RU2055939C1 - Product surface modification method - Google Patents

Abstract

FIELD: machine part and mechanism surface treatment processes. SUBSTANCE: method involves radiating product surfaces to be modified by high-energy particle flux by placing product to be treated into chamber; supplying direct or intermittent electric potential to product; igniting direct or intermittent self-maintained discharge in chamber between auxiliary electrode and chamber metal wall, with ignition process being followed by production of plasma. Electric potential is supplied to product in the form of high-voltage pulses, whose activity does not exceed self-maintained discharge development time, with potential being equal to that supplied to product. EFFECT: increased efficiency and reduced cost of process. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и представляет возможность производить повышение прочности и/или износостойкости и/или коpрозионной стойкости изделий методом имплантации ионов после окончательной станочной обработки без снижения класса обработки, а также осуществлять другие виды модификации поверхностей. The invention relates to mechanical engineering and presents the opportunity to increase the strength and / or wear resistance and / or corrosion resistance of products by ion implantation after final machining without reducing the processing class, as well as carry out other types of surface modifications.

Известен способ модификации поверхностей имплантацией ионов, полученных с помощью источников ионов большой энергии. В этом случае изделие помещается в вакуумную камеру, куда инжектируется пучок ионов, формируемый источником ионов с ускорительной ионно-оптической системой, к элементам которой прикладывается стационарное или импульсное высоковольтное напряжение. Упомянутый пучок ионов направляется на обрабатываемое изделие. Недостаток этого метода состоит в относительно высокой стоимости и сложной технологии источников ионов высокой энергии и необходимости, в большинстве случаев, проводить разработку и изготовление специальных манипуляторов, перемещающих упрочняемое изделие под пучком для обеспечения однородности имплантации ионов [1]
Известен способ модификации поверхности изделий, при котором изделия помещают в вакуумную камеру с установленными на ее наружной поверхности постоянными магнитами, образующими на внутренней поверхности слой мультипольного магнитного поля, где создают плазму путем ионизации разреженного газа пучком электронов, инжектируемым в объем камеры из специального источника электронов (упомянутый мультипольный магнитный слой затрудняет утечку плазмы на стенку, что позволяет поддерживать ее плотность на необходимом уровне). На изделие подают высоковольтные импульсы напряжения, которые вытягивают и ускоряют ионы из плазмы, а они, внедряясь в поверхность изделия, модифицируют ее заданным образом. Недостатком способа является его повышенная стоимость, обусловленная использованием большого количества (обычно порядка 1000 штук/м²) дорогостоящих постоянных магнитов, а также невозможностью одновременной загрузки большого количества изделий с целью повышения эффективности использования оборудования, что обусловлено появлением в камере имплантации большой незащищенной мультипольным магнитным полем поверхности, на которой плазма погибает с повышенной скоростью, в результате чего ее плотность снижается ниже уровня обеспечивающего целесообразность использования метода для модификации поверхностей [2]
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение стоимости операции облучения модифицируемых поверхностей потоками быстрых ионов, при обеспечении необходимой степени модификации (повышении прочности, повышении износоустойчивости, повышении коррозионной стойкости и т.п.) поверхностей.A known method of surface modification by implantation of ions obtained using high energy ion sources. In this case, the product is placed in a vacuum chamber where an ion beam is injected, formed by an ion source with an accelerating ion-optical system, to the elements of which a stationary or pulsed high-voltage voltage is applied. The said ion beam is directed to the workpiece. The disadvantage of this method is the relatively high cost and complex technology of sources of high energy ions and the need, in most cases, to develop and manufacture special manipulators that move the hardened product under the beam to ensure uniform ion implantation [1]
There is a method of modifying the surface of products, in which the products are placed in a vacuum chamber with permanent magnets mounted on its outer surface, forming a multipole magnetic field layer on the inner surface, where plasma is created by ionizing the rarefied gas by an electron beam injected into the chamber from a special electron source ( the mentioned multipole magnetic layer complicates the leakage of plasma onto the wall, which allows its density to be maintained at the required level). High voltage voltage pulses are fed to the product, which pull and accelerate ions from the plasma, and they, being introduced into the surface of the product, modify it in a predetermined manner. The disadvantage of this method is its increased cost due to the use of a large number (usually about 1000 pieces / m ² ) of expensive permanent magnets, as well as the inability to simultaneously load a large number of products in order to increase the efficiency of use of equipment, which is caused by the appearance of a large unprotected multipole magnetic field in the implantation chamber the surface on which the plasma dies at an increased rate, as a result of which its density decreases below the level of expediency of using the method for surface modification [2]
The technical result of the proposed method is to reduce the cost of the operation of irradiating the modified surfaces with streams of fast ions, while ensuring the necessary degree of modification (increase strength, increase wear resistance, increase corrosion resistance, etc.) of surfaces.

Технический результат достигается способом модификации поверхности изделия посредством имплантации быстрых ионов, в соответствии с которым изделие помещают в металлическую камеру, создают в камере плазму и подают на изделие электрический потенциал, обеспечивающий вытягивание ионов из плазмы и их ускорение. Плазма создается с помощью электрического разряда между установленным в камере дополнительным электродом и стенкой камеры. Длительность импульса отрицательного напряжения, который подают на изделие, не превышает времени развития самостоятельного разряда при потенциале, равном поданному на изделие. Высоковольтный импульс потенциала подают на изделие не раньше установления стационарного режима плазмы после подачи потенциала на дополнительный электрод. The technical result is achieved by modifying the surface of the product by implantation of fast ions, according to which the product is placed in a metal chamber, a plasma is created in the chamber and an electric potential is supplied to the product, which allows the ions to be drawn out of the plasma and accelerated. Plasma is created by an electric discharge between an additional electrode installed in the chamber and the chamber wall. The duration of the negative voltage pulse that is supplied to the product does not exceed the development time of the self-discharge at a potential equal to that applied to the product. A high voltage potential pulse is supplied to the product no earlier than the establishment of a stationary plasma mode after the potential is applied to the additional electrode.

Плазма электрического разряда в разреженном газе давно используется для модификации поверхностей изделий. Однако низкая энергия ионов, попадающих из такой плазмы на поверхность обрабатываемого изделия (порядка одного или нескольких десятков электрон-вольт), диктовала необходимость поддерживать обрабатываемое изделие при температуре 500-600^оС, для получения необходимой скорости диффузии имплантанта в материал обрабатываемого изделия, что сопровождается отжигом и короблением изделий. Наложение высоковольтных импульсов напряжения на изделие погруженное в плазму избавляет от необходимости поддерживать изделие при повышенной температуре, поскольку ускоренные ионы внедряются вглубь поверхности и при комнатных температурах. Дополнительное заглубление имплантируемых ионов в обрабатываемое изделие происходит за счет радиационно стимулированной диффузии. Составляющие предложенного способа используются в технике и технологии достаточно давно, но в предложенной новой комбинации дают заметное снижение стоимости реализации процесса модификации поверхности путем имплантации ионов.Plasma electric discharge in a rarefied gas has long been used to modify the surfaces of products. However, the low energy of ions entering from the plasma to a surface of the workpiece (on the order of one or a few tens of electron-volts) dictated the need to maintain the workpiece at a temperature of 500-600 ^{° C,} to obtain the desired rate of diffusion of the implant into the material of the workpiece, which is accompanied by annealing and warping of products. The application of high-voltage voltage pulses to the product immersed in the plasma eliminates the need to maintain the product at elevated temperatures, since accelerated ions penetrate deep into the surface and at room temperatures. Additional deepening of implantable ions into the workpiece occurs due to radiation-stimulated diffusion. The components of the proposed method have been used in engineering and technology for a long time, but in the proposed new combination they give a significant reduction in the cost of implementing the surface modification process by implanting ions.

На чертеже показан один из возможных вариантов установки, позволяющий реализовать модификацию поверхностей предлагаемого способа. The drawing shows one of the possible installation options, allowing to implement a modification of the surfaces of the proposed method.

В металлическую камеру 2 через изолятор 6 введен электрод 5, который может быть полым или иметь другую конфигурацию. Напряжение от источника питания 12 на электрод 5 подается через балластное сопротивление 11. Через другой высоковольтный изолятор 1 в камеру 2 введен вакуумно уплотненный шток 3. На штоке 3 укрепляется обрабатываемое изделие 4. Через патрубок 10 камеры 2 производится ее откачка. Периодическая последовательность высоковольтных отрицательных импульсов, вырабатываемая генератором ГВИ 9, подается на изделие 4 через шток 3. Имплантант хранится в баллоне 8, который через регулирующий скорость натекания газа вентиль 7 присоединен к камере 2. An electrode 5, which may be hollow or have a different configuration, is inserted into the metal chamber 2 through the insulator 6. The voltage from the power source 12 to the electrode 5 is supplied through the ballast 11. Through another high-voltage insulator 1, a vacuum-sealed rod 3 is introduced into the chamber 2. The workpiece 4 is mounted on the rod 3. It is pumped out through the pipe 10 of the chamber 2. The periodic sequence of high-voltage negative pulses generated by the generator GVI 9 is supplied to the product 4 through the stem 3. The implant is stored in a cylinder 8, which is connected to the chamber 2 through a regulating gas leakage rate valve 7.

Для осуществления предлагаемого способа модификации поверхностей при площади изделия 4х1 м² и дозе облучения ионами азота 3·10²¹ ионов/м² в типичном случае в камере 2 устанавливают давление азота 5-8 ·10^-3 Торр (0,1 Па) и зажигают тлеющий разряд при напряжении 0,5-0,7 кВ. На изделие 4 подают периодическую последовательность отрицательных импульсов с амплитудой 30-50 кВ, что обеспечивает оптимальный режим имплантации и длительностью не более 10 мкс. Указанная выше доза имплантации при частоте следования импульсов 1 кГц набирается за 2 ч облучения изделия.To implement the proposed method for surface modification with a product area of 4x1 m ² and a dose of nitrogen ions of 3 · 10 ²¹ ions / m ^2, in a typical case, the nitrogen pressure 5-8 · 10 ^-3 Torr (0.1 Pa) is set in chamber 2 and ignited glow discharge at a voltage of 0.5-0.7 kV. A periodic sequence of negative pulses with an amplitude of 30-50 kV is supplied to the product 4, which ensures an optimal implantation regime and a duration of not more than 10 μs. The implantation dose indicated above at a pulse repetition rate of 1 kHz is gained in 2 hours of product irradiation.

В предлагаемом способе не создается мультипольный магнитный слой на стенках камер. При определенной стоимости постоянных магнитов, плотности установки магнитов и поверхности камеры изготовление одной установки, реализующей предлагаемый способ, оказывается значительно дешевле. При больших размерах камеры, когда изготовление тонкостенного варианта становится затруднительным необходимо сравнивать предлагаемый способ с аналогом (см. выше). В аналоге наиболее дорогим устройством является источник ионов большой энергии. In the proposed method does not create a multipole magnetic layer on the walls of the chambers. At a certain cost of permanent magnets, the density of the installation of magnets and the surface of the chamber, the manufacture of one installation that implements the proposed method is much cheaper. With large dimensions of the chamber, when the manufacture of a thin-walled version becomes difficult, it is necessary to compare the proposed method with an analogue (see above). In analogue, the most expensive device is a source of high energy ions.

Литература
1. М. И.Гусева. Ионная имплантация в неполупроводниковые материалы. Сб. Итоги науки и техники, т.5. Физические основы лазерной и пучковой технологии. Москва, 1989 г. с. 54.Literature
1. M. I. Guseva. Ion implantation in non-semiconductor materials. Sat Results of science and technology, vol. 5. Physical fundamentals of laser and beam technology. Moscow, 1989. 54.

2. J.R.Conrad, J.L.Radtke, R.A.Dodt et al, J.Appl. Phys, v. 62, p. 4591, (1987). 2. J. R. Conrad, J. L. Radtke, R. A. Dodt et al, J. Appl. Phys, v. 62, p. 4591, (1987).

Claims (2)

1. СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ посредством ионной имплантации, включающий размещение изделия в металлической камере, формирование в камере плазмы и подачу на изделие электрического потенциала, обеспечивающего вытягивание ионов из плазмы и их ускорение, отличающийся тем, что на дополнительный электрод, установленный напротив изделия, подают электрический потенциал и зажигают самостоятельный разряд между дополнительным электродом и стеной камеры, при этом на изделие подают периодическую последовательность высоковольтных отрицательных импульсов с амплитудой 30 - 50 кВ и длительностью не более 10 мкс. 1. METHOD OF MODIFICATION OF THE SURFACE OF THE PRODUCT by means of ion implantation, which includes placing the product in a metal chamber, forming a plasma in the chamber and supplying an electric potential to the product, which allows the ions to be drawn from the plasma and accelerated, characterized in that an additional electrode mounted opposite the product is supplied electric potential and ignite an independent discharge between the additional electrode and the chamber wall, while a periodic sequence of high voltage negative pulses with an amplitude of 30 - 50 kV and a duration of not more than 10 μs. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическую последовательность высоковольтных импульсов подают на изделие после подачи электрического потенциала на дополнительный электрод. 2. The method according to claim 1, characterized in that a periodic sequence of high voltage pulses is supplied to the product after applying an electric potential to the additional electrode.

Images