристый модифицированный слой в виде «апельсиновой корки».

При подаче на катод положительного потенциала из источника извлекаются ионы. В этом случае, кроме модификации поверхности, ионы внедряются в поверхность и замещают ионы атомов. Качественно картина может быть представлена в виде куба, из центра которого выбили атом малых размеров и заместили атомом больших размеров (например, замещение атома углерода на атом свинца). Изменение межатомного расстояния «напрягает» внутренние связи атома и приводит к упрочнению. Эффект упрочнения сопровождается радиационно-стимулированной диффузией хорошо диффундирующих металлов к поверхности (в частности хрома) и перемешиванием приповерхностных слоев с глубиной модификации 130-150 мкм. Число импульсов ионного воздействия более 5 может привести к отпуску детали и эрозии ее поверхности. Подобный режим реализуется на установках типа ННВ-6. Обычно плотность ионного тока составляет десятки килоампер на квадратный сантиметр.

Особенность упрочнения с помощью подобных источников заключается в том, что деталь не изменяет размеры, и не требует дальнейших обработок. Для упрочнения берутся детали новые, не бывшие

вэксплуатации.

3.6.6.4Оценка некоторых параметров электронно-ионных источников

игенераторов плазмы

Обычно перед анализом источника задаются его параметрами: ускоряющим напряжением U, током разряда I, расстоянием от катода до анода d, площадью зоны эмиссии с катода S, рабочим давлением P, родом рабочего газа и потенциалом его ионизации Ui, величиной индукции магнитного поля В, оценивают тип разряда (дуговой, тлеющий) и принцип генерации частиц.

Кинетическая энергия заряженной частицы (электрона или иона)

94

определится соотношением:

Напряженность электрического поля определится соотношением:

Плотность электрического тока определится соотношением:

J= I / S

Впервом приближении можно допустить, что ток разряда равен току

эмиссии, если вся площадь катода занята разрядом. Например, для тлеющего разряда максимальная плотность тока разряда J~ 200 мА/см2.

Концентрация плазмы n определится из соотношения:

где под J понимается плотность тока эмиссии.

Электронная температура Те определится из того, что при зажигании разряда происходит ионизация. Для полного разделения зарядов необходима энергия меньше тепловой. При 100% ионизации выполняется условие:

ПРИМЕР. В таблице 3.8 приведены некоторые соотношения для качественной оценки параметров источников частиц. Принятые условия: U=2000В, давление P=5 Па, рабочий газгелий (Ui=24 В), индукция магнитного поля В=0,3 Тл.

Таблица 3.8 – Параметры плазмы разряда

95

Продолжение таблицы 3.8