Способ обработки металлических поверхностей тлеющим разрядом

М (54 СК РЯ бы обеспечитьчастиц,ц = и.ц 1 с см ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 4783718/0218.01.9023,10,92. Бюл. К. 39Самарский филиал Физического иним. П,Н.ЛебедеваХ,Д.ЛамажаповАвторское свидетельство СССР095 б 73, кл. С 23 С 8/38, 1980,СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЛЕЮЩИМ РДОМ Изобретение относится к области машиностроения и может быть использованодля обработки тлеющим разрядом металлических поверхностей.Известны способы обработки металлических поверхностей плазмой, при которыхионы, радикалы и высоковозбужденные атомы и молекулы, содержащиеся в плазме,взаимодействуют поверхностью, приводякарбидирование, азотирование или иноевоздействие на поверхность,Производительность этих процессов зависит от плотности потока частиц, поступающих к поверхности, и доли этого потока,которая вступает во взаимодействие с поверхностью, - ц. , где р - плотность потока,а )1 - доля провзаимодействовавших частиц, определяемая спецификой конкретного процесса,Стандартная обработка тлеющим разрядом при давлении 1-10 мм, рт, ст. с плотностью потока не выше 10 мА/см2обеспечивает плотность потока ионов, ускоренных в катодном слое, ц =- )/е - 101 Тионов/с.см О - плотность тока, е - заряд2иона). Обработка же потоком плазмы могла(57) Сущность изобретения: способ заключается в создании тлеющего разряда в соответствующей газовой среде на обрабатываемой поверхности детали, являющейся одним из электродов, причем в рабочей газовой среде создают высокотурбулентный закрученный поток с околозвуковым уровнем тангенциальных скоростей. Осуществление данного вихревого потока производится либо тангенциальным вдувом газовой смеси, либо наложением магнитного поля. 3 ил. тность потока активных где и - концентрация активных частиц;и - скорость плазменного потдка.При оценке плотности потока и взята равной концентрации молекул при нормальных условиях, т,е. при атмосферном давле 19 -3нии, и10 см, предполагая, что плазма плотностью ионизована и состоит только из активных частиц. А в качестве о взята скорость потока 700 м/с. Такая оценка дает плотность потока в 10 раз большую, чем при7стандартной обработке тлеющим разрядом. Однако реальное ускорение процесса происходит в 5-10 раз, Это является сщффвием того, что в реальном процессе взаимодейс 1 вующие частицы поступают из пограничного слоя, и скорость поступления частиц к поверхности не равна скорости набегающего потока. Лимитирующим процессом является диффузия активных частиц через пограничный слой, Причем с ростом давления диффузия во столько же раэуменьшится, во сколько возрастет концентрация, Оценим диффузионный потокЛпо = О,огэбп Огде О - коэффициент диффузии; 5огабп - Л и/Л х - градиент концентрации;Ли - уменьшение концентрации на толщине погранслоя Л х,Так как коэффициент диффузии порядка 0,1 10см /с при нормальных условиях - напри 2мер, коэффициент диффузии молекул азотачерез азот при атмосферном давлении О ==0,142 см /с), толщина пограничного слоя2порядка 0,1 см, то плотность диффузионного потока -дф,21018 1019 иОнОВс,и сТ,е. увеличение производительности приобработке плазменным потоком по сравнению с обработкой опытным тлеющим разрядом (10 мА/см ) будет не больше, чем в10. раз, Реальное соотношение производительностей этих процессов в десять раэменьше этой цифры. Прикладывая отрицательный потенциал к обрабатываемой металлической поверхности, можно быувеличить плотность потока активных ионовза счет увеличения плотности тока. Однакопри увеличении плотности тока неустойчивости разряда, развивающиеся при больших плотностях тока, приводят кпространственной неоднородности разряда - шнурованию, порог которого уменьшается с ростом давления, так что добитьсяоднородного горения разряда при атмосферном давлении возможно лишь при использовании специальных мер подавлениянеустойчивости,Известны способы обработки тлеющимразрядом, обеспечивающие работу при атмосферном давлении, в которых используется несамостоятельный разряд,Использование внешнего к разряду источника ионизации позволяет достичь плотность тока 10 А/см , т.е, плотность потокаионов достигает величины 1020 ИОНОВсд сОднако даннь 1 й способ, подавляя развитие 50обьемных неустойчивостей, не предотвращает распад катодного слоя, где собственнои происходит обработка поверхности, наряд катодных пятен, через которые течет восновном ток. Поэтому данный способ Обеспечивает только импульсно-период 2 ическийрежим. Т.е, плотность тока 10 А/см поддерживается в течение времени меньше времени развития неустойчивостей катодногослоя. Производительность процесса будет определяться скважностью импульсов, которая не очень велика.Цель изобретения - повышение производительности процесса и достижения большей однородности обработки при давлениях порядка атмосферного.Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки металлических поверхностей тлеющим разрядом, заключающемся в создании тлеющего разряда в соответствующей газовой среде на обрабатываемой поверхности детали, являющейся одним из электродов, в газовой среде созда-ют высокотурбулентный закрученный поток с околозвуковым уровнем тангенциальных скоростей. Осуществление данного вихревого потока производится либо тангенциальным вдувом газовой смеси, либо наложением магнитного поля ортогонально линиям тока в тлеющем разряде,П р и м е р 1. Для обработки внутренней поверхности цилиндрического отверстия в металлической детали осуществляется радиальный разряд между внутренней поверхностью цилиндрического отверстия и коаксиальным с ним осевым электродом. Газовая смесь при этом подается системой нескольких тэнгенциальных сопел заВИХриг телей. На фиг. 1 приведена схема данного способа. Обрабатываемая деталь является одним из электродов, другой электрод 2 вводится коаксиально в цилиндрическое отверстие. затем подается газовая смесь из соплового аппарата 3 и в полученном вихревом потоке зажигают тлеющий разряд от внешнего источника, не указанного на рисунке.П р и м е р 2, Для обработки наружных поверхностей цилиндрических деталей также осуществляется радиальный разряд между наружной поверхностью детали и цилиндрическим электродом большого диаметра и расположенного коаксиально с цилиндрической поверхностью. Закрученный поток может ыть создан либо применением танген 4 иального вдува из соплового аппарата, либо наложением магнитного поля, коаксиального оси цилиндра.На фиг, 2 приведена схема обработки наружной поверхности цилиндрических деталей или цилиндрических частей какой-либо детали. Между обрабатываемой деталью 1 и цилиндрическим электродом 2 вдувают газовую смесь из соплового аппарата 3, не указанного на рисунке, а затем зажимают тлеющий разряд в закрученном газовом потоке.Если по каким-либо причинам интенсивный вдув газовой смеси нежелателен. то для создания закрученного йотока можноприменить магнитное поле. В этом случае спомощью соленоида 4 создают магнитноеполе внутри цилиндрического электрода 2,а затем зажигают разряд. При этом взаимодействие радиального тока и осевого магнитного поля приводит в быстроевращательное движение газовую смесь, между электродами, так что разряд горитоднородно без контракции. Вдув газовойсмеси в данном случае необходим только 1 Одля выдавливания рабочего газа через торцы цилиндрического электрода, чтобы окружающий воздух не попал в зону разряда,Если предусмотреть какое-либо уплотнениена торцах, то расход газовой смеси будет 15минимальным,П р и м е р 3, Для обработки плоскостных поверхностей необходимо применить сопловой аппарат, который плавнопереходит в плоский раструб. На фиг. 3 приведена схема обработки плоских поверхностей, Обрабатываемая поверхность 1 ираструб 3 образуют целевой раскруточныйдиффузор, через который будет вытекать рабочий газ. Внутри соплового аппарата помещен внутренний электрод 2, При подачегазовой смеси через сопловой аппарат образуется закрученный лоток, приосевая область которого будет находиться припониженном давлении, При приложении напряжения между обрабатываемой детальюи внутренним электродом в закрученномпотоке зажигается тлеющий разряд. 6 случае применения магнитного поля, вторымэЛектродом должен быть раструб, являющийся одним из щек диффузора, а магнитное поле, создаваемое у торца соленоида 4,взаимодействуя с токами между щекамидиффузора, раскручивает газовую смесь вщелевом зазоре. Использование высокотурбулентного потока приводит к тому, что удается обеспечить поднормальный режимкатодного слоя, характеризуемый однородностью по площади и высоким значениемкатодного падения. Данное обстоятельство,связано с тем, что катодные неоднородности размываются скоростным высокотурбулентным потоком, Повышение рабочегодавления до атмосферного, достигаемое впредлагаемом способе, позволит: оказатьсяот вакуумируемых камер, что расширяеттехнологические возможности обработкитлеющим разрядом. Применение высокотурбулентного скоростного потока позволяет также увеличить и производительность, иоднородность обработки, т,к. в данном способе удается подавить образование катодных пятен до 1 А/см 2 при непрерывномхарактере разряда, Быстрое турбулентноеперемешивание газовой смеси также способствует большей однородности,Формула изобретения1. Способ обработки металлических поверхностей тлеющим разрядом, включающий обработку детали, являющейся однимиз электродов, в газовой среде при давлении не ниже атмосферного. о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения производительности процесса и однородности обработки, в газовой среде создаютвысокотурбулентный закрученный поток соколозвуковым уровнем тангенциальныхскоростей.2. Способ по п, 1, отл и ч а ю щи йс ятем, что высокотурбулентный закрученныйпоток создают тангенциальным вдувом рабочего газа.3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что высокотурбулентный закрученныйпоток создают наложением магнитного поля ортогонально линиям тока в тлеющемразряде,1770447 Составитель Х,ЛомажановТехред М,Моргентал Корректор А.Козор Редакто Заказ 3717 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям п113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ СС Производственно-издюельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.гагарина, 10с